Исследование напряженно-деформированного состояния структурно-неоднородной среды: на примере обработки резанием композиционных материалов со сферической формой армирующего зерна тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.03.01, кандидат технических наук Семенов, Иван Андреевич

• Семенов, Иван Андреевич
• кандидат технических наук
• 2009

Оглавление диссертации кандидат технических наук Семенов, Иван Андреевич

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. Обзор структурно-неоднородных материалов

1.1.1 .Классификация структурно-неоднородных ^ q материалов.

1.1,2.Виды композитов армированных волокнами. ^ j

Особенности строения. Применение.

1.1.3 .Виды композитов армированных частицами. ^

Особенности строения. Применение.

1.1 АНаплавы, как отдельный вид структурно- j неоднородных материалов.

1.2. Деформирование и разрушение структурно-неоднородных ^ j материалов.

1.2.1.Особенности деформирования и разрушения композиционных материалов на полимерной основе с волокнистыми наполнителями.

1.2.2.Особенности деформирования и разрушения композиционных материалов с дискретными наполнителями в виде частиц.

1.3. Особенности обработки структурно-неоднородных 3 j материалов резанием.

1.4. Математические модели.

1.5. Постановка цели и задачи исследования.

ГЛАВА 2. ПОЛЯРИЗАДИОННО-ОПТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ fi

МОДЕЛЕЙ СТРУКТУРНО-НЕОДНОРОДНЫХ СРЕД.

2.1. Выбор метода экспериментальных исследований

2.2. Основы моделирования поляризационно-оптическим ^ методом

2.3. Методика экспериментальных исследований ^^ поляризационно-оптическим методом.

2.3.1. Физическая суть поляризационно-оптического метода и принимаемые допущения.

2.3.2. Методика расчета напряжений для любой точки исследуемой модели.

2.3.3. Оборудование для проведения экспериментальных исследований.

2.3.4. Тарировка оптического дискового динамометра и ^ нагружающего устройства.

2.3.5. Описание экспериментов.

2.4. Обработка и анализ экспериментальных данных

2.4.1. Поляризационно-оптическая модель №1. Напряжено-деформированное состояние в армирующей фазе.

2.4.2. Поляризационно-оптическая модель №2. Напряжено-деформированное состояние в матричной фазе.

2.4.3. Обобщение данных, полученных на моделях №1,

2, построение поверхностных графиков распределения 83 напряжений.

2.5. Выводы по главе.

ГЛАВА 3. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ И КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО

СОСТОЯНИЯ.

3.1. Математическое моделирование напряженно-деформированного состояния регулярной структурно- 88 неоднородной среды.

3.1.1. Методика расчета напряженно-деформированного состояния в отдельно взятом зерне.

3.1.2. Построение математической модели регулярной ^ структурно-неоднородной среды.

3.2. Компьютерное моделирование напряженнодеформированного состояния структурно-неоднородной среды . 98 со случайной структурой.

3.2.1. Современные программы и методы математического ^ моделирования.

3.2.2. Обоснование выбора программного продукта для ^^ компьютерного моделирования.

3.2.3 Основные допущения и алгоритм расчета.

3.2.4. Описание процесса создания модели

3.2.5. Программа генерирования двухкомпонентной ^ ^^ структурно-неоднородной среды.

3.2.6. Создание конечно-элементной модели в среде ^ SolidWorks - CosmosWorks.

3.2.7.Результаты моделирования. Обработка и анализ ^ ^ экспериментальных данных.

3.3. Выводы по главе

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ И РАЗРУШЕНИЯ СРЕДЫ, ИМИТИРУЮЩЕЙ СТРУКТУРУ КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА НАПЛАВОВ СО СФЕРИЧЕСКОЙ ФОРМОЙ АРМИРУЮЩЕГО ЗЕРНА.

4.1. Методика измерения силовой неоднородности при резании.

4.2. Теоретический расчет силы резания. Выбор измерительного ^^ оборудования.

4.3. Описание модели и используемого оборудования.

4.4. Планирование эксперимента. Полный факторный эксперимент.

