Метод расчета эластомерных деталей, учитывающих конечные деформации тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.02, кандидат технических наук Полонский, Владимир Львович

• Полонский, Владимир Львович
• кандидат технических наук
• 1999

Оглавление диссертации кандидат технических наук Полонский, Владимир Львович

СОДЕРЖАНИЕ

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. РЕЗИНА КАК ГИПЕРУПРУГИЙ МАТЕРИАЛ

1.1 Вариационный принцип стационарности потенциальной энергии. Уравнение равновесия

1.2 Метод конечных элементов

1.3 Решение системы уравнений

1.4 Упругий потенциал. Определение напряжений

1.5 Схема решения задач нелинейной теории упругости

2. РЕШЕНИЕ ЗАДАЧ НЕЛИНЕЙНОЙ ТЕОРИИ УПРУГОСТИ

2.1 Упругий потенциал. Определение упругих постоянных

2.2 Контактная задача Герца

2.3 Арочный амортизатор

2.4 Сжатие закрепленного цилиндра

2.5 Сжатие свободного цилиндра, оценка его долговечности

3. ОЦЕНКА РАБОТОСПОСОБНОСТИ ПОДУШКИ ГИДРООПОРЫ

ПОДВЕСКИ СИЛОВОГО АГРЕГАТА АВТОМОБИЛЯ

3.1 Постановка задачи

3.2 Определение НДС подушки гидроопоры и оценка ее

работоспособности

4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ КОЛЬЦЕВОГО УПЛОТНЕНИЯ

4.1 Постановка задачи

4.2 Определение упругих постоянных. Учет слабой сжимаемости

4.3 Определение НДС уплотнения

4.4 Модель поведения уплотнения под нагрузкой. Зависимости для оценки прочностных свойств материала и прогноза долговечности

уплотнения

4.4.1 Модель накоплений повреждений в материале

4.4.2 Учет нелинейности между напряжением и деформацией при

определении долговечности эластомеров

4.4.3 Сложное напряженное состояние, учет первого главного значения

тензора — девиатора напряжений

4.4.4 Определение активационных характеристик

4.5 Определение долговечности и области допустимых нагрузок

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ЛИТЕРАТУРА

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Метод расчета эластомерных деталей, учитывающих конечные деформации»

ВВЕДЕНИЕ

Среди многих путей развития машиностроения можно выделить следующих два: создание машин и механизмов с улучшенными виброакустическими характеристиками и создание механизмов, работающих в более тяжелых, чем ранее, температурных условиях и при больших нагрузках.

Первый путь определяется, например, необходимостью создания более комфортных машин, второй - проведением горно-геологических работ в постоянно ухудшающихся условиях добычи сырьевых ресурсов.

Решение задач повышения технического уровня механизмов тесно связано с развитием научных основ прогнозирования таких деталей из эластомерных материалов

как амортизаторы, демпферы, уплотнения и т.д. Методы их расчета и проектирования

/

далеки от совершенства даже в случае квазистатических нагрузок, когда деформационно-прочностные критерии работоспособности деталей являются определяющими. Преобладающие в настоящее время тенденции к использованию в машиностроении нестандартных наполненных эластомеров с нелинейными деформационными и экстремальными демпфирующими свойствами, а также к созданию деталей сложных конфигураций обуславливают актуальность разработки метода оценки работоспособности с учетом конечных деформаций.

Общая схема метода оценки работоспособности эластомерных деталей представлена на рис. 1. На основе сведений о конструкции в целом и параметрах нагружения формируется модель исследуемой эластомерной детали. Конструируется геометрия, ставятся граничные условия, создается конечно-элементная модель (КЭ модель). Разрабатываются новые материалы - новые сорта резин с необходимыми свойствами. Определяются физико-механические и активационные характеристики, описывающие поведение этого материала. На основе модели с использованием полученных характеристик производится определение температурного и напряженно-деформированного состояния (НДС).

Критерии работоспособности и виды отказа упругих элементов формируются в зависимости от функционального назначения, условий нагружения, роли и места эластомерных деталей в машине. Используя эту информацию, результаты расчетов НДС и температурного состояния и характеристики материала, влияющие на

прочность осуществляется оценка работоспособности, определяются необходимые экспериментальные характеристики эластомерной детали.

