Повышение сопротивления усталости коленчатых валов тепловых двигателей Костичев Владислав Эдуардович

Диссертация - 480 руб., доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Автореферат - бесплатно, доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Костичев Владислав Эдуардович. Повышение сопротивления усталости коленчатых валов тепловых двигателей: диссертация ... кандидата Технических наук: 01.02.06 / Костичев Владислав Эдуардович;[Место защиты: ФГАОУ ВО Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королева], 2017.- 192 с.

Содержание к диссертации

Введение

1. Обзор литературы по теме диссертации и постановка задач исследования 12

1.1. Остаточные напряжения и их роль в сопротивлении усталости .12

1.2. Методы определения остаточных напряжений .13

1.3. Влияние технологических остаточных напряжений на сопротивление усталости 20

1.4. Прогнозирование сопротивления усталости коленчатого вала 31

1.5. Выводы и задачи исследования 37

2. Математическая модель расчёта напряжённо деформированного состояния деталей тепловых двигателей с учётом совместного действиятехнологических факторов и различных CLASS видовэксплуатационных нагруз ок 40 CLASS

2.1. Динамическое моделирование методом конечных элементов 40

2.2. Комплексная методика анализа и оценки динамическим моделированием напряжённо-деформированного состояния коленчатого вала

2.2.1. Методика расчёта напряжённо-деформированного состояния деталей, упрочнённых различными методами поверхностного пластического деформирования 49

2.2.2. Методика расчёта напряжённо-деформированного состояния упрочнённых деталей под действием рабочих нагрузок .62

2.2.3. Методика расчёта приращения предела выносливости по критерию среднеинтегральных остаточных напряжений 64

2.3. Оценка достоверности разработанной комплексной методики анализа и оценки напряжённо-деформированного состояния детали .71

2.3.1. Влияние изменений свойств материала по времени на напряжённо-деформированное состояние детали 72

2.3.2. Оценка геометрических параметров детали после упрочнения обкаткой роликом без продольной подачи .79

2.3.3. Влияние параметров конечно-элементной модели на напряжённо-деформированное состояние детали после упрочнения обкаткой роликом с продольной подачей 83

2.3.4. Оценка напряжённо-деформированного состояния детали после дробеструйной обработки 87

2.3.5. Оценка напряжённо-деформированного состояния детали после алмазного выглаживания 91

2.4. Выводы по разделу .95

3. Оценка достоверности разработанной комплексной методики в производственных условиях .97

3.1. Анализ разрушения коленчатых валов 97

3.2. Влияние упрочняющей обработки на напряжённо-деформированного состояния детали коленчатого вала ЯМЗ-238 в условиях эксплуатации

3.2.1. Характеристики материала, оборудование и режимы упрочнения галтелей .103

3.2.2. Моделирование упрочняющей обработки в среде ANSYS/LS-DYNA .107

3.2.3. Моделирование рабочего цикла детали с учётом упрочняющей обработки 111

3.2.4. Оптимизация упрочняющей обработки 121

3.2.4.1. Влияние протяжённости упрочняемого участка коленчатого вала на остаточные напряжения в поверхностном слое 121

3.3. Выводы по разделу .129

4. Повышение сопротивления усталости коленчатого вала теплового двигателя 130

4.1. Испытания коленчатого вала ЯМЗ-238 на усталость 130

4.2. Прогнозирование сопротивления усталости деталей

4.2.1. Прогнозирование сопротивления усталости цилиндрических деталей 133

4.2.2. Прогнозирование сопротивления усталости коленчатого вала ЯМЗ-238 134

4.3. Выводы по разделу .137

5. Оценка технологических остаточных деформаций коленчатого вала после упрочнения 139

5.1. Методика оценки влияния остаточных напряжений после упрочнения на технологические остаточные деформации деталей тепловых двигателей 139

