Теория контактного взаимодействия. Анализ научных публикаций в рамках механики контактного взаимодействия

Напряжения в области контакта при одновременном нагружении нормальной и касательной силой. Напряжения определены методом фотоупругости

Механика контактного взаимодействия занимается расчётом упругих, вязкоупругих и пластичных тел при статическом или динамическом контакте. Механика контактного взаимодействия является основополагающей инженерной дисциплиной, обязательной при проектировании надёжного и энергосберегающего оборудования. Она будет полезна при решении многих контактных задач, например, колесо-рельс, при расчёте муфт, тормозов, шин, подшипников скольжения и качения, двигателей внутреннего сгорания, шарниров, уплотнений; при штамповке, металлообработке, ультразвуковой сварке, электрических контактах и др. Она охватывает широкий спектр задач, начиная от расчётов прочности элементов сопряжения трибосистемы с учётом смазывающей среды и строения материала, до применения в микро- и наносистемах.

Классическая механика контактных взаимодействий связана, прежде всего, с именем Генриха Герца . В 1882 году Герц решил задачу о контакте двух упругих тел с искривлёнными поверхностями. Этот классический результат и сегодня лежит в основе механики контактного взаимодействия. Лишь столетие спустя Джонсон, Кендал и Робертс нашли аналогичное решение для адгезионного контакта (JKR - теория).

Дальнейший прогресс механики контактного взаимодействия в середине 20-го столетия связан с именами Боудена и Тейбора. Они первые указали на важность учёта шероховатости поверхности контактируемых тел. Шероховатость приводит к тому, что действительная площадь контакта между трущимися телами намного меньше кажущейся площади контакта. Эти представления существенно изменили направление многих трибологических исследований. Работы Боудена и Тейбора вызвали появление ряда теорий механики контактного взаимодействия шероховатых поверхностей.

Пионерскими работами в этой области являются работы Архарда (1957), который пришёл к заключению, что при контакте упругих шероховатых поверхностей площадь контакта примерно пропорциональна нормальной силе. Дальнейший важный вклад в теорию контакта шероховатых поверхностей внесли Гринвуд и Виллиамсон (1966) и Перссон (2002). Главным результатом этих работ является доказательство того, что действительная площадь контакта шероховатых поверхностей в грубом приближении пропорциональна нормальной силе, в то время как характеристики отдельного микроконтакта (давление, размер микроконтакта) слабо зависят от нагрузки.

Контакт между твёрдым цилиндрическим индентором и упругим полупространством

Контакт между твердым цилиндрическим индентором и упругим полупространством

Если твёрдый цилиндр радиусом a вдавливается в упругое полупространство, тo давление распределяется следующим образом

Контакт между твёрдым коническим индентором и упругим полупространством

При индентировании упругого полупространства твёрдым конусообразным индентером глубина проникновения и радиус контакта связаны следующим соотношением:

Напряжение в вершине конуса (в центре области контакта) изменяется по логарифмическому закону. Суммарная сила рассчитывается как

В случае контакта между двумя упругими цилиндрами с параллельными осями сила прямо пропорциональна глубине проникновения:

Радиус кривизны в этом соотношении вообще не присутствует. Полуширина контакта определяется следующим отношением

как и в случае контакта между двумя шарами. Максимальное давление равно

Феномен адгезии проще всего наблюдать в контакте твердого тела с очень мягким упругим телом, например, с желе. При прикосновении тел в результате действия сил Ван дер Ваальса возникает адгезионная шейка. Для того чтобы тела опять разорвать, необходимо приложить некоторую минимальную силу, именуемую силой адгезии. Аналогичные явления имеют место в контакте двух твердых тел, разделенных очень мягким слоем, как например, в стикере или в пластыре. Адгезия может как представлять технологический интерес, например, в клеевом соединении, так и являться мешающим фактором, например, препятствующим быстрому открытию эластомерных клапанов.

Сила адгезии между параболическим твердым телом и упругим полупростанством впервые была найдена в 1971 г. Джонсоном, Кендаллом и Робертсом . Она равна

Более сложные формы начинают отрываться "с краев" формы, после чего фронт отрыва растпростаняется к центру до достижения некоторого критического состояния . Процесс отрыва адгезивного контакта можно наблюдать в исследовании .

Многие задачи механики контактного взаимодействия могут быть легко решены методом редукции размерности. В этом методе исходная трехмерная система замещается на одномерное упругое или вязкоупругое основание (рисунок). Если параметры основания и форма тела выбраны на основе простых правил метода редукции, то макроскопические свойства контакта совпадают точно со свойствами оригинала.

К. Л. Джонсон, К. Кендал и А. Д. Робертс (JKR - по первым буквам фамилий) взяли эту теорию за основу при вычислении теоретического сдвига или глубины вдавливания при наличии адгезии в их значимой статье «Поверхностная энергия и контакт упругих твёрдых частиц», изданной в 1971 в трудах Королевского Общества. Теория Герца вытекает из их формулировки, при условии, если адгезия материалов равна нулю.

Подобно этой теории, но на основе других предположений, в 1975 Б. В. Дерягин, В. М. Мюллер и Ю. П. Топоров разработали другую теорию, которая среди исследователей известна как теория DMT, и из которой также вытекает формулировка Герца при условии нулевой адгезии.

Теория DMT в дальнейшем была несколько раз пересмотрена прежде, чем она была принята как ещё одна теория контактного взаимодействия в дополнение к теории JKR.

Обе теории, как DMT так и JKR, являются основой механики контактного взаимодействия, на которых базируются все модели контактного перехода, и которые используются в расчётах наносдвигов и электронной микроскопии. Так исследования Герца в дни его работы лектором, которые он сам с его трезвой самооценкой считал тривиальными, ещё до его великих трудов по электромагнетизму, попали в век нанотехнологий.

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Механика контактного взаимодействия

Введение

механика контактный шероховатость упругий

Механика контактного взаимодействия является основополагающей инженерной дисциплиной, чрезвычайно полезной при проектировании надёжного и энергосберегающего оборудования. Она будет полезна при решении многих контактных задач, например колесо-рельс, при расчёте муфт, тормозов, шин, подшипников скольжения и качения, передач зубчатыми колесами, шарниров, уплотнений; электрических контактах и др. Она охватывает широкий спектр задач, начиная от расчётов прочности элементов сопряжения трибосистемы с учётом смазывающей среды и строения материала и заканчивая применением в микро- и наносистемах.

Классическая механика контактных взаимодействий связана прежде всего с именем Генриха Герца. В 1882 году Герц решил задачу о контакте двух упругих тел с искривлёнными поверхностями. Этот классический результат и сегодня лежит в основе механики контактного взаимодействия.

1. Классические задачи механики контактного взаимодействия

1. Контакт между шаром и упругим полупространством

Твёрдый шар радиуса R вдавливается в упругое полупространство на глубину d (глубина проникновения), образуя область контакта радиуса

Необходимая для этого сила равна

Здесь E1, E2 - модули упругости; н1, н2 - коэффициенты Пуассона обоих тел.

2. Контакт между двумя шарами

При контакте двух шаров с радиусами R1 и R2 эти уравнения справедливы соответственно для радиуса R

Распределение давления в площади контакта определяется по формуле

с максимальным давлением в центре

Максимальное касательное напряжение достигается под поверхностью, для н = 0,33 при.

3. Контакт между двумя скрещивающимися цилиндрами с одинаковыми радиусами R

Контакт между двумя скрещенными цилиндрами с одинаковыми радиусами эквивалентен контакту между шаром радиусом R и плоскостью (см. выше).

4. Контакт между твердым цилиндрическим индентором и упругим полупространством

Если твердый цилиндр радиусом a вдавливается в упругое полупространство, тo давление распределяется следующим образом:

Связь между глубиной проникновения и нормальной силой определяется

5. Контакт между твердым коническим индентором и упругим полупространством

При индентировании упругого полупространства твердым конусообразным индентером глубина проникновения и радиус контакта определяются следующим соотношением:

Здесь и? угол между горизонталью и боковой плоскостью конуса.

Распределение давления определяется формулой

6. Контакт между двумя цилиндрами с параллельными осями

В случае контакта между двумя упругими цилиндрами с параллельными осями сила прямо пропорциональна глубине проникновения

как и в случае контакта между двумя шарами.

Максимальное давление равно

7. Контакт между шероховатыми поверхностями

Когда два тела с шероховатыми поверхностями взаимодействуют друг с другом, то реальная площадь контакта A намного меньше, чем геометрическая площадь A0. При контакте между плоскостью со случайно распределенной шероховатостью и упругим полупространством реальная площадь контакта пропорциональна нормальной силе F и определяется следующим приближенным уравнением:

При этом Rq ? среднеквадратичное значение неровности шероховатой поверхности и. Среднее давление в реальной площади контакта

рассчитывается в хорошем приближении как половина модуля упругости E *, умноженная на среднеквадратичное значение неровности профиля поверхности Rq. Если это давление больше твердости HB материала и таким образом

то микронеровности находятся полностью в пластичном состоянии.

Для ш <2/3 поверхность при контакте деформируется только упруго. Величина ш была введена Гринвудом и Вильямсоном и носит название индекса пластичности.

2. Учет шероховатости

На основании анализа экспериментальных данных и аналитических методов расчета параметров контактирования сферы с полупространством с учетом наличия шероховатого слоя был сделан вывод о том, что расчетные параметры зависят не столько от деформации шероховатого слоя, сколько от деформации отдельных неровностей.

При разработке модели контактирования сферического тела с шероховатой поверхностью учитывались полученные ранее результаты:

– при малых нагрузках давление для шероховатой поверхности меньше рассчитанного по теории Г. Герца и распределяется по большей площади (Дж. Гринвуд, Дж. Вильямсон);

– применение широко используемой модели шероховатой поверхности в виде ансамбля тел правильной геометрической формы, вершины высот которых подчиняются определенному закону распределения, приводит к значительным ошибкам при оценке параметров контактирования, особенно при малых нагрузках (Н.Б. Демкин);

– отсутствуют пригодные для расчета параметров контактирования простые выражения и не достаточно развита экспериментальная база.

В данной работе предлагается подход, основанный на фрактальных представлениях о шероховатой поверхности как о геометрическом объекте с дробной размерностью.

Используем следующие соотношения, отражающие физические и геометрические особенности шероховатого слоя.

Модуль упругости шероховатого слоя (а не материала, из которого состоит деталь и, соответственно, шероховатый слой) Eeff, являясь величиной переменной, определяется зависимостью:

где Е0 -- модуль упругости материала; е -- относительная деформация неровностей шероховатого слоя; ж -- константа (ж = 1); D -- фрактальная размерность профиля шероховатой поверхности.

Действительно, относительное сближение характеризует в определенном смысле распределение материала по высоте шероховатого слоя и, таким образом, эффективный модуль характеризует особенности пористого слоя. При е = 1 этот пористый слой вырождается в сплошной материал со своим модулем упругости.