4.4.1. Выбор факторов и уровней

4.4.2. Выбор переменной отклика

4.4.3. Выбор математической модели. Матрица ^g планирования эксперимента.

4.5. Тарировка экспериментальной установки.

4.6. Проведение эксперимента и анализ экспериментальных ^^ данных.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование напряженно-деформированного состояния структурно-неоднородной среды: на примере обработки резанием композиционных материалов со сферической формой армирующего зерна»

Актуальность темы. В настоящее время в машиностроении все большую популярность завоевывают композиционные материалы. Они обладают многими положительными конструкционными, физическими, химическими и др. свойствами. Свойства современных композиционных материалов закладываются еще на этапе их проектирования. В зависимости от предъявляемых к будущим деталям требований могут выбираться соответствующие матрица и наполнители. В результате можно добиться более высоких прочностных характеристик при меньшей плотности материала, задать коррозионную стойкость, высокие демпфирующие свойства, хорошую электропроводимость либо наоборот свойства диэлектрика, и т.д. Как правило, технология производства композиционных материалов менее энергоёмка, - нежели при производстве традиционных сталей и сплавов, т.к. не требует плавления составляющих. Положительным моментом при этом является высокая точность отливок. Минимальная литейная усадка позволяет получать заготовки, требующие только чистовой обработки, а в ряде случаев не требующие механической обработки как таковой.

Развитие машиностроения требует постоянного совершенствования параметров станков, качества изготавливаемых деталей, более высоких экономических показателей как механообработки в частности, так и отрасли в целом. Это ведёт к поиску и проведению исследований по применимости новых материалов, которые откроют возможности для реализации новых конструктивных решений и технологических процессов. Именно с разработкой и широким применением композиционных материалов связываются перспективы прогресса в машиностроении.

Композиционные материалы с армирующей фазой в виде сферических зерен могут сочетать в себе не только уникальные физико-механические свойства, но и являются значительно более технологичными, чем композиты на основе дробленых армирующих частиц. Сферические зерна позволяют в ряде случаев при создании заготовки либо готовой детали использовать раздельную подачу материала 5 матричной и армирующей фаз, что дает возможность автоматизации процесса. Яркими примерами являются плазмотроны, где транспортирующим газом в дугу постоянного тока, горящую в потоке плазмообразующего газа, подаются материал матрицы и наполнителя. Также перспективным направлением считается создание промышленных принтеров, способных воссоздавать по предварительно введенной трехмерной модели деталь либо сооружение. Подачу композиционного состава можно сравнить с работой картриджа струйного принтера, выдающего необходимое количество нужных цветов по заданному алгоритму. Сферическая форма зерна позволяет использовать сопла с диаметром, сопоставимым с диаметром наибольших зерен, что дает возможность точной дозировки материала и четкого соблюдения (а также варьирования) пропорций.

Однако механика обработки таких материалов резанием изучена недостаточно. В отличие от подавляющего числа конструкционных материалов, в данном случае процесс обработки, как правило, проходит без образования стружки. Он больше похож на процесс поверхностного разрушения, который изучен в гораздо меньшей степени, чем стружкообразование. Поэтому представляет научный и практический интерес исследование напряженно-деформированного состояния в частности и механики процесса разрушения такого материала в целом в зоне, граничащей с режущим лезвием. Знание параметров этого процесса может помочь правильно выбирать параметры необходимого оборудования и оснастки, назначать режимы резания, обеспечивающие необходимые технические требования, шероховатость обрабатываемой поверхности, стойкость режущего инструмента.

Цель работы - исследование напряженно-деформированного состояния и установление рациональных режимов обработки структурно-неоднородных композиционных материалов со сферической формой армирующего зерна.