Заключение диссертации по теме «Машиноведение, системы приводов и детали машин», Полонский, Владимир Львович

Основные результаты изложенных в диссертации исследований состоят в следующем:

1. Разработан метод оценки работоспособности эластомерных деталей с учетом конечных деформаций. Метод позволяет рассчитывать НДС эластомерных деталей с учетом гиперупругих свойств реального материала, рассчитывать жесткостные характеристики, получать прочностные и другие свойства материала, определять допустимые диапазоны применения деталей.

О Ггтпмггаппоап ж7тт\тгч;гй ие»»л(»ит ^пг»тт\тть-а^ яилппттнпишшйй гиппппттгтм

V/1I \ZVUVUUVX1 Д*^/1 I у.— . . . .у и 1. ч. ^ ■ .— . . |— ^ . ^ . - ■ ^ ^ . - ^ — двигателя автомобиля ВАЗ 2110, исходя из средней нагрузки на опору в 900 Н. На основе анализа НДС по деформационно-прочностным критериям рассчитана геометрия подушки и выбран состав резиновой смеси. Результаты расчетов подтверждены экспериментальными данными на опытной партии гидроопор. Удовлетворительные механические характеристики гидроопор в сборе явились базой для принятия решения о серийном выпуске гидроопор.

3. Рассчитана долговечность кольцеобразного уплотнения круглого сечения, выполненного из нового гидрированного нитрильного эластомера. Долговечность рассчитывалась как время до отказа из-за объемного разрушения в газовой среде при повышенной температуре и высоком давлении. Достоверность метода подтверждена удовлетворительным совпадением расчетной долговечности с экспериментально зафиксированным временем до отказа (наибольшие отклонения расчета от среднего экспериментального времени до отказа не превышало 0.12 десятичного логарифма времени), а также локализацией и характером разрушения. Определены допустимые значения диапазонов температуры и давления при использовании уплотнений.

4. На основе вариационного принципа стационарности потенциальной энергии получено уравнение равновесия для потенциалов, задаваемых как функция от меры деформации Коши-Грина, описывающих материал как нелинейно-упругий несжимаемый. Разработана обобщенная процедура перехода от линеаризованной континуальной к соответствующей конечно-элементной модели нелинейно-упругого несжимаемого тела. Схема формирования и структура матриц, определяющих конечно-элементную модель, основана на единых подходах для различных нелинейных законов гиперупругости.

100

5. Реализован инкрементально-итерационный метод решения нелинейного уравнения равновесия. Для этого реализуется метод пошагового нагружения, на каждом шаге применяется метод Ньютона-Рафсона для уточнения решения. Реализован алгоритм решения получаемой на каждом шаге системы линейных уравнений с учетом особенностей матрицы системы: разряженность, сингулярность. Для решения используется метод двойной декомпозиции.

6. Создана вычислительная система STAR для ЮМ PC по расчету НДС эластомерных деталей. Вычислительная система имеет собственный дружественный интерфейс, осуществлено многогранное тестирование системы сравнением с известными аналитическими и численными решениями, приводимыми в литературе и (или) полученными с помощью известных пакетов.

7. Разработана методика проведения экспериментов со стандартными образцами (лопатки N3 и N5, цилиндры 10x10), для получения необходимых в расчетах постоянных. Определено минимальное количество постоянных, необходимое для удовлетворительного расчета эластомерных деталей, оценено влияние погрешности определения каждой из первых постоянных в полиномиальном потенциале на результаты расчета. Разработан алгоритм получения значений постоянных интерполяцией результатов растяжения и сжатия.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Полонский, Владимир Львович, 1999 год

ЛИТЕРАТУРА

1. Analysis of rubber components with ABAQUS. Hibbit, Karlsson & Sorensen, 1991

2. Engineering with rubber: how to design rubber components! Gent A.N. ed. Hanser, 1992.

3. Johnson A.R, QuigleyC.J., MeadJ.L. Large strain viscoelastic constitutive models for rubber. - 145'th Meeting of the Rubber Division American Chemical Society. April 18-22, 1994, Palmer House, Chicago.

