Введение к работе
Актуальность. Отсутствие государственных и отраслевых нормативных документов, регламентирующих проектные расчеты прочности и ресурса деталей пневмоударников, не позволяет получать достоверные оценки и обеспечивать требуемые значения прочности и ресурса для применяемых конструктивных решений деталей. Это приводит их к усталостному разрушению и снижению эффективности эксплуатации пневмоударников.
Детали пневмоударников как объект проектирования и расчета относятся к классу трехмерных тел сложной формы, работающих в условиях импульсного нагружения. Несмотря на многочисленные исследования ударных систем в течение нескольких десятилетий, до настоящего времени не разработаны расчетные схемы и аналитические методы расчета трехмерных тел, близких по форме к конструкциям деталей пневмоударников, позволяющие с требуемой точностью решать комплекс проектных задач расчета и обеспечения их прочности и ресурса.
Проблема заключается в том, что, несмотря на значительный объем накопленных теоретических и экспериментальных результатов об условиях нагружения, работы, причинах выхода из строя деталей пневмоударников, их проектирование остается в значительной степени эмпирическим процессом, не учитывающим сложный нестационарный характер деформирования деталей. Это не позволяет гарантировать на этапе проектирования деталей требуемые показатели их прочности и ресурса в связи с принимаемыми конструктивными решениями, проектными значениями кинематических и энергетических характеристик пневмоударников.
В связи с этим совершенствование методов расчетов деталей пневмоударников, позволяющих обеспечить требуемые значения прочности и ресурса, на базе изучения характера и особенностей их напряженно-деформированного состояния следует признать актуальной научно-технической задачей.
Основанием для выполнения диссертационной работы послужили:
междисциплинарный интеграционный проект фундаментальных исследований СО РАН № ОНЗ - 3.2 «Теоретическое и экспериментальное изучение путей повышения эффективности и экологической безопасности импульсных машин для разрушения горных пород и изменения свойств породного массива» (2006 - 2008 гг.);
междисциплинарный интеграционный проект фундаментальных исследований СО РАН № 31 «Теоретическое и экспериментальное изучение путей повышения эффективности, надежности и долговечности импульсных машин для разрушения горных пород и изменения свойств породного массива» (2009 -2011гг.).
Исследования по указанным проектам выполнялись при непосредственном участии автора. Результаты диссертационной работы в полном объеме использованы при подготовке промежуточных и заключительных отчетов по проектам.
Цель работы состоит в разработке методического подхода к оценке прочности и ресурса деталей пневмоударников на основе исследовании особенностей напряженно-деформированного состояния деталей пневмоударников при импульсном нагружении.
Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решаются следующие основные задачи:
Анализ особенностей конечно-элементного моделирования деформирования деталей пневмоударников при импульсном нагружении.
Исследование напряженно-деформированного состояния деталей пневмоударников в связи с их геометрическими характеристиками.
Оценка прочности и ресурса деталей пневмоударников, содержащих конструктивные концентраторы напряжений.
Разработка предложений по совершенствованию проектных расчетов и конструктивных решений деталей пневмоударников на основе численных оценок их напряженно-деформированного состояния и ресурса.
Методы исследований: расчетные и экспериментальные методы теории упругости и пластичности, метод конечных элементов, метод схематизации нерегулярных процессов изменения нагрузок.
Научная новизна работы:
Разработан методический подход к расчетам и обеспечению прочности и ресурса деталей пневмоударников на стадии проектирования, основанный на оценке и сравнительном анализе показателей прочности и ресурса альтернативных технических решений деталей с конструктивными концентраторами напряжений. Новизна подхода заключается в установлении взаимосвязи между конструктивными формами деталей и оценками их ресурса при ударно-циклическом нагружении, полученными на базе схематизации нестационарного объемного напряженно-деформированного состояния.
Получены результаты численного моделирования нестационарного деформирования деталей пневмоударников, заключающиеся в расчетных осциллограммах напряжений в характерных зонах деталей в течение их соударения и последующего затухания колебаний. Научная новизна заключается в том, что установлены определяющая роль волновых процессов в формировании напряженно-деформированного состояния деталей при продолжительности ударного импульса до 500 мкс и его объемный характер, не описываемый одномерными волновыми моделями удара.
Установлены особенности формирования ударного импульса при соударении деталей, выражающиеся зависимостями максимальных напряжений импульса от предударной скорости бойка и характера распределения массы бойка по его длине, продолжительности импульса от радиуса закругления ударного торца бойка и характера распределения массы бойка по его длине. Научная новизна заключается в том, что эти зависимости получены для ударного импульса, описываемого интенсивностью напряжений, учитывающей все компоненты объемного напряженного состояния.
Достоверность научных результатов обеспечена использованием эксплуатационных данных по разрушениям деталей погружных пневмоударни-ков, экспериментальными исследованиями продольного удара стержней, исследованием и обеспечением сходимости результатов при конечно-элементном моделировании, сопоставлением численных результатов и аналитических решений тестовых задач.
Практическая значимость работы заключается в том, что сформулированы рекомендации по совершенствованию и нормированию проектных расчетов деталей погружных пневмоударников, получены оценки ресурса типовых деталей пневмоударников с учетом их конструктивных особенностей.
Апробация работы. Основные результаты работы представлены на: II и III Всероссийских конференциях «Безопасность и живучесть технических систем» (Красноярск, 2007, 2009); IV и V Евразийских симпозиумах по проблемам прочности материалов и машин для регионов холодного климата (Якутск, 2008, 2010); VII Всероссийской конференции молодых ученых «Проблемы механики: теория, эксперимент и новые технологии» (Новосибирск, 2009); VI Международной конференции «Проблемы механики современных машин» (Улан-Удэ, 2009); IV Российской научной конференции «Ресурс и диагностика материалов и конструкций» (Екатеринбург, 2009); IV Международной конференции «Прочность и разрушение материалов и конструкций» (Оренбург, 2010); научных семинарах Отдела машиноведения Института вычислительного моделирования СО РАН и Отдела безопасности технических систем СКТБ «Наука» КНЦ СО РАН.
Личный вклад автора заключается в постановке и реализации цели и задач исследования, получении оценок параметров напряженно-деформированного состояния, ресурса и ударного импульса для деталей погружных пневмоударников, анализе и обобщении полученных результатов.
Публикации. Основное содержание работы отражено в 14 научных публикациях, 5 из которых - в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК РФ для опубликования результатов диссертационных исследований.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных результатов и выводов, списка литературы, приложений. Основное содержание работы изложено на 172 страницах. Общий объем работы (с приложениями) - 243 страниц. Работа содержит 25 таблиц и 185 рисунков. Список использованной литературы включает в себя 233 наименования.