Для достижения указанной цели В диссертации были поставлены - следующие задачи:

1. Разработать поляризационно-оптическую модель, имитирующую неоднородность структуры двухкомпонентного композиционного материала со сферической формой армирующего зерна;

2. Выполнить исследование поляризационно-оптическим методом напряжений в модели структурно-неоднородной среды;

3. Выполнить сравнение напряжений и деформаций, полученных на основе метода фотомеханики и путем аналитического расчета структурно-неоднородной среды, как многозвенной статически неопределимой системы;

4. Разработать методику и вспомогательные программы для компьютерного моделирования полей напряжений и деформаций и выполнить компьютерные эксперименты;

5. Разработать физические модели структурно-неоднородных сред и провести экспериментальное исследование процесса стружкообразования при варьировании гранулометрическим составом и выбираемыми режимами резания;

6. Провести оценку силовой неоднородности при физическом моделировании резания структурно-неоднородной среды и построить математическую модель. ч

Методика исследования. В работе использованы теоретические и экспериментальные методы исследования. Использованы основные положения теории резания, теории упругости, прочности и разрушения, фотомеханики, компьютерного моделирования и программирования, планирования эксперимента и математической обработки экспериментальных данных.

Научная новизна проведенной работы состоит в следующем:

1. Разработана методика поляризационно-оптического моделирования полей напряжений в структурно-неоднородных средах;

2. Разработаны поляризационно-рптические и компьютерные модели, позволяющие проводить исследования напряженно-деформированного состояния 7 в двухкомпонентных композиционных материалах со сферической формой армирующего зерна, возникающего при механической обработке;

3. Построены математические модели, позволяющие прогнозировать качество обработанной поверхности и величину силовой неоднородности при обработке двухкомпонентных композиционных материалов со сферической формой армирующего зерна;

4. Разработана методика изучения силовой неоднородности при 1 физическом моделировании процесса резания структурно неоднородной среды.

Практическая значимость работы определяется: разработанными моделями, устройствами и методами для поляризационно-оптических исследований полей напряжений в I двухкомпонентных структурно-неоднородных средах;

- разработанной программой генерации случайной двухкомпонентной структуры композиционного материала со сферической формой армирующего зерна;

- математическими моделями для определения величины шероховатости (среднего арифметического отклонения профиля) и максимальной амплитуды колебаний силы резания.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка использованной литературы и приложений.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Семенов, Иван Андреевич, 2009 год

1. Адлер Ю.П., Маркова Е.В., Грановский Ю.В. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий». М.: Наука, 1976г. 278с.

2. Александров К. К вычислению упругих констант квазиизотропных поликристаллических материалов, - ДАН СССР, 1967, т. 176,№2, с.295-299.

3. Алямовский А. А. Solid Works 2007/2008. Компьютерное моделирование в инженерной практике/А.А. Алямовский, А.А Собачкин, Е.В. Одинцов, А.И. Харитонович, Б.Н. Пономарев. - СПб.: БХВ-Петербург, 2008.-1040 с.

4. Артамонов Е.В., Ефимович И.А., Смолин Н.И., Утешев М.Х. Напряженно-деформированное состояние и прочность режуш;их элементов инструментов/ Под ред. М.Х. Утешева. - М.: ООО «Недра: Бизнесцентр», 2001.-199 с.

5. Атрош;енко А., Кривошеев СИ., Петров Ю.В. Разрушение сферопластика при статических и динамических нагрузках// - ЖТФ -2002, Т.72, вьш.12, с. 54-58.

6. Бобров В.Ф. Основы теории резания металлов. М.: «Машиностроение», 1975. - 344 с.

7. Богачев И.Н., Вайнштейн А.А., Волков Д. Введение в статистическое металловедение, М.: Металлургия, 1972. 186 с.

8. Болотин В.В., Москаленко В.Н. Макроскопические характеристики неоднородных твердых тел // ДАН. - 1983. - Т. 271, № 5. - 1086-1088.

9. Болотин В.В., Новичков Ю.Н. Механика многослойных конструкций. М.: Наука, 1980. 375 с.

10. Болотин В. В. К теории замедленного разрушения// Изв. АН СССР. Механика тверд, тела. 1981. - №1. - 137-146.

11. Болотин В. В. Некоторые математические и экспериментальные модели процессов разрушения // Проблемы прочности. - 1971.- № 2.- 13— 20.

12. Валиев Р.З., Александров И.В. Наноструктурные материалы, полученные интенсивной пластической деформацией. М.: Логос. 2000. 272 с.

