Расчетно-экспериментальное исследование напряженно-деформированного состояния полупространства с покрытием в ходе температурно-силового нагружения тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.02.04, кандидат технических наук Иванников, Александр Юрьевич

• Иванников, Александр Юрьевич
• кандидат технических наук
• 2009

Оглавление диссертации кандидат технических наук Иванников, Александр Юрьевич

СОДЕРЖАНИЕ.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ИССЛЕДОВАНИЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ И МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МАТЕРИАЛОВ В РЕЗУЛЬТАТЕ КОНТАКТНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ КОНЦЕНТРИРОВАННЫХ ПОТОКОВ ЭНЕРГИИ.

1.1 Задачи механики контактного взаимодействия.

1.2 Тепловые процессы при упрочнении КПЭ.

1.3 Температурно-силовые контактные задачи.

1.4 Методы исследования механических свойств плазменных покрытий.

1.5 Цель и задачи исследования.

2. ПОСТАНОВКА И ПРОЦЕДУРА РЕШЕНИЯ ЗАДАЧИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ НДС В ДВУХСЛОЙНОМ ПОЛУПРОСТРАНСТВЕ ПРИ НЕСТАЦИОНАРНОМ ТЕМПЕРАТУРНО-СИЛОВОМ КОНТАКТНОМ НАГРУЖЕНИИ.

2.1 Методы и средства исследования.

2.2 Основные уравнения и постановка задачи.

2.2.1 Процедура численного решения.

2.3 Численная процедура определения области контакта для тел несогласованной формы.

2.4 Расчёт НДС в кусочно-однородных телах с учётом деформаций пластичности при сложном температурно-силовом нагружении.

2.5 Классификация и анализ напряжённых состояний с использованием безразмерных инвариантных параметров вида тензора и девиатора напряжений.

3. Решение контактных задач для неоднородных твердых тел.

3.1 Сравнительный анализ решения контактных задач на основе МКР с известными решениями.

3.2 Картина изменения напряженного состояния под штампом в упругом полупространстве.

3.3 Контактные задачи для кусочно-однородных твердых тел.

3.4 Упругопластическое решение контактной задачи для неоднородных твердых тел.

4. НЕСТАЦИОНАРНАЯ ТЕМПЕРАТУРНО-СИЛОВАЯ КОНТАКТНАЯ ЗАДАЧА О ВОЗДЕЙСТВИИ ЭЛЛИПСОИДНОГО ШТАМПА НА НЕОДНОРОДНОЕ ПОЛУПРОСТРАНСТВО.

4.1 Решение нестационарной температуно-силовой контактной задачи о воздействии эллипсоидного штампа на полупространство.

4.2 Решение нестационарной упругопластической температурно-силовой контактной задачи.

4.3 Анализ предельных состояний в полупространстве при нестационарном температурно-силовом контактном нагружении.

4.3 Расчет остаточных напряжений в ходе решения нестационарной термоконтактной задачи.

5. РАСЧЕШО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПЛАЗМЕННЫХ ПОКРЫТИЙ ПОСЛЕ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ.

5.1 Комбинированная обработка плазменных покрытий.

5.2 Анализ микрорельефа покрытия после обработки ЭМО.

5.3 Исследование свойств плазменных покрытий после ЭМО.

5.4 Моделирование механических свойств покрытий после обработки ЭМО

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Расчетно-экспериментальное исследование напряженно-деформированного состояния полупространства с покрытием в ходе температурно-силового нагружения»

В механике деформируемого твердого тела существенное место занимают задачи температурно-контактных взаимодействий. Это обусловлено тем, что контакт является одним из основных способов приложения нагрузки к деформируемому телу. Развиваемые в теории контактных задач методы расчета позволяют найти распределение давлений, температур в местах контакта [1-3] и, таким образом, ответить на многие важные вопросы оценки контактной прочности, жесткости и т.п.

Современные технологии упрочнения материалов характеризуются мощными контактными воздействиями концентрированных потоков энергии (КПЭ) на поверхность обрабатываемого материала [4, 5, 6]. Так, в ходе лазерной, плазменной закалки в локальной области происходит значительный контактный нагрев поверхности, а в ходе электромеханической обработки данное высокотемпературное воздействие сопровождается контактным давлением за счет воздействия упрочняющего инструмента. Такое комбинированное воздействие вызывает изменение структуры и свойств поверхности материалов, что приводит к формированию уникальных аморфных и наноструктур, причем формируемые таким образом свойства являются планируемыми [6, 7].

Рассмотрение задач механики контактного взаимодействия применительно к процессам температурно-силовой контактной обработки КПЭ привело к постановке смешанных задач и поиску их решений для термоконтактных процессов, проходящих в зоне обработки материалов. Данный класс задач является одной из центральных областей исследования контактных задач механики деформируемого твердого тела и непосредственно связан с важными вопросами инженерной практики. Применение методов механики контактного взаимодействия, в свою очередь, также обусловлено и сложностью проведения натурных экспериментов в процессе обработки материалов КПЭ в виду быстропротекающих высокоэнергетических процессов.