Полагаем, что число пятен касания пропорционально размерам контурной площади, имеющей радиус ас:

Перепишем это выражение в виде

Найдем коэффициент пропорциональности С. Пусть N = 1, тогда ас=(Smax / р)1/2, где Smax -- площадь одного пятна контакта. Откуда

Подставив полученное значение С в уравнение (2), получим:

Полагаем, что кумулятивное распределение пятен контакта с площадью, большей s, подчиняется следующему закону

Дифференциальное (по модулю) распределение числа пятен определяется выражением

Выражение (5) позволяет найти фактическую площадь контакта

Полученный результат показывает, что фактическая площадь контакта зависит от структуры поверхностного слоя, определяемой фрактальной размерностью и максимальной площадью отдельного пятна касания, расположенного в центре контурной площади. Таким образом, для оценки параметров контактирования необходимо знать деформацию отдельной неровности, а не всего шероховатого слоя. Кумулятивное распределение (4) не зависит от состояния пятен контакта. Оно справедливо, когда пятна касания могут находиться в упругом, упругопластическом и пластическом состояниях. Наличие пластических деформаций определяет эффект приспосабливаемости шероховатого слоя к внешнему воздействию. Данный эффект частично проявляется в выравнивании давления на площади касания и увеличении контурной площади. Кроме того, пластическое деформирование многовершинных выступов приводит к упругому состоянию этих выступов при небольшом числе повторных нагружений, если нагрузка не превышает первоначального значения.

По аналогии с выражением (4) запишем интегральную функцию распределения площадей пятен контакта в виде

Дифференциальная форма записи выражения (7) представляется следующим выражением:

Тогда математическое ожидание площади контакта определяется следующим выражением:

Так как фактическая площадь контакта равна

и, учитывая выражения (3), (6), (9), запишем:

Считая, что фрактальная размерность профиля шероховатой поверхности (1 < D < 2) является величиной постоянной, можно сделать вывод о том, что радиус контурной площади контакта зависит только от площади отдельной максимально деформированной неровности.

Определим Smax из известного выражения

где б -- коэффициент, равный 1 для пластического состояния контакта сферического тела с гладким полупространством, и б = 0,5 -- для упругого; r -- радиус закругления вершины неровности; дmax -- деформация неровности.

Положим, что радиус круговой (контурной) площади ас определяется модифицированной формулой Г. Герца

Тогда, подставив выражение (1) в формулу (11), получим:

Приравняв правые части выражений (10) и (12) и решая полученное равенство относительно деформации максимально нагруженной неровности, запишем:

Здесь, r -- радиус закругления вершины неровности.

При выводе уравнения (13) учитывалось, что относительная деформация наиболее нагруженной неровности равна

где дmax -- наибольшая деформация неровности; Rmax -- наибольшая высота профиля.

Для гауссовской поверхности фрактальная размерность профиля D=1,5 и при т = 1 выражение (13) имеет вид:

Считая деформацию неровностей и осадку их основания аддитивными величинами, запишем:

Тогда суммарное сближение найдем из следующего соотношения:

Таким образом, полученные выражения позволяют найти основные параметры контактирования сферического тела с полупространством с учетом шероховатости: радиус контурной площади определялся по выражениям (12) и (13), сближение? по формуле (15).

3. Эксперимент

Испытания проводились на установке для исследования контактной жесткости неподвижных стыков. Точность измерения контактных деформаций составляла 0,1-0,5 мкм.

Схема испытаний приведена на рис. 1. Методика проведения эксперимента предусматривала плавное нагружение и разгрузку образцов, имеющих определенную шероховатость. Между образцами устанавливались три шарика диаметром 2R=2,3 мм.

Были исследованы образцы, имеющие следующие параметры шероховатости (табл. 1).

При этом верхний и нижний образцы имели одинаковые параметры шероховатости. Материал образцов -- сталь 45, термообработка -- улучшение (HB 240). Результаты испытаний приведены в табл. 2.

Здесь же представлено сравнение экспериментальных данных с расчетными значениями, полученными на основе предлагаемого подхода.

Таблица 1

Параметры шероховатости

Номер образца	Параметры шероховатости поверхности стальных образцов
		Параметры аппроксимации опорной кривой

Таблица 2

Сближение сферического тела с шероховатой поверхностью

Образец № 1	Образец № 2
	досн, мкм	Эксперимент	досн, мкм	Эксперимент

Сравнение экспериментальных и расчетных данных показало их удовлетворительное соответствие, что говорит о применимости рассмотренного подхода к оценке параметров контактирования сферических тел с учетом шероховатости.

На рис. 2 показана зависимость отношения ас/ас (Н) контурной площади с учетом шероховатости к площади, рассчитанной по теории Г. Герца, от фрактальной размерности.

Как видно на рис. 2, с увеличением фрактальной размерности, отражающей сложность структуры профиля шероховатой поверхности, растет величина отношения контурной площади контакта к площади, рассчитанной для гладких поверхностей по теории Г. Герца.

Рис. 1. Схема испытания: а -- нагружение; б -- расположение шариков между испытуемыми образцами

Приведенная зависимость (рис. 2) подтверждает факт увеличения площади касания сферического тела с шероховатой поверхностью по сравнению с площадью, рассчитанной по теории Г. Герца.

При оценке фактической площади касания необходимо учитывать верхний предел, равный отношению нагрузки к твердости по Бринеллю более мягкого элемента.

Площадь контурной площади с учетом шероховатости найдем, используя формулу (10):

Рис. 2. Зависимость отношения радиуса контурной площади с учетом шероховатости к радиусу герцевской площади от фрактальной размерности D

Для оценки отношения фактической площади контакта к контурной разделим выражение (7.6) на правую часть уравнения (16)

На рис. 3 показана зависимость отношения фактической площади контакта Ar к контурной площади Ас от фрактальной размерности D. С увеличением фрактальной размерности (увеличением шероховатости) отношение Ar/ Ас уменьшается.

Рис. 3. Зависимость отношения фактической площади контакта Ar к контурной площади Ас от фрактальной размерности

Таким образом, пластичность материала рассматривается не только как свойство (физико-механический фактор) материала, но и как носитель эффекта приспосабливаемости дискретного множественного контакта к внешнему воздействию. Этот эффект проявляется в некотором выравнивании давлений на контурной площади касания.

Список литературы

1. Мандельброт Б. Фрактальная геометрия природы / Б. Мандельброт. - М.: Институт компьютерных исследований, 2002. - 656 с.

2. Воронин Н.А. Закономерности контактного взаимодействия твердых топокомпозиционных материалов с жестким сферическим штампом / Н.А. Воронин // Трение и смазка в машинах и механизмах. - 2007. - №5. - С. 3-8.

3. Иванов А.С. Нормальная, угловая и касательная контактные жесткости плоского стыка / А.С. Иванов // Вестник машиностроения. - 2007. - №1. С. 34-37.

4. Тихомиров В.П. Контактное взаимодействие шара с шероховатой поверхностью / Трение и смазка в машинах и механизмах. - 2008. - №9. -С. 3-

5. Демкин Н.Б. Контакт шероховатых волнистых поверхностей с учетом взаимного влияния неровностей / Н.Б. Демкин, С.В. Удалов, В.А. Алексеев [и др.] // Трение и износ. - 2008. - Т.29. - №3. - С. 231-237.

6. Буланов Э.А. Контактная задача для шероховатых поверхностей / Э.А. Буланов // Техника машиностроения. - 2009. - №1(69). - С. 36-41.

7. Ланков, А.А. Вероятность упругих и пластических деформаций при сжатии металлических шероховатых поверхностей / А.А. Лакков // Трение и смазка в машинах и механизмах. - 2009. - №3. - С. 3-5.

8. Greenwood J.A. Contact of nominally flat surfaces / J.A. Greenwood, J.B.P. Williamson // Proc. R. Soc., Series A. - 196 - V. 295. - №1422. - P. 300-319.

9. Маджумдар М. Фрактальная модель упруго-пластического контакта шероховатых поверхностей / М. Маджумдар, Б. Бхушан // Современное машиностроение. ? 1991. ? № ? С. 11-23.

10. Varadi K. Evaluation of the real contact areas, pressure distributions and contact temperatures during sliding contact between real metal surfaces / K. Varodi, Z. Neder, K. Friedrich // Wear. - 199 - 200. - P. 55-62.

Размещено на Allbest.ru

Подобные документы

Методика расчета силы взаимодействия между двумя реальными молекулами в рамках классической физики. Определение потенциальной энергии взаимодействия как функции от расстояния между центрами молекул. Уравнение Ван-дер-Ваальса. Сверхкритическое состояние.

презентация , добавлен 29.09.2013

Численная оценка зависимости между параметрами при решении задачи Герца для цилиндра во втулке. Устойчивость прямоугольной пластины, с линейно-изменяющейся нагрузкой по торцам. Определение частот и форм собственных колебаний правильных многоугольников.

диссертация , добавлен 12.12.2013

Реологические свойства жидкостей в микро- и макрообъемах. Законы гидродинамики. Стационарное движение жидкости между двумя бесконечными неподвижными пластинами и движение жидкости между двумя бесконечными пластинами, двигающимися относительно друг друга.

контрольная работа , добавлен 31.03.2008

Рассмотрение особенностей контактного взаимодействия жидкостей с поверхностью твердых тел. Явление гидрофильности и гидрофобности; взаимодействие поверхности с жидкостями различной природы. "Жидкий" дисплей и видео на "бумаге"; капля в "нанотраве".

курсовая работа , добавлен 14.06.2015

Знакомство с этапами разработки тензорезисторного датчика силы с упругим элементом типа консольной балки постоянного сечения. Общая характеристика современных измерительных конструкций. Датчики веса и силы как незаменимый компонент в ряде областей.

курсовая работа , добавлен 10.01.2014

Оценка влияния малых нерегулярностей в геометрии, неоднородности в граничных условиях, нелинейности среды на спектр собственных частот и собственной функции. Построение численно-аналитического решения задачи о внутреннем контакте двух цилиндрических тел.

Определение потенциала электростатического поля и напряжения (разности потенциалов). Определение взаимодействия между двумя электрическими зарядами в соответствии с законом Кулона. Электрические конденсаторы и их емкость. Параметры электрического тока.

презентация , добавлен 27.12.2011

Назначение контактного водонагревателя, принцип его действия, особенности конструкции и составные элементы, их внутреннее взаимодействие. Тепловой, аэродинамический расчет контактного теплообменного аппарата. Выбор центробежного насоса, его критерии.

курсовая работа , добавлен 05.10.2011

Сила взаимодействия магнитного поля и проводника с током, сила, действующая на проводник с током в магнитном поле. Взаимодействие параллельных проводников с током, нахождение результирующей силы по принципу суперпозиции. Применение закона полного тока.

презентация , добавлен 03.04.2010

Алгоритм решения задач по разделу "Механика" курса физики общеобразовательной школы. Особенности определения характеристик электрона по законам релятивистской механики. Расчет напряженности электрических полей и величины заряда по законам электростатики.