4. KauschH. Polymer fracture. - Springer-Verlag, Berlin, 1978.-440 c.

5. KenellyK.J., AbramsP.I., VicicJ.C., CainD. "Failure Life Determination of Oilfield Elastomer Seals in Sour Gas", CORROSION/89, paper 212 (Houston, NACE,1989).

6. Kenneth N. Morman, Tsung Y. Pan. Application of finite-element analysis in design of automotive elastomeric components. — Rubber Chem and Tech., v. 61, N3, 1988. — 503533 c.

7. Ward I.M. Mechanical Properties of Solid Polymers. John Wiley, 1983.

8. Бартенев Г.М. Прочность и механизм разрушения полимеров, М., Химия, 1984 г. -280 с.

9. Журков С.Н. Кинетическая концепция прочности твердых тел. Изв. АН СССР. Сер. Неорган, материалы, 1967, 3. N 10. - с. 1767-1771.

УО.Галлагер Р. Метод конечных элементов. Основы. — М.: Мир. 1984. - 428 с.

П.Горелик Б.М., Фельдман Г.Н. Исследование напряжений в плоской модели резинового уплотнителъного кольца круглого поперечного сечения. — журнал "Каучук и Резина" N 4, 1963 г.

72.ГОСТ 9.713—S6.Резины. Метод прогнозирования изменения свойств при термическом старении.

13.Грин А., Адкинс Дж. Большие упругие деформации и нелинейная механика сплошной среды. -М.: Мир, 1965, 455 с.

14.Динник А.Н. Удар и сжатие упругих тел. — изб. Труды, 1, АН УССР, 1952

15.Дымников С.И. Статический расчет резинометаллического амортизатора арочного типа. -ВДиП, 1981, вып. 38, с. 20-38.

16.3енкевич О. Метод конечных элементов в технике. — Мир, 1975. — 541 с.

17.Лавендел Э.Э. Расчет резинотехнических изделий. — М.: Машиностроение 1976, 232 с.

18. Лурье А.И. Нелинейная теория упругости. М.: Наука, 1980

УМихайлов Ю.К. Основы теории, методы расчета и проектирования муфт с упругими элементами из эластомерных материалов. Автореферат дисс. ... д.т.н., Л.,

1987. - 382 с.

20.0ден Д. Конечные элементы в нелинейной механике сплошной среды. М.: Мир., 1976

21.Партон В.З., ПерлинП.И. Методы математической теории упругости. — М.: Наука, 1981.-688 с.

22.Ветегрень В.И., Лазарев. С.О., Петров В.А. Физические основы кинетики разрушения материалов. АН СССР, Ленингр. физ.-тех. ин-т им. А.Ф. Иоффе, - Л., 1989. -247 с.

23.Петров В.А., Башкарев А.Я., ВеттегреньВ.И. Физические основы прогнозирования долговечности конструкционных материалов. СПб.: Политехника, 1993. —475 с.

24..Прикладные методы расчета изделий из высокоэластичных материалов. Дымников С.И., Лавендел Э.Э., Павловские А.-М.А., Сниенс М.И., под. ред. Лавендела Э.Э. - Рига. Знание, 1980. - 238 с.

25.Сегерлинд Л. Применение метода конечных элементов. — М.: Мир, 1979, 292 с.

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

21 .Термомеханика эластомерных элементов конструкций при циклическом

нагружении. Потураев В.Н., Дырда В.И. и др. — Киев: Наук. Думка, 1987. — 288 с. 28.Тимошенко С.П., Дж. Гудьер. Теория упругости. — 2-е изд. — М.: Наука, 1979, 560 с. 29.ЧерныхК.Ф., Нелинейная теория упругости в машиностроительных расчетах. —

Л.: Машиностроение, Ленинградское отделение, 1986. — 336 с. ЗО.Черных К.Ф., Литвиненкова З.Н. Теория больших упругих деформаций. — Л.: ЛГУ,

1988.-256 с.

31 .Шабров Н.Н, Метод конечных элементов в расчетах деталей тепловых двигателей Л: Машиностроение, 1983 г. -212 с.