Поэтому актуальным становится комплексный подход, заключающийся в экспериментальном исследовании механических свойств формируемых покрытий после электромеханической обработки (ЭМО), решении контактных задач по определению напряженно-деформированного состояния (НДС) в полупространстве с покрытием и определению остаточных напряжений и деформаций, формируемых в ходе температурно-силового нагруже-ния и влияющих на развитие дефектов.

Также обратим внимание на то, что импульсное высокоэнергетическое температурно-силовое воздействие на поверхность твердого тела сопровождается сложными физико-механическими процессами. В поверхностном слое происходят одновременно структурные изменения, фазовые превращения и химические реакции. Это значительно затрудняет математическое моделирование таких процессов, в которых помимо рассмотрения эволюции температурных полей необходимо учитывать возникновение контактных давлений и другие сложные процессы.

Сложность процессов, проходящих в ходе воздействия КПЭ, требует для своего моделирования привлечения широкого спектра научных подходов. На наш взгляд, практическое решение указанной проблемы на современном этапе развития науки возможно на основе создания комплекса взаимосвязанных моделей расчетно-экспериментального характера.

Реализация такого комплексного подхода в этой работе осуществляется в несколько этапов, что позволяет упростить решение рассматриваемых задач.

1-му этапу соответствует математическая модель контактного воздействия штампа эллипсоидной формы на полупространство с поверхностным слоем.

2-му этапу соответствует математическая модель нестационарной контактной задачи термо-упругопластичности для неоднородных твердых тел при интенсивных температурно-силовых воздействиях, изменяющихся в пространстве и во времени.

3-й этап связан с формированием математической модели напряженно-деформированного состояния кусочно-однородного двухслойного полупространства при температурно-силовом контактном нагружении. На основе теоремы о разгрузке с учетом вторичных пластических деформаций определяются остаточные напряжения в любой точке твердого тела. Моделирование производится с учетом реальной формы поверхности контакта и распределением по объему материала температурного поля, полученного на предыдущих этапах решения задачи.

4-й этап соответствует экспериментальному исследованию свойств плазменных покрытий после электромеханической обработки, а также сопоставлению результатов расчета о воздействии эллипсоидного штампа на двухслойное полупространство в условиях наличия нестационарного температурного поля с полученными экспериментальными данными.

Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав и заключения. В конце каждой главы приводятся краткие выводы по результатам проведенных в ней исследований. Основные результаты и выводы диссертационной работы сформулированы в заключении. Работа содержит 151 страницу текста, 65 рисунков, 4 таблицы и 1 приложение. Список использованной литературы включает 116 источников.

Заключение диссертации по теме «Механика деформируемого твердого тела», Иванников, Александр Юрьевич

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Сформулируем основные научные результаты, полеченные в работе.

1. Решена пространственная контактная задача о воздействии эллипсоидного штампа на двухслойное полупространство с учетом реальной геометрии контакта, трения и шероховатости.

Показано, что кусочно-однородное распределение упругих свойств оказывает существенное влияние на вид напряженного состояния в полупространстве и осадку его внешней поверхности. Так, с увеличением модуля упругости поверхностного слоя осадка поверхности уменьшается, а на границе контакта слоев увеличивается скачок напряжений. Происходит перераспределение НДС и локализация его максимума в тонком поверхностном слое.

Получены картины изменения площади зоны контакта при различном сочетании упругих свойств поверхностного слоя в ходе воздействии эллипсоидного штампа на двухслойное полупространство.

2. Показано, что в процессе решения упругопластической темпера-турно-силовой контактной задачи в сравнении с упругим решением происходит увеличение осадки поверхности.

Получены картины напряженно-деформированного состояния полупространства с поверхностным слоем в условиях температурно-силового контактного нагружения.

Проведено исследование предельных состояний в полупространстве при нестационарном температурно-силовом контактном нагружении. Выявлено формирование зон благоприятных для развития дефектов в материале.

Найдено качественное соответствие расчетной и экспериментальной зависимости между микротвердостью и значением осадки поверхности плазменного покрытия в зависимости от силы тока при ЭМО.

3. Предложенная методика определения поверхности контакта реализована в рамках программного продукта «Crater», предназначенного для моделирования процессов в ходе обработки материалов КПЭ. Учет реальной поверхности контакта позволяет провести уточнения в ходе расчета температурных полей и НДС.

Результаты моделирования показали качественное соответствие экспериментальной профилограммы и расчетного профиля поверхности материала после ЭМО.

4. Исследовано поле остаточных деформаций, напряжений и их влияние на механические свойства поверхностного слоя при ЭМО. Определено увеличение остаточной деформации и микротвердости покрытия в зависимости от основных режимов ЭМО, что отражается также в повышении прочности и снижении пластичности плазменных покрытий.

Показано, что наличие трещин, формируемых в ходе обработки хрупких покрытий, подтверждается значением и ориентацией остаточных напряжений, деформаций.

5. Экспериментально выявлено повышение микротвердости и адгезионной прочности формируемых наноструктурных покрытий.