480 руб. | 150 грн. | 7,5 долл. ", MOUSEOFF, FGCOLOR, "#FFFFCC",BGCOLOR, "#393939");" onMouseOut="return nd();"> Диссертация - 480 руб., доставка 10 минут , круглосуточно, без выходных и праздников

Кравчук Александр Степанович. Теория контактного взаимодействия деформируемых твердых тел с круговыми границами с учетом механических и микрогеометрических характеристик поверхностей: Дис. ... д-ра физ.-мат. наук: 01.02.04: Чебоксары, 2004 275 c. РГБ ОД, 71:05-1/66

Введение

1. Современные проблемы механики контактного взаимодействия 17

1.1. Классические гипотезы, применяемые при решении контактньгх задач ддя гладких тел 17

1.2. Влияние ползучести твердых тел на их формоизменение в области контакта 18

1.3. Оценка сближения шероховатых поверхностей 20

1.4. Анализ контактного взаимодействия многослойных конструкций 27

1.5. Взаимосвязь механики и проблем трения и изнашивания 30

1.6. Особенности применения моделирования в трибологии 31

Выводы по первой главе 35

2. Контактное взаимодействие гладких цилиндрических тел 37

2.1. Решение контактной задачи для гладких изотропных диска и пластины с цилиндрической полостью 37

2.1.1. Общие формулы 38

2.1.2. Вывод краевого условия для перемещений в области контакта 39

2.1.3. Интегральное уравнение и его решение 42

2.1.3.1. Исследование полученного уравнения 4 5

2,1.3.1.1. Приведение сингулярного интегро-дифференциального уравнения к интегральному уравнению с ядром, имеющим логарифмическую особенность 46

2.1.3.1.2. Оценка нормы линейного оператора 49

2.1.3.2. Приближенное решение уравнения 51

2.2. Расчет неподвижного соединения гладких цилиндрических тел 58

2.3. Определение перемещения в подвижном соединении цилиндрических тел 59

2.3.1. Решение вспомогательной задачи для упругой плоскости 62

2.3.2. Решение вспомогательной задачи для упругого диска 63

2.3.3. Определение максимального нормального радиального перемещения 64

2.4. Сопоставление теоретических и экспериментальных данных исследования контактных напряжений при внутреннем касании цилиндров близких радиусов 68

2.5. Моделирование пространственного контактного взаимодействия системы соосных цилиндров конечных размеров 72

2.5.1. Постановка задачи 73

2.5.2. Решение вспомогательных двумерных задач 74

2.5.3. Решение исходной задачи 75

Выводы и ос новные результаты второй главы 7 8

3. Контактные задачи для шероховатых тел и их решение с помощью корректировки кривизны деформированной поверхности 80

3.1. Пространственная нелокальная теория. Геометрические предположения 83

3.2. Относительное сближение двух параллельных кругов, определяемое деформацией шероховатости 86

3.3. Метод аналитической оценки влияния деформирования шероховатости 88

3.4. Определение перемещений в области контакта 89

3.5. Определение вспомогательных коэффициентов 91

3.6. Определение размеров эллиптической области контакта 96

3.7. Уравнения для определения области контакта близкой к круговой 100

3.8. Уравнения для определения области контакта близкой к линии 102

3.9. Приближенное определение коэффициента а в случае области контакта в виде круга или полосы

3.10. Особенности усреднения давлений и деформаций при решении двумерной задачи внутреннего контакта шероховатых цилиндров близких радиусов 1и5

3.10.1. Вывод интегро-дифференциального уравнения и его решение в случае внутреннего контакта шероховатых цилиндров 10"

3.10.2. Определение вспомагательных коэффициентов

Выводы и основные результаты третьей главы

4. Решение контактных задач вязкоупругости для гладких тел

4.1. Основные положения

4.2. Анализ принципов соответствия

4.2.1. Принцип Вольтерра

4.2.2. Постоянный коэффициент поперечного расширения при деформации ползучести 123

4.3. Приближенное решение двумерной контактной задачи линейной ползучести для гладких цилиндрических тел

4.3.1. Общий случай операторов вязкоупругости

4.3.2. Решение для монотонно возрастающей области контакта 128

4.3.3. Решение для неподвижного соединения 129

4.3.4. Моделирование контактного взаимодействия в случае

однородно стареющей изотропной пластины 130

Выводы и основные результаты четвертой главы 135

5. Ползучесть поверхности 136

5.1. Особенности контактного взаимодействия тел с низким пределом текучести 137

5.2. Построение модели деформирования поверхности с учетом ползучести в случае эллиптической области контакта 139

5.2.1. Геометрические предположения 140

5.2.2. Модель ползучести поверхности 141

5.2.3. Определение средних деформаций шероховатого слоя и средних давлений 144

5.2.4. Определение вспомогательных коэффициентов 146

5.2.5. Определение размеров эллиптической области контакта 149

5.2.6. Определение размеров круговой области контакта 152

5.2.7. Определение ширины области контакта в виде полосы 154

5.3. Решение двумерной контактной задачи для внутреннего касания

шероховатых цилиндров с учетом ползучести поверхности 154

5.3.1. Постановка задачи для цилиндрических тел. Интегро-

дифференциальное уравнение 156

5.3.2. Определение вспомагательных коэффициентов 160

Выводы и основные результаты пятой главы 167

6. Механика взаимодействия цилиндрических тел с учетом наличия покрытий 168

6.1. Вычисление эффективных модулей в теории композитов 169

6.2. Построение самосогласованного метода вычисления эффективных коэффициентов неоднородных сред с учетом разброса физико-механических свойств 173

6.3. Решение контактной задачи для диска и плоскости с упругим композиционным покрытием на контуре отверстия 178

6.3. 1 Постановка задачи и основные формулы 179

6.3.2. Вывод краевого условия для перемещений в области контакта 183

6.3.3. Интегральное уравнение и его решение 184

6.4. Решение задачи в случае ортотропного упругого покрытия с цилиндрической анизотропией 190

6.5. Определение влияния вязкоупругого стареющего покрытия на изменение параметров контакта 191

6.6. Анализ особенностей контактного взаимодействия многокомпонентного покрытия и шероховатости диска 194

6.7. Моделирование контактного взаимодействия с учетом тонких металлических покрытий 196

6.7.1. Контакт шара с пластическим покрытием и шероховатого полупространства 197

6.7.1.1. Основные гипотезы и модель взаимодействия твердых тел 197

6.7.1.2. Приближенное решение задачи 200

6.7.1.3. Определение максимального контактного сближения 204

6.7.2. Решение контактной задачи для шероховатого цилиндра и тонкого металлического покрытия на контуре отверстия 206

6.7.3. Определение контактной жесткости при внутреннем контакте цилиндров 214

Выводы и основные результаты шестой главы 217

7. Решение смешанных краевых задач с учетом износа поверхностей взаим одействующих тел 218

7.1. Особенности решения контактной задачи с учетом изнашивания поверхностей 219

7.2. Постановка и решение задачи в случае упругого деформирования шероховатости 223

7.3. Метод теоретической оценки износа с учетом ползучести поверхности 229

7.4. Метод оценки износа с учетом влияния покрытия 233

7.5. Заключительные замечания по постановке плоских задач с учетом износа 237

Выводы и основные результаты седьмой главы 241

Заключение 242

Список использованных источников

Введение к работе

Актуальность темы диссертации. В настоящее время значительные усилия инженеров в нашей стране и за рубежом направлены на поиск путей определения контактных напряжений взаимодействующих тел, так как для перехода от расчета изнашивания материалов к задачам конструкционной износостойкости решающую роль имеют контактные задачи механики деформируемого твердого тела.

Следует отметить, что наиболее широкие исследования контактного взаимодействия выполнены с помощью аналитических методов. При этом применение численных методов значительно расширяет возможности анализа напряженного состояния в области контакта с учетом свойств поверхностей шероховатых тел.

Необходимость учета структуры поверхности объясняется тем, что выступы, образующиеся при технологической обработке имеют различное распределение высот и касание микронеровностей происходит только на отдельных площадках, образующих фактическую площадь контакта. Поэтому при моделировании сближения поверхностей необходимо использовать параметры, характеризующие реальную поверхность.

Громоздкость математического аппарата, применяемого при решении контактных задач для шероховатых тел, необходимость использования мощных вычислительных средств существенно сдерживают применение имеющихся теоретических разработок при решении прикладных задач. И, несмотря на достигнутые успехи, пока трудно получить удовлетворительные результаты с учетом особенностей макро- и микрогеометрии поверхностей взаимодействующих тел, когда элемент поверхности, на котором устанавливаются характеристики шероховатости твердых тел, соизмерим с областью контакта.

Все это требует разработки единого подхода к решению контактных задач, наиболее полно учитывающего как геометрию взаимодействующих тел, микрогеометрические и реологические характеристики поверхностей, характеристики их износостойкости, так и возможность получения приближенного решения поставленной задачи с наименьшим количеством независимых параметров.

Контактные задачи для тел с круговыми границами составляют теоретическую основу расчета таких элементов машин как подшипники, шарнирные соединения, соединения с натягом. Поэтому данные задачи обычно выбираются в качестве модельных при проведении подобных исследований.

Интенсивные работы, проводившиеся в последние годы в Белорусском национальном техническом унивеуиіі сі е. Дьшк іиіікишеньї

на решение этой проблемы и составляют осної у настдзддодоод^ы.

Связь работы с круппыми научными программами, темами.

Исследования выполнены в соответствии со следующими темами: "Разработать метод расчета контактных напряжений при упругом контактном взаимодействии цилиндрических тел, не описываемом теорией Герца" (Министерство образования РБ, 1997 г., № ГР 19981103); "Влияние микронеровностей соприкасающихся поверхностей на распределение контактных напряжений при взаимодействии цилиндрических тел, имеющих близкие по величине радиусы" (Белорусский республиканский фонд фундаментальных исследований, 1996 г., № ГР 19981496); "Разработать метод прогнозирования износа опор скольжения с учетом топографических и реологических характеристик поверхностей взаимодействующих деталей, а также наличия антифрикционных покрытий" (Министерство образования РБ, 1998 г., № ГР 1999929); "Моделирование контактного взаимодействия деталей машин с учетом случайности реологических и геометрических свойств поверхностного слоя" (Министерство образования РБ, 1999 г. №ГР2000Г251)

Цель и задачи исследования. Разработка единого метода теоретического прогнозирования влияния геометрических, реологических характеристик шероховатости поверхности твердых тел и наличия покрытий на напряженное состояние в области контакта, а также установление на этой основе закономерностей изменения контактной жесткости и износостойкости сопряжений на примере взаимодействия тел с круговыми границами.

Для достижения поставленной цели требуется решить следующие проблемы:

Разработать метод приближенного решения задач теории упругости и вязкоупругости о контактном взаимодействии цилиндра и цилиндрической полости в пластине с использованием мипимального количества независимых параметров.

Разработать нелокальную модель контактного взаимодействия тел
с учетом микрогеометрических, реологических характеристик
поверхностей, а также наличия пластических покрытий.

Обосновать подход, позволяющий корректировать кривизну
взаимодействующих поверхностей за счет деформации шероховатости.

Разработать метод приближенного решения контактных задач для диска и изотропного, ортотропного с цилиндрической анизотропией и вязкоупругого стареющего покрытий на отверстии в пластине с учетом их поперечной деформируемости.

Построить модель и определить влияние микрогеометрических особенностей поверхности твердого тела на контактное взаимодействие с пластическим покрытием на контртеле.

Разработать метод решения задач с учетом износа цилиндрических тел, качества их поверхностей, а также наличия антифрикционных покрытий.

Объектом и предметом исследования являются неклассические смешанные задачи теории упругости и вязкоупругости для тел с круговыми границами с учетом нелокальности топографических и реологических характеристик их поверхностей и покрытий, на примере которых в настоящей работе разработан комплексный метод анализа изменения напряженного состояния в области контакта в зависимости от показателей качества их поверхностей.

Гипотеза. При решении поставленных граничных задач с учетом качества поверхности тел используется феноменологический подход, согласно которому деформация шероховатости рассматривается как деформация промежуточного слоя.

Задачи с изменяющимися во времени краевыми условиями рассматриваются как квазистатические.