5.2. Выводы по разделу .146

6. Заключение .148

Список литературы

Прогнозирование сопротивления усталости коленчатого вала
Методика расчёта напряжённо-деформированного состояния деталей, упрочнённых различными методами поверхностного пластического деформирования
Влияние упрочняющей обработки на напряжённо-деформированного состояния детали коленчатого вала ЯМЗ-238 в условиях эксплуатации
Методика оценки влияния остаточных напряжений после упрочнения на технологические остаточные деформации деталей тепловых двигателей

Введение к работе

Актуальность работы. Одной из основных тенденций развития
машиностроения в настоящее время является повышение эксплуатационных
характеристик и ресурса элементов машин путём оптимизации конструктивных
параметров. Основным направлением оптимизации является

совершенствование технологии изготовления деталей, позволяющей повысить надёжность и долговечность наиболее ответственных узлов машин, к которым, в частности, относятся и двигатели внутреннего сгорания. Обеспечение указанных показателей осуществляется путём применения различных методов упрочняющей обработки.

Применение упрочняющей обработки позволяет значительно повысить предел выносливости деталей, за счёт формирования благоприятных сжимающих остаточных напряжений в поверхностном слое деталей.

В настоящее время существует множество различных экспериментальных, аналитических и расчётных методов и методик по исследованию влияния остаточных напряжений на сопротивление усталости деталей. С учётом постоянного роста требований к расчёту деталей машин на прочность, допущения и упрощения, общепринятые ещё несколько лет назад, в настоящее время являются причиной появления существенной погрешности при оптимизации конструкции или назначении режимов упрочняющей обработки.

С развитием информационных технологий появилась возможность существенно снизить трудоёмкость решения некоторых задач, связанных с повышением сопротивления усталости деталей, однако потенциал расчётных методов исследования механики образования остаточных напряжений не раскрыт в полной степени и, нередко, для подтверждения результатов расчёта требуется проведение целого комплекса экспериментов.

Минимизация экспериментальных данных, увеличение расчётных методов для оценки влияния упрочняющей обработки на повышение сопротивления усталости деталей машин и, в частности, коленчатых валов тепловых двигателей является актуальной научно-технической и производственной задачей в настоящее время.

Степень разработанности темы диссертации.

На основе обзора методов оценки сопротивления усталости, применяемых на практике, установлено, что определение приращения предела выносливости по критерию среднеинтегральных остаточных напряжений является теоретически обоснованным и практически подтверждённым многочисленными экспериментами методом. Однако данный метод требует экспериментального определения остаточных напряжений по толщине поверхностного слоя детали.

Требуют совершенствования и методы исследования напряжённо-деформированного состояния, имеющие ряд преимуществ, основным из которых является максимальное приближение модели к реальной конструкции.

В ряде работ, представляющих расчётные методы оценки остаточных напряжений, такие попытки были предприняты, но без учёта всего комплекса условий, приближающих расчётную модель к реальной конструкции, таких как: изменение свойств материала в процессе упрочнения, технологических факторов, эксплуатационных нагрузок, их изменения в зависимости от времени.

Влияние остаточных напряжений на сопротивление усталости представлено в работах Биргера И.А., Гликмана Л.А., Давиденкова Н.Н., Иванова С.И., Кравченко Б.А., Кудрявцева И.В., Одинга И.А., Папшева Д.Д., Туровского М.Л., Школьника Л.М., Подзея А.В., Абрамова В.В., Головина Г.Ф., Борздыка А.М., Гецова Л.Б., а также зарубежных учёных Алмена И., Бюлера Г., Дои О., Закса Г., Тума А., Макклинтока Ф., Аргона А. и других.

В большинстве работ оценка сопротивления усталости коленчатых валов производится на основе анализа напряжённо-деформированного состояния, полученного методом конечных элементов в статической постановке. Основным недостатком данных подходов является отсутствие учёта влияния упрочняющей обработки или постановка задачи с рядом допущений, приводящих к появлению значительных погрешностей.