6. Показано влияние режимов обработки на уплотнение покрытий. Выявлены следующие зависимости: с увеличением силы тока повышается осадка поверхности покрытия, оно становится плотнее. Максимальное уплотнение покрытия проявляется на минимальных скоростях ЭМО.

Необходимо отметить, что предпринятая попытка, описания процесса электромеханической обработки плазменных покрытий порошков твердых металлов, на основе решения задачи о нестационарном температурно-силовом контактном нагружении двухслойного полупространства естественно не может описать весь процесс. Поэтому важным становится учет структуры, пористости покрытия и других немаловажных факторов рассмотрение, которых позволит более точно учесть все особенности влияющие на ЭМО плазменных покрытий. В данном исследовании сделана первая попытка учета температурного и силового воздействия, и уже на данном этапе моделирования получены хорошие результаты сопоставимые с экспериментальными данными.

В заключении, автор считает своим приятным долгом выразить искреннюю и глубокую благодарность своим научным руководителям: доктору технических наук профессору Багмутову Вячеславу Петровичу и кандидату технических наук Захарову Игорю Николаевичу за постоянное внимание, содействие и помощь, оказанные на всех этапах работы; а также коллективу кафедры «Сопротивление материалов» Волгоградского государственного технического университета за предоставленные, и столь ценные в период выполнения диссертации, материалы и консультации.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Иванников, Александр Юрьевич, 2009 год

1. Контактные задачи теории упругости для неоднородных сред / С. М. Айзикович и др.. М. : Физматлит, 2006. - 237 с.

2. Alexandrov, V. М. Three-Dimensional Contact Problems / V. М. Alexandrov, D. A. Pozharskii. Kluwer : Academic Publishers, 2001. - 406 p.

3. Галин, Л. А. Контактные задачи теории упругости и вязкоупругости / Л. А. Галин. М. : Наука, 1980. - 303 с.

4. Рыкалин, Н. Н. Воздействие концентрированных потоков энергии (КПЭ) на материалы. Проблемы и перспективы / Н. Н. Рыкалин, А. А. Углов // Физика и химия обработки материалов. — 1983. № 5. - С. 3-18.

5. Методы и средства упрочнения поверхностей деталей машин концентрированными потоками энергии / А. П. Семенов и др.. — М. : Наука, 1992. — 404 с.

6. Упрочнение плазменных покрытий электромеханической обработкой / В. И. Калита, В. П. Багмутов, И. Н. Захаров, Д. И. Комлев, А. Ю. Иванников // Физика и химия обработки материалов. 2008. — № 1. — С. 38-42.

7. Аскинази, Б. М. Упрочнение и восстановление деталей машин электромеханической обработкой / Б. М. Аскинази. — М. : Машиностроение, 1989. 200 с.

8. Электромеханическая обработка: технологические и физические основы, свойства, реализация : монография / В. П. Багмутов, С. Н. Паршев, Н. Г. Дудкина, И. Н. Захаров. Новосибирск : Наука, 2003. - 318 с.

9. Hertz, Н. "Uber die Ber'uhrung fester elastischer K'orper (On contactproblem of elastic solids) / H. Hertz // J. Reine Angew. Math. 1881. - № 92. - P. 156-171.

10. Hertz, H. Gesammelte Werke. Bd. I / H. Hertz. Leipzig, 1895. -296 p.

11. Boussinesque, J. Applications des potentiels 'a l'tude de l'quilibre et d. mouvement des solides elastiques / J. Boussinesque. — Paris : Gauthier-Villars, 1885.-772 p.

12. Мусхелишвили, H. И. Некоторые основные задачи математической теории упругости / Н. И. Мусхелишвили. М.; JI. : Изд-во АН СССР, 1933.-707 с.

13. Мусхелишвили, Н. И. Сингулярные интегральные уравнения / Н. И. Мусхелишвили. — М.; JI. : Гостехиздат, 1946. — 448 с.

14. Liapounoff, A. Sur les figures d"equilibre. Pt. 3 / A. Liapounoff. — St.-P'etersbourg, 1912.-625 p.

15. Штаерман, И. Я. Контактная задача теории упругости / И. Я. Штаерман. М.; JI. : Гостехиздат, 1949. — 270 с.

16. Развитие контактных задач в СССР / под ред. JI. А. Галина. — М. : Наука, 1976.-493 с.

17. Контактные задачи и их инженерные приложения. М. : НИИ-МАШ, 1969. - 570 с.

18. Концентрация напряжений. Киев : Наукова думка, 1971. — 232 с.

19. Механика в СССР за 30 лет (1917-1947). М.; Л. : Гостехиздат, 1950.-416 с.

20. Механика в СССР за 50 лет. В 4 т. Т. 1-4. М. : Наука, 1972.

21. Арутюнян, Н. X. Некоторые вопросы теории ползучести / Н. X. Арутюнян. — М.; JI. : Гостехиздат, 1952. 323 с.

22. Ворович, И. И. Неклассические смешанные задачи теории упругости / И. И. Ворович, В. М. Александров, В. А. Бабешко. М. : Наука, 1974. - 456 с.

23. Гахов, Ф. Д. Краевые задачи / Ф. Д. Гахов. — М. : Физматгиз,л