Методология и методы проведенного исследования. При проведении исследований использовались основные уравнения механики деформируемого твердого тела, трибологии, функционального анализа. Разработан и обоснован метод, позволяющий корректировать кривизну нагруженных поверхностей за счет деформаций микронеровностей, что существенно упрощает проводимые аналитические преобразования и позволяет получить аналитические зависимости для размера площади контакта и контактных напряжений с учетом указанных параметров без использования предположения о малости величины базовой длины измерения характеристик шероховатости относительно размеров области контакта.

При разработке метода теоретического прогнозирования износа поверхностей наблюдаемые макроскопические явления рассматривались как результат проявления статистически усредненных связей.

Достоверность полученных в работе результатов подтверждается сравнениями полученных теоретических решений и результатов экспериментальных исследований, а также сравнением с результатами некоторых решений, найденных другими методами.

Научная новизна и значимость полученных результатов. Впервые на примере контактного взаимодействия тел с круговыми границами проведено обобщение исследований и разработан единый метод комплексного теоретического прогнозирования влияния нелокальных геометрических, реологических характеристик шероховатых поверхностей взаимодействующих тел и наличия покрытий на напряженное состояние, контактную жесткость и износостойкость сопряжений.

Комплекс проведенных исследований позволил представить в диссертации теоретически обоснованный метод решения задач механики твердого тела, основанный на последовательном рассмотрении макроскопически наблюдаемых явлений, как результата проявления статистически усредненных по значительному участку контактной поверхности микроскопических связей.

В рамках решения поставленной проблемы:

Предложена пространственная нелокальная модель контактного
взаимодействия твердых тел с изотропной шероховатостью поверхности.

Разработан метод определения влияния характеристик поверхности твердых тел на распределение напряжений.

Исследовано интегро-дифференциальное уравнение, получаемое в контактных задачах для цилиндрических тел, что позволило определить условия существования и единственности его решения, а также точность построенных приближений.

Практическая (экономическая, социальная) значимость полученных результатов. Результаты теоретического исследования доведены до приемлемых для практического использования методик и могут быть непосредственно применены при проведении инженерных расчетов подшипников, опор скольжения, зубчатых передач. Использование предлагаемых решений позволит сократить время создания новых машиностроительных конструкций, а также с большой точностью прогнозировать их служебные характеристики.

Некоторые результаты выполненных исследований были внедрены на Н П П «Циклопривод», НПО «Алтех».

Основные положения диссертации, выносимые на защиту:

Приближенное решите задачи механики деформированного
твердого тела о контактном взаимодействии гладких цилиндра и
цилиндрической полости в пластине, с достаточной точностью
описывающих исследуемое явление при использовании минимального
количества независимых параметров.

Решение нелокальных краевых задач механики деформируемого твердого тела с учетом геометрических и реологических характеристик их поверхностей на основе метода, позволяющего корректировать кривизну взаимодействующих поверхностей за счет деформации шероховатости. Отсутствие предположения о малости геометрических размеров базовых длин измерения шероховатости по сравнению с размерами области контакта позволяет переходить к разработке многоуровневых моделей деформирования поверхности твердых тел.

Построение и обоснование метода расчета перемещений границы цилиндрческих тел, обусловленных деформацией поверхпостных слоев. Полученные результаты позволяют разработать теоретический подход,

определяющий контактную жесткость сопряжений с учетом совместного влияния всех особенностей состояния поверхностей реальных тел.

Моделирование вязкоупругого взаимодействия диска и полости в
пластине из стареющего материала, простота реализации результатов
которого позволяет использовать их для широкого круга прикладных
задач.

Приближенное решение контактных задач для диска и изотропного, ортотропного с цилиндрической анизотропией, а также вязкоупругого стареющего покрытий на отверстии в пластине с учетом их поперечной деформируемости. Это дает возможность оценить влияние композиционных покрытий с низким модулем упругости на нагруженность сопряжений.

Построение нелокальной модели и определение влияния характеристик шероховатости поверхности твердого тела на контактное взаимодействие с пластическим покрытием на контртеле.

Разработка метода решения краевых задач с учетом износа цилиндрических тел, качества их поверхностей, а также наличия антифрикционных покрытий. На этой основе предложена методология, сосредотачивающая математические и физические методы при исследовании износостойкости, что дает возможность вместо исследований реальных узлов трения делать основной упор на исследовании явлений, происходящих в области контакта.

Личный вклад соискателя. Все результаты, выносимые на защиту, получены автором лично.

Апробация результатов диссертации. Результаты исследований, приведенных в диссертации были представлены на 22 международных конференциях и конгрессах, а также конференциях стран СНГ и республиканских, среди них: "Понтрягинские чтения - 5" (Воронеж, 1994, Россия), "Математические модели физических процессов и их свойства" (Таганрог, 1997, Россия), Nordtrib"98 (Ebeltoft, 1998, Дания), Numerical mathematics and computational mechanics - "NMCM"98" (Miskolc, 1998, Венгрия), "Modelling"98" (Praha, 1998, Чехия), 6th International Symposium on Creep and Coupled Processes (Bialowieza, 1998, Польша), "Вычислительные методы и производство: реальность, проблемы, перспективы" (Гомель, 1998, Беларусь), "Полимерные композиты 98" (Гомель, 1998, Беларусь), "Mechanika"99" (Kaunas, 1999, Литва), П Белорусский конгресс по теоретической и прикладной механике (Минск, 1999, Беларусь), Internat. Conf. On Engineering Rheology, ICER"99 (Zielona Gora, 1999, Польша), "Проблемы прочности материалов и сооружений на транспорте" (Санкт-Петербург, 1999, Россия), International Conference on Multifield Problems (Stuttgart, 1999, Германия).

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, списка использованных источников и приложения. Полный объем диссертации составляет 2-М" страниц, в том числе объем, занимаемый иллюстрациями - 14 страниц, таблицами - 1 страницу. Количество использованных источников включает 310 наименований.

Влияние ползучести твердых тел на их формоизменение в области контакта

Практическое получение аналитических зависимостей для напряжений и перемещений в замкнутой форме для реальных объектов даже в простейших случаях сопряжено с существенными трудностями. Вследствие этого при рассмотрении контактных задач принято прибегать к идеализации. Так, считается, что если размеры самих тел достаточно велики по сравнению с размерами области контакта, то напряжения в этой зоне слабо зависят от конфигурации тел вдали от области контакта, а также способа их закрепления. При этом напряжения с достаточно хорошей степенью достоверности можно вычислить, рассматривая каждое тело как бесконечную упругую среду, ограниченную плоской поверхностью, т.е. как упругое полупространство .

Поверхность каждого из тел предполагается топографически гладкой на микро- и макроуровне. На микроуровне это означает отсутствие или неучет микронеровностей контактирующих поверхностей, которые обусловили бы неполное прилегание поверхностей контакта. Поэтому реальная область контакта, которая образуется на вершинах выступов, значительно меньше теоретической. На макроуровне профили поверхностей считаются непрерывными в зоне контакта вместе со вторыми производными .

Указанные предположения впервые были использованы Герцем при решении контактной задачи. Получаемые на основе его теории результаты удовлетворительно описывают деформированное состояние идеально упругих тел в отсутствии трения по поверхности контакта, однако неприменимы, в частности, к низкомодульным материалам. Кроме того, условия, в которых используется теория Герца, нарушаются при рассмотрении контакта согласованных поверхностей. Это объясняется тем, что вследствие приложения нагрузки размеры области контакта быстро растут и могут достигать величин, сравнимых с характерными размерами контактирующих тел, так что тела не могут рассматриваться как упругие полупространства .

Особый интерес при решении контактных задач вызывает учет сил трения. Вместе с тем последнее на поверхности раздела двух тел согласованной формы, находящихся в условиях нормального контакта;, играет роль только при относительно высоких значениях коэффициента трения .

Развитие теории контактного взаимодействия твердых тел связано с отказом от перечисленных выше гипотез. Оно осуществлялось по следующим основным направлениям: усложнение физической модели деформирования твердых тел и (или) отказом от гипотез гладкости и однородности их поверхностей.

Интерес к ползучести резко возрос в связи с развитием техники. В числе первых исследователей, обнаруживших явление деформирования материалов во времени при постоянной нагрузке, были Вика, Вебер, Кольрауш . Максвелл впервые представил закон деформирования во времени в виде дифференциального уравнения. Несколько позднее Болыгман создал общий аппарат для описания явлений линейной ползучести. Этот аппарат, значительно развитый впоследствии Вольтерра является в настоящее время классическим разделом теории интегральных уравнений.

До середины прошлого столетия элементы теории деформирования материалов во времени находили малое применение в практике расчетов инженерных конструкций . Однако с развитием энергетических установок, химико-технологических аппаратов, работающих при более высоких температурах и давлениях, стал необходим учет явления ползучести. Запросы машиностроения привели к огромному размаху экспериментальных и теоретических исследований в области ползучести . Вследствие появившейся необходимости в точных расчетах явление ползучести стали учитывать даже в таких материалах, как древесина и грунты ,

Изучение ползучести при контактном взамодействии твердых тел важно по ряду причин прикладного и принципиального характера. Так, даже при постоянных нагрузках форма взаимодействующих тел и их напряженное состояние, как правило, изменяется , что необходимо учитывать при проектировании машин.

Качественное объяснение происходящих при ползучести процессов можно дать, опираясь на основные представления теории дислокаций . Так, в строении кристаллической решетки могут встречаться различные местные дефекты. Эти дефекты называются дислокациями. Они перемещаются, взаимодействуют друг с другом и вызывают различного типа скольжения в металле. Результатом движения дислокации является сдвиг на одно межатомное расстояние . Напряженное состояние тела облегчает движение дислокаций, снижая потенциальные барьеры .

Временные законы ползучести зависят от структуры материала, которая меняется с течением ползучести. Экспериментально получена экспоненциальная зависимость скоростей установившейся ползучести от напряжений при относительно высоких напряжениях (-10" и более от модуля упругости). В значительном интервале напряжений экспериментальные точки на логарифмической сетке обычно группируются около некоторой прямой линии. Это означает, что в рассматриваемом интервале напряжений (-10" -10" от модуля упругости) имеется степенная зависимость скоростей деформаций от напряжения . Следует отметить, что при низких напряжениях (10" и менее от модуля упругости) эта зависимость линейная. В ряде работ приведены различные экспериментальные данные по механическим свойствам различных материалов в широком интервале температур и скоростей деформирования .

Интегральное уравнение и его решение

Отметим, что если упругие постоянные диска и пластины равны, то ух= О и данное уравнение становится интегральным уравнением первого рода. Особенности теории аналитических функций позволяют в этом случае, используя дополнительные условия, получить единственное решение . Это так называемые формулы обращения сингулярных интегральных уравнений, позволяющие получить решение поставленной задачи в явном виде. Особенность состоит в том, что в теории краевых задач обычно рассматриваются три случая (когда V составляет часть границы тел): решение имеет особенность на обоих концах области интегрирования; решение имеет особенность на одном из концов области интегрирования, а на втором обращается в ноль; решение обращается в ноль на обоих концах. В зависимости от выбора того или иного варианта строится общий вид решения, в состав которого в первом случае входит общее решение однородного уравнения. Задаваясь поведением решения на бесконечности и угловых точках области контакта, исходя из физически обоснованных предположений, строится единственное решение, удовлетворяющее указанным ограничениям .

Таким образом, единственность решения указанной задачи понимается в смысле принятых ограничений. Следует отметить, что при решении контактных задач теории упругости наиболее распространенными ограничениями являются требования обращения в ноль решения на концах области контакта и предположение об исчезновении напряжений и вращений на бесконечности . В случае, когда область интегрирования составляет всю границу области (тела), то единственность решения гарантируется формулами Коши . При этом наиболее простым и распространенным методом решения прикладных задач в этом случае является представление интеграла Коши в виде ряда .