13. Ванин Г. А. К основам теории композиционных материалов с неупорядоченной структурой. - Прикл. механика, 1983, т. 19, № 3, с. 9-18.

14. Владимиров В.К, Иванов В.Н., Приемский Н.Д. Мезоскопический уровень пластической деформации // Физика прочности и пластичности. - Л.: Наука, 1986.-С. 69-80.

15. Волков Д., Ставров В. П. Статистическая механика композитных материалов. Минск: Изд-во Белорус, гос. ун-та, 1978. 206 с.

16. Высокопроизводительная обработка металлов резанием. -М.: Издательство «Полиграфия», 2003. - 301 с.

17. Гаришин O.K. Моделирование структуры двуфракционных высоконаполненных композитов // Структурно - механическое исследование композиционных материалов и конструкций. Свердловск, 1984. 23-26.

18. Гаришин. О. К. Структурное моделирование процессов разрушения в наполненных зернистых композитах, "Деформирование и разрушение структурно-неоднородных материалов", Сб. Научных трудов, 1992. 32-40.

19. Гилман Дж. Скол, пластичность и вязкость кристаллов, Сб. "Атомный механизм разрушения", М. Мир, 1968. 220-250.

20. Грановский Г.И., Грановский В.Г. Резание металлов: учебник для машиностр. и приборостр. спец. вузов. - М.: Высш. шк., 1985. - 304 с.

21. Деформационное упрочнение и разрушение поликристаллических металлов / под ред. В.И. Трефилова. Киев: Наукова думка, 1987. 245с.

22. Екобори Т. Физика и механика разрушения и прочности твердых тел. - М.: Металлургия. 1971. - 264 с.

23. Зорев Н.Н. Вопросы механики процесса резания металлов. -М.: МАШГИЗ, 1956. - 368 с.

24. Келли А. Высокопрочные материалы: Пер. с англ. - М.: Мир, 1976. - 2 6 1 с .

25. Кениг. В., Руменхеллер Обработка резанием пластиков, армированных волокном /пер. с немец./, ЦОНТИ/ВОН. М. 1991. 75-81.

26. Композиционные материалы: В 8-ми т. Т.2. Механика композиционных материалов/Под ред. Дж. Сендецки. М.: Мир, 1978. 556 с.

27. Кошеленко А.С., Позняк Г.Г. Теоретические основы и практика фотомеханики в машиностроении. - М.: Издательский дом «Граница», 2004. - 296 с.

28. Красников A.M. Исследование влияния процессов микроразрушения на прочностные характеристики волокнистых композитов // Механизмы повреждаемости и прочности гетерогенных материалов. - Л., 1985. -С. 32-35.

29. Кульков СИ., Полетика Т.М., Чухломин А.Ю. и др. // Порошковая металлургия. 1984. №8. 88-92.

30. Ломакин В. А. Статистические задачи механики твердых деформируемых тел. М.: Наука, 1970. 139 с.

31. Малмейстер А. К., Тамуж В. П., Тетере Г. А. Сопротивление полимерных и композитных материалов. - Рига: Зинатне, 1980. - 572 с.

32. Мезда Ф. Электронные измерительные приборы и методы измерений: Пер. с англ. - М.: Мир, 1990. - 535 с.

33. Металлические порошки а порошковые материалы: справочник / Б.Н. Бабич, Е.В. Вершинина, В.А. Глебов и др.; под ред. Ю.В, Левинского. -М.: ЭКОМЕТ, 2005. - 520 с.

34. Механика композитных материалов и элементов конструкций: В 3-х т. Т. 1. Механика материалов/А. Н. Гузь, Л. П. Хорошун, Г. А. Ванин в др. Киев: Наук, думка, 1982. 368 с.

35. Механическая обработка полимерных композиционных материалов (ПКМ).-НИАТ, 1991.-18 с.

36. Мещеряков Ю.И,, Диваков А.К., Фадиенко Л.П. О распределении частиц по скоростям на упругом предвестнике волны сжатия в алюминии // ЖТФ. - 1983. - Т. 53. - 2050.