Предприняты попытки оценки влияния остаточных напряжений, возникающих после упрочнения коленчатого вала методами поверхностного пластического деформирования, однако недостаточно исследован вопрос анализа и оценки напряжённо-деформированного состояния коленчатого вала под действием рабочих нагрузок с учётом упрочняющей обработки.

Цель работы. Повышение сопротивления усталости коленчатых валов тепловых двигателей путём разработки и внедрения комплексной методики анализа и оценки динамическим моделированием напряжённо-деформированного состояния, учитывающей совместное действие технологических факторов, а также различные виды эксплуатационных нагрузок.

Задачи исследования:

разработать комплексную методику анализа и оценки динамическим моделированием напряжённо-деформированного состояния, учитывающую совместное действие технологических факторов, различных видов эксплуатационных нагрузок и упрочняющей обработки;

исследовать напряжённо-деформированное состояние коленчатого вала после упрочнения методом обкатки роликом с учётом совместного действия технологических факторов и различных видов эксплуатационных нагрузок;

используя разработанную комплексную методику анализа и оценки напряжённо-деформированного состояния, исследовать характер распределения остаточных напряжений в концентраторах напряжений и оценить их влияние на сопротивление усталости коленчатого вала;

исследовать возможность повышения сопротивления усталости коленчатого вала в условиях существующего производства;

- разработать методику контроля изменения начальных конструктивных размеров вала и определения величины технологических деформаций в результате упрочнения поверхности вала.

Научная новизна.

Впервые с помощью средств расчётной системы ANSYS/LS-DYNA разработана комплексная методика анализа и оценки напряжённо-деформированного состояния коленчатых валов тепловых двигателей, учитывающая совместное действие технологических факторов, различных видов эксплуатационных нагрузок и позволяющая проводить расчёт приращения предела выносливости по критерию среднеинтегральных остаточных напряжений.
Установлена связь между пределом выносливости и остаточными напряжениями в галтельных переходах к цилиндрической части шейки коленчатого вала.
Разработана методика анализа влияния различных режимов упрочнения на изменение первоначальных конструктивных размеров коленчатого вала.

Теоретическая значимость работы заключается в том, что:

доказаны повышение точности и достоверности оценок сопротивления усталости коленчатого вала при учёте совместного действия технологических факторов и различных видов эксплуатационных нагрузок.

разработанный комплекс методик и приёмов оценки напряжённо-деформированного состояния коленчатых валов позволяет расширить границы применения методов вычислительной прочности.

Практическая значимость работы

Разработанная в диссертации комплексная методика оценки динамическим моделированием напряжённо-деформированного состояния коленчатых валов тепловых двигателей позволяет минимизировать объём экспериментальных исследований при оптимизации параметров упрочняющей обработки методами поверхностно-пластического деформирования.

Методы исследований.

Работа выполнена на основе классических методов теории упругости, теории пластичности и ползучести, механики деформируемого твёрдого тела. Расчёты НДС реализованы с использованием метода конечных элементов в среде программного комплекса ANSYS/LS-DYNA. Обработка результатов экспериментов осуществлялась с применением статистических методов и компьютерной техники.

Положения, выносимые на защиту.

1. Комплексная методика анализа и оценки напряжённо-деформированного состояния коленчатого вала, включающая в себя: - методику расчёта напряжённо-деформированного состояния деталей, упрочнённых различными методами поверхностного пластического деформирования;

методику расчёта напряжённо-деформированного состояния деталей под действием рабочих нагрузок;

методику расчёта приращения предела выносливости по критерию среднеинтегральных остаточных напряжений.

Результаты исследования остаточных напряжений в образцах и деталях с концентраторами напряжений с использованием разработанных методик.
Оценка влияния остаточных напряжений на предел выносливости коленчатого вала теплового двигателя.
Методика оценки влияния остаточных напряжений после упрочнения на технологические остаточные деформации деталей тепловых двигателей.
Рекомендации о путях использования результатов диссертации в практике назначения оптимальных способов и режимов упрочнения коленчатых валов тепловых двигателей.