Следует отметить, что в приведенных выше общих сведениях из теории сингулярных интегральных уравнений никак не оговариваются свойства контуров исследуемых областей, т.к. в данном случае известно, что дуга окружности (кривая, вдоль которой выполняется интегрирование) удовлетворяет условию Ляпунова . Обобщение теории двумерных краевых задач в случае более общих предположений на гладкость границы областей можно найти в монографии ИИ. Данилюка .

Наибольший интерес представляет общий случай уравнения, когда 7i 0. Отсутствие методов построения точного решения в этом случае приводит к необходимости применения методов численного анализа и теории приближений. Фактически, как это уже отмечалось, численные методы решения интегральных уравнений обычно основаны на аппроксимации решения уравнения функционалом определенного вида. Объем накопленных результатов в этой области позволяет выделить основные критерии, по которым эти методы обычно сравниваются при их использовании в прикладных задачах . Прежде всего простота физической аналогии предлагаемого подхода (обычно это в том или ином виде метод суперпозиции системы определенных решений); объем необходимых подготовительных аналитических вычислений, используемых для получения соответствующей системы линейных уравнений; необходимый размер системы линейных уравнений для достижения требуемой точности решения; использование численного метода решения системы линейных уравнений, максимально учитывающего особенности ее структуры и, соответственно, позволяющего с наибольшей скоростью получить численный результат . Следует отметить, что последний критерий играет существенную роль лишь в случае систем линейных уравнений большого порядка. Все это определяет эффективность используемого подхода. Вместе с тем следует констатировать, что к настоящему времени существуют лишь отдельные исследования, посвященные сравнительному анализу и возможным упрощениям при решении практических задач с помощью различных аппроксимаций .

Отметим, что интегро-дифферешщальное уравнение может быть приведено к виду: V дуга окружности единичного радиуса, заключенная между двумя точками с угловыми координатами -сс0 и а0, а0 є(0,л/2); у1 - вещественный коэффициент, определяемый упругими характеристиками взаимодействующих тел (2.6); f(t)- известная функция, определяемая приложенными нагрузками (2.6). Кроме того, напомним, что стг(т) обращается в нуль на концах отрезка интегрирования.

Относительное сближение двух параллельных кругов, определяемое деформацией шероховатости

Задача о внутреннем сжатии круговых цилиндров близких радиусов впервые была рассмотрена И.Я. Штаерманом. При решении поставленной им задачи принято, что внешняя нагрузка, действующая на внутренний и внешний цилиндры по их поверхностям, осуществляется в виде нормального давления, диаметрально противоположного давлению контакта. При выводе уравнения задачи использовано решение о сжатии цилиндра двумя противоположными силами и решение аналогичной задачи для внешности кругового отверстия в упругой среде . Им было получено явное выражение для перемещений точек контура цилиндра и отверстия через интегральный оператор от функции напряжений. Это выражение использовалось рядом авторов для оценки контактной жесткости .

Используя эвристическую аппроксимацию для распределения контактных напряжений для схемы И.Я. Штаермана, А.Б. Милов получил упрощенную зависимость для максимальных контактных перемещений. Однако им было установлено, что полученная теоретическая оценка существенно отличается от экспериментальных данных. Так, перемещение, определенное из эксперимента, оказалось меньше теоретического в 3 раза. Этот факт объясняется автором существенным влиянием особенностей пространственной схемы нагружения и предлагается коэффициент перехода от трехмерной задачи к плоской .

Аналогичный подход использовал М.И. Теплый, задавшись приближенным решением несколько иного вида . Следует отметить, что в этой работе, кроме того, получено линейное дифференциальное уравнение второго порядка для определения контактных перемещений в случае схемы, приведенной на Рисунке 2.1. Указанное уравнение следует непосредственно из способа получения интегро-дифференциального уравнения для определения нормальных радиальных напряжений. При этом сложность правой части определяет громоздкость результирующего выражения для перемещений. Кроме того, в этом случае остаются неизвестными величины коэффициентов в решении соответствующего однородного уравнения. Вместе с тем отмечается, что, не устанавливая значений постоянных, можно определить сумму радиальных перемещений диаметрально противоположных точек контуров отверстия и вала .

Таким образом, несмотря на актуальность задачи определения контактной жесткости анализ литературных источников не позволил выявить метода ее решения, позволяющего обоснованно установить величины наибольших нормальных контактных перемещений, обусловленных деформацией поверхностных слоев без учета деформаций взаимодействующих тел в целом, что объясняется отсутствием формализованного определения понятия "контактная жесткость".

При решении поставленной задачи будем исходить из следующих определений: перемещения под действием главного вектора сил (без учета особенностей контактного взаимодействия) будем называть сближение (удаление) центра диска (отверстия) и его поверхности, не приводящее к изменению формы его границы. Т.е. это жесткость тела в целом. Тогда контактная жесткость это максимальные перемещения центра диска (отверстия) без учета перемещения упругого тела под действием главного вектора сил. Данная система понятий позволяет разделить перемещения;, полученные из решения задачи теории упругости, и показывает, что оценка контактной жесткости цилиндрических тел, полученная А.Б. Миловьш из решения ИЛ. Штаермана , верна только для данной схемы нагружения.

Рассмотрим задачу, поставленную в п. 2.1. (Рисунок 2.1) с краевым условием (2.3). Учитывая свойства аналитических функций, из (2.2) имеем, что :

Важно подчеркнуть, что первые слагаемые (2.30) и (2.32) определяются решением задачи о сосредоточенной силе в бесконечной области. Это объясняет наличие логарифмической особенности. Вторые слагаемые (2.30), (2,32) определяются отсутствием касательных напряжений на контуре диска и отверстия;, а также условием аналитического поведения соответствующих слагаемых комплексного потенциала в нуле и на бесконечности. С другой стороны суперпозиция (2.26) и (2.29) ((2.27) и (2.31)) дает нулевой главный вектор сил, действующих на контур отверстия (или диска). Все это позволяет выразить через третье слагаемое величину радиальных перемещений в произвольном фиксированном направлении С, в пластине и в диске. Для этого найдем разность Фпд(г), (z) и Фп 2(2), 4V2(z):

Приближенное решение двумерной контактной задачи линейной ползучести для гладких цилиндрических тел

Идея о необходимости учета микроструктуры поверхности сжимаемых тел принадлежит И.Я. Штаерману . Им введена модель комбинированного основания, согласно которой в упругом теле, кроме перемещений, вызванных действием нормального давления и определяемых решением соответствующих задач теории упругости, возникают дополнительные нормальные перемещения, обусловленные чисто местными деформациями, зависящими от микроструктуры контактирующих поверхностей. И.Я.Штаерман предположил, что дополнительное перемещение пропорционально нормальному давлению, причем коэффициент пропорциональности является для данного материала величиной постоянной. В рамках этого подхода им впервые было получено уравнение плоской контактной задачи для упругого шероховатого тела, т.е. тела, имеющего слой повышенной податливости.

В ряде работ предполагается, что дополнительные нормальные перемещения за счет деформации микровыступов контактирующих тел пропорциональны макронапряжению в некоторой степени . Это основано на приравнивании усредненных значений перемещений и напряжений в пределах базовой длины измерения шероховатости поверхности. Однако, несмотря на достаточно хорошо разработанный аппарат решения задач подобного класса, ряд трудностей методического характера не преодолен. Так, используемая гипотеза о степенной связи напряжений и перемещений поверхностного слоя с учетом реальных характеристик микрогеометрии верна при малых базовых длинах, т.е. высокой чистоте поверхности, а, следовательно, при справедливости гипотезы о топографической гладкости на микро и макроуровне . Следует также отметить существенное усложнение уравнения при использовании подобного подхода и невозможность описания с его помощью влияния волнистости.

Несмотря на достаточно хорошо разработанный аппарат решения контактных задач с учетом слоя повышенной податливости , остался ряд вопросов методического характера, затрудняющих его применение в инженерной практике расчетов. Как уже отмечалось, шероховатость поверхности имеет вероятностное распределение высот. Соизмеримость размеров элемента поверхности, на котором определяются характеристики шероховатости, с размерами области контакта является главной трудностью при решении поставленной задачи и определяет некорректность применения некоторыми авторами непосредственной связи между макродавлениями и деформациями шероховатости в виде: где s - точка поверхности.

Следует отметить также решение поставленной задачи с использованием предположения о трансформации вида распределения давления в параболический, если деформациями упругого полупространства в сравнении с деформациями шероховатого слоя можно пренебречь. Этот подход приводит к существенному усложнению интегрального уравнения и позволяет получать только численные результаты. Кроме того, авторами использовалась уже упомянутая гипотеза (3.1).

Необходимо упомянуть, попытку разработки инженерного метода учета влияния шероховатости при внутреннем касании цилиндрических тел , основанного на предположении о том, что упругие радиальные перемещения в области контакта, обусловленные деформацией микро-неровности, постоянны и пропорциональны среднему контактному напряжению т в некоторой степени к. Однако, несмотря на свою очевидную простоту, недостатком этого подхода является то, что при таком способе учета шероховатости ее влияние постепенно возрастает с возрастанием нагрузки, что не наблюдается на практике (Рисунок 3 Л,).

1. Анализ научных публикаций в рамках механики контактного взаимодействия 6

2. Анализ влияния физико-механических свойств материалов контактных пар на зону контакта в рамках теории упругости при реализации тестовой задачи контактного взаимодействия с известным аналитическим решением. 13

3. Исследование контактного напряженного состояния элементов сферической опорной части в осесимметричной постановке. 34

3.1. Численный анализ конструкции опорной части в сборе. 35

3.2. Исследование влияния канавок со смазочным материалом сферической поверхности скольжения на напряженное состояние контактного узла. 43

3.3. Численное исследование напряженного состояния контактного узла при разных материалах антифрикционной прослойки. 49

Выводы.. 54

Список литературы.. 57

Анализ научных публикаций в рамках механики контактного взаимодействия

Многие узлы и конструкции, применяемые в машиностроении, строительстве, медицине и других областях, работают в условиях контактного взаимодействия. Это, как правило, дорогостоящие, трудно ремонтируемые ответственные элементы, к которым предъявляются повышенные требования относительно прочности, надежности и долговечности. В связи с широким применением теории контактного взаимодействия в машиностроении, строительстве и других областях человеческой деятельности возникла необходимость в рассмотрении контактного взаимодействия тел сложной конфигурации (конструкции с антифрикционными покрытиями и прослойками, слоистые тела, нелинейный контакт и т.д.), со сложными граничными условиями в зоне контакта, в условиях статики и динамики. Основы механики контактного взаимодействия заложили Г.Герц, В.М. Александров, Л.А. Галин, К. Джонсон, И.Я. Штаерман, Л. Гудман, А.И. Лурье и другие отечественные и зарубежные ученые. Рассматривая историю развития теории контактного взаимодействия в качестве фундамента можно выделить работу Генриха Герца «О контакте упругих тел» . При этом данная теория базируется на классической теории упругости и механики сплошных сред, и была представлена научному сообществу в Берлинском физическом обществе в конце 1881 г. Учеными была отмечена практическое значение развития теории контактного взаимодействия, и исследования Герца были продолжены, хотя и теория не получила должного развития. Теория изначально не получила распространение, так как она опредила свое время и обрела популярность лишь в начале прошлого столетия, во время развития машиностроения. При этом можно отметить, что основным недостатком теория Герца является ее применимость только к идеально упругим телам на поверхностях контакта, без учета трения по сопрягаемым поверхностям.