37. Мещеряков Ю.И. Динамическая пластичность и прочность структурно-неоднородных материалов // Физическая мезомеханика. -2005. -№ 6 . - С . 5-21.

38. Милейко СТ., Твардовский В.В. Модели микротрещин в двоякопериодической среде//Механика тверд, тела. - 1984. -№4. -С. 152-158.

39. Монтгомери Д.К. Планирование эксперимента и анализ данных: Пер с англ. - Л.: Судостроение, 1980. -384 с.

40. Новожилов В. В. О связи между напряжениями и упругими деформациями в поликристаллах.— В кн.: Проблемы гидродинамики и механики сплошной среды. М.: Наука, 1969, с. 365—377.

41. Оноока и др. Механические свойства полистироловых композиционных материалов, заполненных полыми шариками. - Дзайрё, 1972,т.21,с.981.

42. Панин В.Е., Лихачев В.А., Гриняев Ю.В. Структурные уровни деформации твердых тел. - Новосибирск: Наука, 1985. - 229 с.

43. Петрушин СИ. Введение в теорию несвободного резания материалов. Учебное пособие. - Томск: Изд. ТПУ , 1999. - 97 с.

44. Полетика М.Ф., Бутенко В.А., Козлов В.Н. Механика контактного взаимодействия инструмента со стружкой и заготовкой в связи с его прочностью. - В кн.: Исследование процесса резания и режуш;их инструментов. Томск.: Изд. ТПИ, 1984, - 3-91.

45. Позняк Г.Г., Кошеленко А.С. Квазидискретная модель стружкообразования при резании. Технология металлов №4, 2003 - с.20-26.

46. Позняк Г.Г., Кошеленко А.С. Исследование напряжений и деформаций зерна металла на математической и поляризационно-оптической моделях: Технология металлов №5, 2003 - с.38-42.

47. Позняк Г.Г., Рогов В.А., Кошеленко А.С, Математическая модель напряжений и деформаций в прирезцовой зоне стружки // Известия Томского политехнического университета. Том 305, Выпуск 1, 2002 - с. 114-119.

48. Радзиевский В.Н., Ткаченко Г.Г., Жарков П.Э. Композиционное коррозионностойкое износостойкое плакирование деталей шаровых кранов// Компрессорное и энергетическое машиностроение, 2004 - с.9-14.

49. Разрушение композитных материалов. - Рига: Зинатне. 1979. - 252 с.

50. Разрушение конструкций из композитных материалов // Под ред. Тамужа В. П., Протасова В. Д.- Рига: Зинатне. 1986. - 263 с.

51. Рейфснайдер К.Л., Хайсмит А. Измерение жесткости слоистых композитов в зависимости от механизмов повреждений, вызывающих разрушение// Прочность и разрушение композитных материалов. - Рига: Зинатне. 1983.-С. 160-167.

52. Рогов В.А., Позняк Г.Г. Методика и практика технических экспериментов. М.: Академа, 2005.

53. Рогов В.А. Разработка изделий из синтеграна для машиностроения. -М.:РУДН,2001-с.7-24.

54. Ромалис Н. Б., Тамуж В. П. Разрушение структурно-неоднородных тел. Рига: Зинатне, 1989. 224 с.

55. Рыбин В.В. Большие пластические деформации и разрушение металлов. - М.: Металлургия, 1986. - 224 с.

56. Силин С. Метод подобия при резании металлов. -М.: Машиностроение, 1979. - 152 с.

57. Соколкин Ю. В., Ташкинов А. А. Механика деформирования и разрушения структурно-неоднородных тел. - М.: Наука, 1984. - 115 с.

58. Сом А.И., Плазменно-порошковая наплавка композиционных материалов // Сварка в Сибири. - 2003.- № 04. - 11-15.

59. Справочник инструментальщика / И.А.Ординарцев, Г.В.Филиппов, А.Н.Шевченко и др.; Под общ. ред. И.А.Ординарцева. - Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1987, - 846 с.