Степень достоверности и апробации результатов обусловлена корректностью постановки задач исследования, использованием апробированных аналитических и численных методов анализа и расчёта, проведением расчётов на современной вычислительной технике, корректным заданием исходных данных, а также совпадением теоретических расчётов с экспериментальными результатами, полученными в диссертации, а также результатами других авторов.

Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы позволили произвести оптимизацию упрочняющей обработки коленчатого вала двигателя ЯМЗ-238 на ПАО «Автодизель» (г. Ярославль).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 20 работ, из них 4 в периодических научных журналах и изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, содержит 192 страницы текста, 72 рисунка, 25 таблиц, 2 приложения и список литературы из 188 наименований.

Прогнозирование сопротивления усталости коленчатого вала

В большинстве случаев методы определения остаточных напряжений можно разделить на расчётные (аналитические, численные) и экспериментальные (разрушающие и неразрушающие). В основе разрушающих методов лежит постепенное высвобождение (путём механической разрезки или расссверливания) с одновременным контролем изменения внутренних напряжений тензометрированием [30]. Среди неразрушающих следует отметить рентгеновский [29,178] метод как наиболее распространённый, основанный на рассеянии монохроматических рентгеновских лучей при прохождении их через кристаллическую решетку регулярного строения. Этот метод имеет ряд недостатков, наиболее существенными из которых является малая глубина проникновения рентгеновских лучей в металл (5-20 мкм), а также сравнительно невысокая точность метода (по некоторым оценкам, ± 20-35 МПа). Кроме того, рентгеновский метод позволяет проводить оценку напряжений только в материалах, имеющих мелкозернистую структуру.

Кроме рентгеновского на практике используются ультразвуковой, поляризационно-оптический, магнитный, радиополяризационный, акустический [66,107], голографический [5], физико-химический, фотоупругих покрытий, электросопротивления, электростатический [6] и др. методы.

Перечисленные методы хороши как контрольные при проверке качества изделий и стабильности технологического процесса. Однако невозможность получения достаточно точного распределения напряжений по толщине детали не позволяет использовать эти методы для анализа влияния остаточных напряжений на сопротивление усталости.

Технологии определения остаточных напряжений разрушающими методами достаточно широко распространены и отработаны, в связи с чем используются для подтверждения научных гипотез, новых аналитических, расчётных и даже экспериментальных методов определения остаточных напряжений. Особый вклад в развитие разрушающих методов определения остаточных напряжений внесли Давиденков Н.Н. [36,38], Биргер И.А. [14,15], Закс Г., чьи работы по определению остаточных напряжений стали основополагающими для дальнейшего развития экспериментальных методов. Ивановым С.И. на основе фундаментальных трудов механики остаточных напряжений предложены методы [2,11,50,52-57], которые используются в настоящее время и применяются при определении остаточных напряжений на практике.

На практике доказано, что причиной разрушения деталей является рост и развитие усталостных микротрещин, возникающих в области концентрации напряжений под действием рабочих нагрузок, поэтому наиболее актуальным является исследование распределения остаточных напряжений в опасных зонах – концентраторах напряжений.

В ряде работ [32,33,144,145,153,156,157,172] используются идеи Н.Н. Давиденкова, предложившего методы исследования остаточных напряжений в деталях сложной формы, основанные на вырезке плоских и криволинейных образцов вблизи концентраторов, удалении слоёв материала с исследуемой поверхности и измерении возникающих при этом деформаций. Основными недостатками этих методов являются отсутствие учёта дополнительных напряжений, возникающих при вырезке образцов из детали, а также возможность использования только для концентраторов больших размеров [14,51].