В настоящий момент механика контактного взаимодействия не потеряла свою актуальность, а является одной из самых бурно развевающихся тем механики деформируемого твердого тела. При этом каждая задача механики контактного взаимодействия несет в себе огромное количество теоретических или прикладных исследований. Развитие и совершенствование теории контакта, когда предложенной Герцем, продолжило большое количество иностранных и отечественных ученых. Например, Александров В.М. Чебаков М.И. рассматривает задачи для упругой полуплоскости без учета и с учетом трения и сцепления, также в своих постановках авторы учитывают смазку, тепло выделяющееся от трения и износ . В описаны численно-аналитические методы решения неклассических пространственных задач механики контактных взаимодействий в рамках линейной теории упругости. Большое количество авторов работали над книгой , в которой отражены работы до 1975г., охватывающие большое количество знаний о контактном взаимодействии. В этой книге содержатся результаты решений контактных статических, динамических и температурных задач для упругих, вязкоупругих и пластических тел. Аналогичное издание вышло в 2001 году содержащее обновленные методы и результаты решения задач механики контактного взаимодействия. В ней присутствуют работы не только отечественных, но и зарубежных авторов. Н.Х.Арутюнян и А.В. Манжиров в своей монографии исследовали вопросы теории контактного взаимодействия растущих тел. Была поставлена задача для нестационарных контактных задач с зависящей от времени области контакта и изложены методы решения в .Сеймов В.Н. изучал динамическое контактное взаимодействие , а Саркисян В.С. рассматривал задачи для полуплоскостей и полос. В своей монографии Джонсон К. рассмотрел прикладные контактные задачи с учетом трения, динамики и теплообмена. Также были описаны такие эффекты как неупругость, вязкость, накопление повреждений, скольжение, сцепление. Их исследования являются основополагающими для механики контактного взаимодействия в части создания аналитических и полуаналитических методов решения задач контакта полосы, полупространства, пространства и тел канонической формы, в них также затронуты вопросы контакта для тел с прослойками и покрытиями.

Дальнейшее развитие механики контактного взаимодействия отражено в работах Горячевой И.Г., Воронина Н.А., Торской Е.В., Чебакова М.И., M.I. Porter и других ученых. Большое количество работ рассматривает контакт плоскости, полупространства или пространства с индентором, контакт через прослойку или тонкое покрытие, а также контакт со слоистыми полупространствами и пространствами. В основном решения таких задач контакта получены при помощи аналитических и полуаналитических методов, а математические модели контакта достаточно просты и, если и учитывают трение между сопрягаемыми деталями, то не учитывают характер контактного взаимодействия. В реальных механизмах части конструкции взаимодействуют друг с другом и с окружающими объектами. Контакт может происходить как непосредственно между телами, так и через различные прослойки и покрытия. В связи с тем, что механизмы машин и их элементы часто представляют собой геометрически сложные конструкции, работающие в рамках механики контактного взаимодействия, исследование их поведения и деформационных характеристик является актуальной проблемой механики деформируемого твердого тела. В качестве примеров таких систем можно отметить подшипники скольжения с прослойкой из композиционного материала , эндопротез бедра с антифрикционной прослойкой , соединение кости и суставного хряща , автодорожное покрытие , поршни , опорные части пролетных строений мостов и мостовых сооружений и т.д. Механизмы представляют собой сложные механические системы с сложной пространственной конфигурацией, обладающей более одной поверхности скольжения, а часто и контактными покрытиями и прослойками. В связи с этим интересно развитие задач контакта, в том числе и контактного взаимодействия через покрытия и прослойки. Горячева И.Г. в своей монографии исследовала влияние микрогеометрии поверхности, неоднородности механических свойств поверхностных слоёв, а также свойств поверхности и покрывающих её плёнок на характеристики контактного взаимодействия, силу трения и распределение напряжений в приповерхностных слоях при разных условиях контактирования. В своем исследовании Торская Е.В. рассматривает задачу о скольжении жесткого шероховатого индентора по границе двухслойного упругого полупространства. Предполагается, что силы трения не влияют на распределение контактного давления. Для задачи о фрикционом контакте индентора с шероховатой поверхность, анализируется влияние коэффициента трения на распределение напряжений. Изложены исследования контактного взаимодействия жестких штампов и вязкоупругих оснований с тонкими покрытиями для случаев, когда поверхности штампов и покрытий являются взаимоповторяющимися, приведены в . Механическое взаимодействие упругих слоистых тел изучается в работах , в них рассматривается контакт цилиндрического, сферического инденторов, системы штампов с упругим слоистым полупространством. Большое количество исследований опубликовано об индентировании многослойных сред . Александров В.М. и Мхитарян С.М. изложили методы и результаты исследований о воздействии штампов на тела с покрытиями и прослойками, задачи рассматриваются в постановке теории упругости и вязкоупругости. Можно выделить ряд задач о контактном взаимодействии, в которых учитывается трение . В рассматривается плоская контактная задача о взаимодействии движущегося жесткого штампа с вязкоупругим слоем. Штамп движется с постоянной скорость и вдавливается с постоянной нормальной силой, при этом предполагается, что трение в области контактна отсутствует. Эта задача решается для двух видов штампов: прямоугольного и параболического. Авторы экспериментально исследовали влияние прослоек из различных материалов на процесс теплообмена в зоне контакта. Были рассмотрено около шести образцов и опытным путем определено, что эффективным теплоизолятором является заполнитель из нержавеющей стали. В другой научной публикации рассматривалась осесимметричная контактная задача термоупругости о давлении горячего цилиндрического кругового изотропного штампа на упругий изотропный слой, между штампом и слоем был неидеальный тепловой контакт. Рассмотренные выше работы рассматривают исследование более сложного механического поведения на площадке контактного взаимодействия, но при этом геометрия остается в большинстве случаев канонической формы. Так как часто в контактирующих конструкциях присутствует более 2-х поверхностей контакта, сложная пространственная геометрия, сложные в своем механическом поведении материалы и условия нагружения, аналитическое решение получить практически невозможно для многих практически важных контактных задач, поэтому требуются эффективные методы решения, в том числе и численные. При этом одной из важнейших задач моделирования механики контактного взаимодействия в современных прикладных программных пакетах является рассмотрения влияния материалов контактной пары, а также соответствие результатов численных исследований существующим аналитическим решениям.

Разрыв теории и практики по решению задач контактного взаимодействия, а также их сложная математическая постановка и описание послужили толчком к формированию численных подходов к решению данных проблем. Наиболее распространенным методам численного решения задач механики контактного взаимодействия является метод конечных элементов (МКЭ) . Итерационный алгоритм решения с использованием МКЭ для задачи одностороннего контакта рассмотрен в . В рассмотрено решение контактных задач с использованием расширенного МКЭ, позволяющего учесть трение на поверхности соприкосновения контактирующих тел и их неоднородность. Рассмотренные публикации по МКЭ для задач контактного взаимодействия не привязаны к конкретным элементам конструкции и зачастую обладают канонической геометриеей. Примером рассмотрения контакта в рамках МКЭ для реальной конструкции служит , где рассматривается контакт между лопаткой и диском газотурбинного двигателя. Численные решения задач контактного взаимодействия многослойных конструкций и тел с антифрикционными покрытиями и прослойками рассмотрено в . В публикациях в основном рассматривается контактное взаимодействие слоистых полупространств и пространств с инеденторами, а также сопряжению тел канонической формы с прослойками и покрытиями. Математические модели контакта мало содержательные, а условия контактного взаимодействия описаны скудно. Модели контакта редко рассматривают возможность наличия на контактной поверхности одновременно прилипания, проскальзывания с различным типом трения и отлипания. В большинстве публикаций мало описаны математические модели задач деформирования конструкций и узлов, особенно граничные условия на контактных поверхностях.

При этом исследование задач контактного взаимодействия тел реальных сложных систем и конструкций предполагает наличие базы физико-механических, фрикционных и эксплуатационных свойств материалов контактирующих тел, а так же антифрикционных покрытий и прослоек. Часто одним из материалов контактных пар являются различные полимеры, в том числе и антифрикционные полимеры. В отмечается недостаточность информации о свойствах фторопластов, композиций на его основе и сверхвысокомолекулярных полиэтиленов различных марок, что сдерживает их эффективность в использовании во многих сферах промышленности. На базе National Material Testing Institute of the Stuttgart University of Technology был проведен ряд натурных экспериментов направленных на определение физико-механических свойств материалов, используемых в Европе в контактных узлах: сверхвысокомолекулярных полиэтиленов PTFE и MSM с добавками сажи и пластификатора . Но широкомасштабных исследований направленных на определение физико-механических и эксплуатационных свойств вязкоупругих сред и сравнительный анализ материалов пригодных к использованию в качестве материала поверхностей скольжения ответственных промышленных конструкций работающих в сложных условиях деформирования в мире и России не проводилось. В связи с этим возникает необходимость в исследование физико-механических, фрикционных и эксплуатационных свойств вязкоупругих сред, построение моделей их поведения и выбора определяющих соотношений.

Таким образом, задачи исследования контактного взаимодействия сложных систем и конструкций, обладающих одной и более поверхностями скольжения, являются актуальной проблемой механики деформируемого твердого тела. К актуальным задачам так же относятся: определение физико-механических, фрикционных и эксплуатационных свойств материалов контактных поверхностей реальных конструкций и численный анализ их деформационных и контактных характеристик; проведение численных исследований, направленных на выявление закономерностей влияния физико-механических и антифрикционных свойств материалов и геометрии контактирующих тел на контактное напряженно-деформированное состояние и на их основе разработка методики прогнозирования поведения элементов конструкций при проектных и не проектных нагрузках. А также актуально исследование влияния физико-механических, фрикционных и эксплуатационных свойств материалов, вступающих в контактное взаимодействие. Практическая реализация таких задач возможна только численными методами, ориентированными на технологии параллельных вычислений, с привлечением современной многопроцессорной вычислительной техники.

Анализ влияния физико-механических свойств материалов контактных пар на зону контакта в рамках теории упругости при реализации тестовой задачи контактного взаимодействия с известным аналитическим решением

Влияние свойств материалов контактной пары на параметры площадки контактного взаимодействия рассмотрим на примере решения классической задачи контакта о контактном взаимодействии двух соприкасающихся сфер прижатых друг к другу силами P (рис. 2.1.). Рассматривать задачу о взаимодействии сфер будем в рамках теории упругости, аналитическое решение данной задачи рассмотрено А.М. Кац в .

Рис. 2.1. Схема контакта

В рамках решения задачи объяснено, что согласна теории Герца контактное давление находиться по формуле (1):

, (2.1)

где – радиус площадки контакта, – координата площадки контакта, – максимальное контактное давление на площадке.

В результате математических выкладок в рамках механики контактного взаимодействия найдены формулы для определения и , представленные в (2.2) и (2.3) соответственно:

, (2.2)

, (2.3)

где и – радиусы контактирующих сфер, , и , – коэффициенты Пуассона и модули упругости контактирующих сфер соответственно.