60. Справочник по композиционным материалам. В 2-х кн. Кн. 1/Под ред. Дж. Любина, Пер, с англ. А.Б,Геллера, М.М. Гельмонта, Под ред. Б.Э. Геллера. - М.: Машиностроение, 1988. - 448 с : ил.

61. Справочник технолога-машиностроителя. В 2-х т.Т.1/Под ред. А.Г.Косиловой и Р.К.Мещерякова. - 4-е изд.- М.: Машиностроение, 1986. 656 с.

62. Тамуж В.П., Куксенко B.C. Микромеханика разрушения полимерных материалов.- Рига: Зинатне. 1978. - 294 с.

63. Тамул< В. П. Особенности разрушения гетерогенных материалов // Механика композит, материалов. - 1982. - № 3. - 406-412.

64. Тимошенко СП., Гудьер Дж. Теория упругости. (Пер. с англ.). - М.: Наука, 1979, - 560 с.

65. Федоров В.А., Плужников Т.Н., Тялин Ю.И. Залечивание трещин, остановившихся при несимметричном сколе в ш;елочно-галоидных кристаллах и кальците. Физика твердого тела, 2000, том 42, вып.4.- 685-687.

66. Фрохт М. Фотоупругость, в 2-х т., Пер. с англ. - М.: Л. Гонти, 1950.

67. Фудзии Т., Дзако М., Механика разрушения композиционных материалов: пер. с японск. - М.: Мир, 1982. - 232 с , ил.

68. Хон Ю.А., Колобов Ю.Р., Иванов М.Б., Бутенко А.В. Неравновесное состояние границ зерен и особенности собственного зернограничного проскальзывания в бикристаллах. Журнал технической физики, 2008, том 78. вьш.З. - с.42-47.

69. Цукерман А., Порошковые и композиционные материалы. - М.: Наука, 1976.-128 с .

70. Цурков В.Н., Практика термической обработки стали и промышленные сплавы: Учеб. Пособие. - М.: Изд-во РУДН, 2002. - 72 с , ил.

71. Шермергор Т.Д. Теория упругости микронеоднородных сред. - М.: Наука. 1977.-400с. Иностранная литература.

72. Вегап М. Statistical continuum theories. N. Y.: Intersci. Publ., 1968. 493 p.

73. Deruntz J.A., Hoffinan S. The Static Strength of Syntactic Foams. - Trans. ASME, 1969, Ser. E, v. 36, p.551. Имеется перевод: Прикладная механика. - М . : Мир, 1969, №3, с. 181..

74. Esterling D. М. Equivalence of macroscopic and microscopic Griffith conditions for subcritical crack growth / Intern. J. Fracture. - 1981. - Vol. 17, N 17. -P. 321-325.

75. Evans A. G. On the formation of a crack tip microcrack zone // Script Metallurgica. - 1976. - Vol. 10. N 1. - P. 93-97.

76. Evans A. G,, Fu Y. Some effects of microcrack on the mechanical properties of brittle solids. - 2. Microcrack toughnenity// Acta Metallurgica. - 1984. - Vol. 33, N 8. - p. 1525-1531.

77. Hayashi Т., Ugo R. Elastic properties of dispersion strength and composite materials (P.SCM) // Trans. Jap. Soc. Mech. Eng. - 1985. - Vol. A51, N 472. - P. 2777-2782.

78. Irvin G.R. Fracture, Handbuch der physic, vol. 6, Springer-verlag, Berlin, 1958, S. 551.

79. Kemer E. H. The elastic and thermo-elastic properties of composite media. - Proc. Roy. Soc. London B, 1956, vol. 69, p. 573—579.

80. Owen D.M., Zhuang S.Z., Rosakis A.J. et al. // Intern. J. Fracture 90. 1998. P. 153-174.

81. Roberts D.K., Wells A.A. Engineering, 178, 1957, 1243.

82. Rosen B.W. Tensile failure of fibrous composite// AJAA J. - 1964 - N2. - P . 1985-1994.

83. Stroh A.N. Advances in physics, 6, 1957, p.418.

84. Cutwater J.O., et al. - Modem Plastics, 1970, v.9, p. 160.