Можно заметить, что в формулах (2-3) коэффициент отвечающий за механические свойства контактной пары материалов имеет одинаковый вид таким образом, обозначим его , в таком случае формулы (2.2-2.3) имеют вид (2.4-2.5):

, (2.4)

. (2.5)

Рассмотрим влияние свойств материалов контактирующих в конструкции на параметры контакта. Рассмотрим в рамках задачи о контактировании двух соприкасающихся сфер следующие контактные пары материала: Сталь – Фторопласт; Сталь – Композиционные антифрикционный материал с сферическим бронзовыми включениями (МАК); Сталь – Модифицированный фторопласт. Такой выбор контактных пар материалов обусловлен дальнейшими исследованиями их работы с сферических опорных частях. Механические свойства материалов контактных пар представлены в таблице 2.1.

Таблица 2.1.

Свойства материалов контактирующих сфер

№ п/п	Материал 1 сферы	Материал 2 сферы
	Сталь	Фторопласт
, Н/м 2		, Н/м 2
2E+11	0,3	5,45E+08	0,466
	Сталь	МАК
, Н/м 2		, Н/м 2
2E+11	0,3		0,4388
	Сталь	Модифицированный фторопласт
, Н/м 2		, Н/м 2
2E+11	0,3		0,46

Таким образом, для этих трех контактных пар можно найти коэффициент контактной пары, максимальный радиус площадки контакта и максимальное контактное давление, которые представлены в таблице 2.2. В таблице 2.2. вычислены параметры контакта при условии действия на сферы с единичными радиусами ( , м и , м) сдавливающих сил , Н.

Таблица 2.2.

Параметры зоны контакта

Рис. 2.2. Параметры контактной площадки:

а) , м 2 /Н; б) , м; в) , Н/м 2

На рис. 2.2. представлено сравнение параметров зоны контакта для трех контактных пар материалов сфер. Можно заметить, что чистый фторопласт обладает меньшим, по сравнению с 2-я другими материалами, значением максимального контактного давления, при этом радиус зоны контакта у него наибольший. Параметры зоны контакта у модифицированного фторопласта и МАК отличаются не значительно.

Рассмотрим влияние радиусов контактирующих сфер на параметры зоны контакта. При этом стоит заметить, что зависимость параметров контакта от радиусов сфер одинаковая в формулах (4)-(5), т.е. они входят в формулы однотипно, поэтому чтобы исследовать влияние радиусов контактирующих сфер достаточно изменять радиус одной сферы. Таким образом будем рассматривать увеличение радиуса 2-ой сферы при постоянном значении радиуса 1 сферы (см. таблица 2.3).

Таблица 2.3.

Радиусы контактирующих сфер

№ п/п	, м	, м

Таблица 2.4

Параметры контактной зоны для разных радиусов контактирующих сфер

№ п/п	Сталь-Фоторпласт	Сталь-МАК	Сталь-Мод-ый фторопласт
, м	, Н/м 2	, м	, Н/м 2	, м	, Н/м 2
	0,000815	719701,5	0,000707	954879,5	0,000701	972788,7477
	0,000896	594100,5	0,000778	788235,7	0,000771	803019,4184
	0,000953		0,000827	698021,2	0,000819	711112,8885
	0,000975	502454,7	0,000846	666642,7	0,000838	679145,8759
	0,000987	490419,1	0,000857	650674,2	0,000849	662877,9247
	0,000994	483126,5	0,000863	640998,5	0,000855	653020,7752
	0,000999		0,000867	634507,3	0,000859	646407,8356
	0,001003		0,000871	629850,4	0,000863	641663,5312
	0,001006		0,000873	626346,3	0,000865	638093,7642
	0,001008	470023,7	0,000875	623614,2	0,000867	635310,3617

Зависимости от параметров зоны контакта (максимального радиуса контактной зоны и максимальное контактное давление) представлены на рис. 2.3.

Исходя из данных представленных на рис. 2.3. можно сделать вывод, что при увеличении радиуса одной из контактирующих сфер как максимальный радиус зоны контакта, так и максимальное контактное давление выходит на асимптоту. При этом, как и ожидалось, закон распределения максимального радиуса зоны контакта и максимального контактного давления для трех рассматриваемых пар контактирующих материалов одинаковые: по мере увеличения увеличивается максимальный радиус зоны контакта, а максимальное контактное давление уменьшается.

Для более наглядного сравнению влияния свойств контактирующих материалов на параметры контакта отстроим на одном графике максимальный радиус для трех исследуемых контактных пар и аналогично максимальное контактное давление (рис. 2.4.).

Исходя из данных, показанных на рисунке 4, заметно малое отличие контактных параметров у МАК и модифицированного фторопласта, при этом у чистого фторопласта при значительном меньших величинах контактного давления радиус площадки контакта больше, чем у двух других материалов.

Рассмотрим распределение контактного давления для трех контактных пар материалов при увеличении . Распределение контактного давления показано по радиусу контактной площадке (рис. 2.5.).

Рис. 2.5. Распределение контактного давления по радиуса контакта :

а) Сталь-Фторопласт; б) Сталь-МАК;

в) Сталь-Модифицированный фторопласт

Далее рассмотрим зависимость максимального радиуса площадки контакта и максимального контактного давления от сближающих сферы сил . Рассмотрим действие на сферы с единичными радиусами ( , м и , м) сил : 1 Н, 10 Н, 100 Н, 1000 Н, 10000 Н, 100000 Н, 1000000 Н. Полученные в результате исследования параметры контактного взаимодействия представлены в таблице 2.5.

Таблица 2.5.

Параметры контакта при увеличении

P, Н	Сталь-Фоторпласт	Сталь-МАК	Сталь-Мод-ый фторопласт
, м	, Н/м 2	, м	, Н/м 2	, м	, Н/м 2
	0,0008145	719701,5	0,000707	954879,5287	0,000700586	972788,7477
	0,0017548		0,001523	2057225,581	0,001509367	2095809,824
	0,0037806		0,003282	4432158,158	0,003251832	4515285,389
	0,0081450		0,007071	9548795,287	0,00700586	9727887,477
	0,0175480		0,015235	20572255,81	0,015093667	20958098,24
	0,0378060		0,032822	44321581,58	0,032518319	45152853,89
	0,0814506		0,070713	95487952,87	0,070058595	97278874,77

Зависимости параметров контакта представлены на рис. 2.6.

Рис. 2.6. Зависимости параметров контакта от

для трех контактных пар материалов: а) , м; б) , Н/м 2

Для трех контактных пар материалов при росте сил сдавливания происходит рост, как максимального радиуса площади контакта, так и максимального контактного давления рис. 2.6. При этом аналогично ранее полученным результатом у чистого фторопласта при меньшем контактном давлении площадка контакта большего радиуса.

Аналогично ранее полученным результатам при увеличении сближающих сил происходит увеличение, как радиуса площадки контакта, так и контактного давления, при этом характер распределения контактного давления одинаковый у всех вариантов расчетов.

Выполним реализацию задачи в программном комплексе ANSYS. При создании конечно-элементной сетки использовался тип элементов PLANE182. Данный тип является четырех узловым элементом и имеет второй порядок аппроксимации. Элемент применяется для двумерного моделирования тел. Каждый узел элемента имеет по две степени свободы UX и UY. Также данный элемент применяется для расчета задач: осесимметричных, с плоским деформированным состоянием и с плоским напряженным состоянием.

В исследуемых классических задачах использовался тип контактной пары: «поверхность - поверхность». Одну из поверхностей назначают целевой (TARGET ), а другую контактной (CONTA ). Так как рассматривается двумерная задача, то используются конечные элементы TARGET169 и CONTA171.

Задача реализуется в осесиммеричной постановке с использованием контактных элементов без учета трения по сопрягаемым поверхностям. Расчетная схема задачи показана на рис. 2.8.

Рис. 2.8. Расчетная схема контакта сфер

Математическая постановка задач о сдавливании двух соприкасающихся сфер (рис.2.8.) реализуется в рамках теории упругости и включает в себя:

уравнения равновесия

геометрические соотношения

, (2.7)

физические соотношения

, (2.8)

где и – параметры Ламе, – тензор напряжений, – тензор деформаций, – вектор перемещений, – радиус-вектор произвольной точки, – первый инвариант тензора деформаций, – единичный тензор, – область, занятая сферой 1, – область, занятая сферой 2, .

Математическая постановка (2.6)-(2.8) дополняется граничными условиями и условиями симметрии на поверхностях и . На сферу 1 действует сила

на сферу 2 действует сила

. (2.10)

Система уравнений (2.6) – (2.10), так же дополняется условиями взаимодействия на поверхности контакта , при этом на контактируют два тела, условные номера которых 1 и 2. Рассмотрены следующие типы контактного взаимодействия:

– проскальзывание с трением: для трения покоя

, , , , (2.8)

при этом , ,

– для трения скольжения

, , , , , , (2.9)

при этом , ,

– отлипание

, , (2.10)

– полное сцепление

, , , , (2.11)

где – коэффициент трения, – условные обозначения координатных осей, лежащих в плоскости, касательной к поверхности контакта, – перемещения по нормали к соответствующей контактной границе, – перемещения в касательной плоскости, – напряжение по нормали к контактной границе, – касательные напряжения на контактной границе, – величина вектора касательных контактных напряжений.

Численная реализация решения задачи о контактировании сфер будет реализовываться на примере контактной пары материалов Сталь-Фторопласт, при этом сжимающие силы Н. Такой выбор нагрузки обусловлен тем, что для более маленькой нагрузки необходимо более мелкая разбивка модели га конечные элементы, что проблематично сделать в связи с ограниченным ресурсом вычислительной техники.

При численной реализации задачи о контакте одной из первостепенных задач является оценка сходимости конечно-элементного решения задачи по параметрам контакта параметры контакта. Ниже приведена таблица 2.6. в которой представлены характеристики конечно-элементных моделей, участвующих в оценки сходимости численного решения варианта разбиения.

Таблица 2.6.

Количество узловых неизвестных при различных размерах элементов в задаче о контактировании сфер

На рис. 2.9. представлена сходимость численного решения задачи о контактировании сфер.

Рис. 2.9. Сходимость численного решения

Можно заметить сходимость численного решения, при этом распределение контактного давления модели с 144 тыс. узловых неизвестных имеет не значительные количественное и качественное отличия от модели с 540 тыс. узловых неизвестны. При этом время счета программы отличается в несколько раз, что является значительным фактором при численном исследовании.

На рис. 2.10. показано сравнение численного и аналитического решения задачи о контаткировании сфер. Аналитическое решение задачи сравнивается с численным решением модели с 540 тыс. узловых неизвестных.

Рис. 2.10. Сравнение аналитического и численного решений

Можно отметить, что численное решение задачи имеет малые количественные и качественные отличия от аналитического решения.

Аналогичные результаты о сходимости численного решения получены и для двух оставшихся контактных пар материалов.

При этом в Институте механики сплошных сред УрО РАН д.ф.-м.н. А.А.Адамовым выполнен цикл экспериментальных исследований деформационных характеристик антифрикционных полимерных материалов контактных пар при сложных многоступенчатых историях деформирования с разгрузками . Цикл экспериментальных исследований включал (рис. 2.11.): испытания по определению твердости материалов по Бринелю; исследования в условиях свободного сжатия, а также стесненного сжатия путем прессования в специальном приспособлении с жесткой стальной обоймой цилиндрических образцов диаметром и длинной 20 мм . Все испытания проводились на испытательной машине Zwick Z100SN5A при уровнях деформаций, не превышающих 10%.

Испытания по определению твердости материалов по Бринелю происходили путем вдавливания шарика диаметром 5 мм (рис. 2.11., а). В эксперименте, после установки образца на подложку к шарику, прикладывается предварительная нагрузка 9.8 Н, выдерживающаяся в течение 30 сек. Далее со скоростью перемещения траверсы машины 5 мм/мин шарик внедряется в образец до достижения нагрузки 132 Н, которая поддерживается постоянной в течение 30 сек. Затем происходит разгрузка до 9.8 Н. Результаты эксперимента по определению твердости ранее упомянутых материалов представлены в таблице 2.7.

Таблице 2.7.

Твердость материалов

Цилиндрические образцы с диаметром и высотой равными 20 мм исследовались в условиях свободного сжатия. Для реализации однородного напряженного состояния в коротком цилиндрическом образце на каждом торце образца использованы трехслойные прокладки из фторопластовой пленки толщиной 0.05 мм, смазанные низковязкой консистентной смазкой. В этих условиях сжатие образца происходит без заметного “бочкообразования” при деформациях до 10%. Результаты экспериментов на свободное сжатие приведены в таблице 2.8.

Результаты экспериментов на свободное сжатие

Исследования в условиях стесненного сжатия (рис. 2.11., в) проведены путем прессования цилиндрических образцов диаметром 20 мм, высотой порядка 20 мм в специальном приспособлении с жесткой стальной обоймой при допустимых предельных давлениях 100-160 МПа. В ручном режиме управления машиной осуществляется нагружение образца предварительной малой нагрузкой (~ 300 Н, осевое напряжение сжатия ~ 1 МПа) для выбора всех зазоров и выдавливания излишков смазки. После этого образец выдерживается в течение 5 мин для затухания релаксационных процессов, затем начинается отработка заданной программы нагружения образца.

Полученные экспериментальные данные по нелинейному поведению композиционных полимерных материалов трудно сравнивать количественно. В таблице 2.9. приведены значения касательного модуля М = σ/ε, отражающего жесткость образца в условиях одноосного деформированного состояния.

Жесткость образцов в условиях одноосного деформированного состояния

Из результатов испытаний так же получены механические характеристики материалов: модуль упругости , коэффициент Пуассона , диаграммы деформирования

0,000 0,000 -0,000 1154,29 -0,353 -1,923 1226,43 -0,381 -2,039 1298,58 -0,410 -2,156 1370,72 -0,442 -2,268 2405,21 -0,889 -3,713 3439,70 -1,353 -4,856 4474,19 -1,844 -5,540 5508,67 -2,343 -6,044 6543,16 -2,839 -6,579 7577,65 -3,342 -7,026 8612,14 -3,854 -7,335 9646,63 -4,366 -7,643 10681,10 -4,873 -8,002 11715,60 -5,382 -8,330 12750,10 -5,893 -8,612 13784,60 -6,403 -8,909 14819,10 -6,914 -9,230 15853,60 -7,428 -9,550 16888,00 -7,944 -9,865 17922,50 -8,457 -10,184 18957,00 -8,968 -10,508 19991,50 -9,480 -10,838 21026,00 -10,000 -11,202

Таблица 2.11

Деформация и напряжения в образцах из антифрикционного композиционного материала на основе фторопласта со сферическими бронзовыми включениями и дисульфидом молибдена

Номер	Время, сек	Удлинение, %	Напряжение усл, МПа
		0,00000	-0,00000
	1635,11	-0,31227	-2,16253
	1827,48	-0,38662	-2,58184
	2196,16	-0,52085	-3,36773
	2933,53	-0,82795	-4,76765
	3302,22	-0,99382	-5,33360
	3670,9	-1,15454	-5,81052
	5145,64	-1,81404	-7,30133
	6251,69	-2,34198	-8,14546
	7357,74	-2,85602	-8,83885
	8463,8	-3,40079	-9,48010
	9534,46	-3,90639	-9,97794
	10236,4	-4,24407	-10,30620
	11640,4	-4,92714	-10,90800
	12342,4	-5,25837	-11,18910
	13746,3	-5,93792	-11,72070
	14448,3	-6,27978	-11,98170
	15852,2	-6,95428	-12,48420
	16554,2	-7,29775	-12,71790
	17958,2	-7,98342	-13,21760
	18660,1	-8,32579	-13,45170
	20064,1	-9,01111	-13,90540
	20766,1	-9,35328	-14,15230
		-9,69558	-14,39620
		-10,03990	-14,57500

Деформация и напряжения в образцах из модифицированного фторопласта

Номер	Время, сек	Деформация осевая, %	Напряжение условное, МПа
	0,0	0,000	-0,000
	1093,58	-0,32197	-2,78125
	1157,91	-0,34521	-2,97914
	1222,24	-0,36933	-3,17885
	2306,41	-0,77311	-6,54110
	3390,58	-1,20638	-9,49141
	4474,75	-1,68384	-11,76510
	5558,93	-2,17636	-13,53510
	6643,10	-2,66344	-14,99470
	7727,27	-3,16181	-16,20210
	8811,44	-3,67859	-17,20450
	9895,61	-4,19627	-18,06060
	10979,80	-4,70854	-18,81330
	12064,00	-5,22640	-19,48280
	13148,10	-5,75156	-20,08840
	14232,30	-6,27556	-20,64990
	15316,50	-6,79834	-21,18110
	16400,60	-7,32620	-21,69070
	17484,80	-7,85857	-22,18240
	18569,00	-8,39097	-22,65720
	19653,20	-8,92244	-23,12190
	20737,30	-9,45557	-23,58330
	21821,50	-10,00390	-24,03330

По данным, представленным в таблицах 2.10.-2.12. построены диаграммы деформирования (рис. 2.2).

По результатам эксперимента можно предположить, что описание поведения материалов возможно в рамках деформационной теории пластичности. На тестовых задачах влияние упругопластических свойств материалов не проверялось в виду отсутствия аналитического решения.

Исследование влияния физико-механических свойств материалов при работе в качестве материала контактной пары рассмотрено в главе 3 на реальной конструкции сферической опорной части.

На заседании научного семинара «Современные проблемы математики и механики» 24 ноября 2017 года состоится доклад Александра Вениаминовича Конюхова (Dr. habil. PD KIT, Prof. KNRTU, Karlsruhe Institute of Technology, Institute of Mechanics, Germany)

Геометрически точная теория контактного взаимодействия как фундаментальная основа вычислительной контактной механики

Начало в 13:00, аудитория 1624.

Аннотация

Основная тактика изогеометрического анализа это прямое вложение моделей механики при полном описании геометрического объекта с целью формулировки эффективной вычислительной стратегии. Такие преимущества изогеометрического анализа как полное описание геометрии объекта при формулировании алгоритмов вычислительной контактной механики могут быть полностью выражены, только если кинематика контактного взаимодействия полностью описана для всех геометрически возможных контактных пар. Контакт тел с геометрической точки зрения может быть рассмотрен как взаимодействие деформируемых поверхностей произвольной геометрии и гладкости. При этом различные условия гладкости поверхности приводят к рассмотрению взаимного контакта между гранями, ребрами и вершинами поверхности. Следовательно, все контактные пары могут быть иерархически классифицированы следующим образом: поверхность-в-поверхность, кривая-в-поверхность, точка-в-поверхность, кривая-в-кривую, точка-в-кривую, точка-в-точку. Кратчайшее расстояние между этими объектами является естественной мерой контакта и приводит к задаче о Проекции Ближайшей Точки (ПБТ, англ. Closest Point Projection, CPP).

Первой основной задачей при построении геометрически точной теории контактного взаимодействия является рассмотрение условий существования и единственности решения задачи ПБТ. Это приводит к ряду теорем, которые позволяют построить как трехмерные геометрические области существования и единственности проекции для каждого объекта (поверхность, кривая, точка) в соответствующей контактной паре, так и механизм перехода между контактными парами. Эти области строятся при рассмотрении дифференциальной геометрии объекта, в метрике криволинейной системы координат ему соответствующей: в Гауссовой (Gauß) системе координат для поверхности, в системе координат Френе-Серре (Frenet-Serret) для кривых, в системе координат Дарбу (Darboux) для кривых на поверхности, и используя координаты Эйлера (Euler), а также кватернионы для описания конечных поворотов вокруг объекта - точки.

Второй основной задачей является рассмотрение кинематики контактного взаимодействия с точки зрения наблюдателя в соответствующей системе координат. Это позволяет определить не только стандартную меру нормального контакта как «проникновение» (penetration), но и геометрически точные меры относительного контактного взаимодействия: касательного скольжения по поверхности, скольжения по отдельно взятым кривым, относительного поворота кривой (кручения), скольжения кривой по собственной касательной и по касательной нормали («протаскивание») при движении кривой по поверхности. На данном этапе, с помощью аппарата ковариантного дифференцирования в соответствующей криволинейной системе координат,
осуществляется подготовка к вариационной формулировке задачи, а также к линеаризации, необходимой для последующего глобального численного решения, например, для итерационного метода Ньютона (Newton nonlinear solver). Линеаризация при этом понимается, как Гато (Gateaux) дифференцирование в ковариантной форме в криволинейной системе координат. В ряде сложных случаев, исходящих из множества решений задачи ПБТ, как например, в случае «параллельных кривых», необходимо построение дополнительных механических моделей (3D континуальная модель криволинейного каната «Solid Beam Finite Element»), совместимых с соответствующим контактным алгоритмом «Curve To Solid Beam contact algorithm». Важным этапом для описания контактного взаимодействия является формулировка в ковариантной форме наиболее общего произвольного закона взаимодействия между геометрическими объектами, выходящими далеко за рамки стандартного закона трения Кулона (Coulomb). При этом используется фундаментальный физический принцип «максимума диссипации», являющийся следствием второго закона термодинамики. Это требует формулировки задачи оптимизации с ограничением в виде неравенств в ковариантной форме. При этом все необходимые операции для выбранного метода численного решения оптимизационной задачи, включая, например, «return-mapping algorithm» и необходимые производные, формулируются также в криволинейной системе координат. Здесь показательным результатом геометрически точной теории является как возможность получать новые аналитические решения в замкнутой форме (обобщение задачи Эйлера 1769г. о трении каната по цилиндру на случай анизотропного трения по поверхности произвольной геометрии ), так и возможность получать в компактной форме обобщения закона трения Кулона, учитывающего анизотропную геометрическую структуру поверхности совместно с анизотропным микро-трением.

Выбор методов решения задачи статики или динамики при условии удовлетворения законов контактного взаимодействия остается обширным. Это различные модификации итерационного метода Ньютона для глобальной задачи и методы удовлетворения ограничений на локальном и глобальном уровнях: штрафа (penalty), Лагранжа (Lagrange), Нитше (Nitsche), Мортар (Mortar), а также произвольный выбор конечно-разностной схемы для динамической задачи. Основным принципом является только формулировка метода в ковариантной форме без
рассмотрения каких либо аппроксимаций. Тщательное прохождение всех этапов построения теории позволяет получить вычислительный алгоритм в ковариантной «замкнутой» форме для всех типов контактных пар, включающих произвольно выбранный закон контактного взаимодействия. Выбор типа аппроксимаций осуществляется только на окончательном этапе решения. При этом выбор окончательной реализации вычислительного алгоритма остается очень обширным: стандартный метод конечных элементов (Finite Element Method), конечные элементы высокого порядка (High Order Finite Element), изогеометрический анализ (Isogeoemtric Analysis), «метод конечных клеток» (Finite Cell Method), «погруженные»