В работе [44] представлена аналитическая методика определения остаточных напряжений после упрочнения методом дробеструйной обработки. Автором представлен расчёт, позволяющий оценить уровень остаточных напряжений в поверхностном слое, однако не учитывается пластическая составляющая деформации материала и её распределение с учётом временного фактора, что приводит к достаточно высокой погрешности расчётов (до 20%).

В работах [132,133,134] предложен расчётный метод определения компонент остаточных напряжений и пластических деформаций в цилиндрическом образце по экспериментально полученной окружной компоненте остаточных напряжений в упрочнённом слое. Анализ экспериментальных данных и результатов расчётов, выполненных в [132,133,134], показывает, что при изотропном упрочнении эпюры осевой и окружной компонент остаточных напряжений в области упрочнённого слоя для цилиндрических образцов практически совпадают. Построенная на основе этой гипотезы математическая модель согласуется с экспериментальными данными, полученными для некоторых методов упрочнения, таких как обкатка роликом и алмазное выглаживание. Основным недостатком данной работы, несмотря на упрощение экспериментального подхода к определению остаточных напряжений, является необходимость проведения эксперимента с целью определения одной из компонент остаточных напряжений в упрочнённом поверхностном слое.

С развитием современных технологий, а вместе с ними и численных методов, появилась возможность оценки напряжённо-деформированного состояния методом конечных элементов (МКЭ). Применение данного численного метода позволило с наименьшей погрешностью и наибольшей производительностью по отношению к экспериментальным способам определять области концентрации напряжений.

В настоящее время применение МКЭ [49] получило широкое распространение в области определения остаточных напряжений. Основной тенденцией при определении остаточных напряжений МКЭ является минимизация испытаний и повышение точности расчётных методов.

В работе [13] автором рассмотрены особенности процесса формирования напряжённо-деформированного состояния поверхностного слоя при упрочняющей обработке с одновременным нанесением композиционных покрытий. Представлена методика моделирования и расчёта остаточных напряжений при наличии на поверхности тонкого антифрикционного покрытия с использованием МКЭ. Представленная методика реализована путём статического анализа напряжённо-деформированного состояния, однако, для процессов поверхностного пластического деформирования характерно явление наклёпа и других изменений свойств материала, смоделировать которые при статической постановке задачи не представляется возможным. Кроме этого, в указанной работе не представлены результаты испытаний, подтверждающие расчёты МКЭ, а предварительное снижение свойств используемых материалов на 20% может внести существенную погрешность в результаты определения остаточных напряжений.

В работе [159] предлагается алгоритм использования МКЭ для определения дополнительных остаточных напряжений в кольцах со сложной формой сечения после их разрезки. Приведён пример реализации этого алгоритма. Принятые допущения проверены путем моделирования процесса образования в кольцах типичного поля остаточных напряжений.

Моделирование напряжённого состояния в данной работе производится по первоначальным деформациям. Для определения начальных деформаций требуется проведение дополнительных испытаний, особенно для колец типоразмеров, отличных от указанного в работе [159]. В целях упрощения не учитываются изменения свойств материала в процессе упрочнения, что вносит определённую погрешность в результаты расчётов.

Методика расчёта напряжённо-деформированного состояния деталей, упрочнённых различными методами поверхностного пластического деформирования

В работе [24] приведены результаты экспериментальных исследований процесса обкатки роликами стальных деталей. Исследованы эффективность упрочнения стальных деталей с помощью физического моделирования процесса смятия, физико-механические свойства поверхностного слоя и его микроструктура, а также диффузия химических элементов в процессе поверхностного деформирования с помощью микрохиманализа. Аналогично работе [16] результаты имеют хорошую сходимость, но при этом ограничена область применения данного метода, ввиду высокой трудоёмкости и себестоимости.

В работе [47] на основе теории малых упругопластических деформаций и метода конечных элементов с помощью прикладной программы ANSYS создана математическая модель локального нагружения, позволяющая определять напряженное состояние в очаге деформации и остаточные напряжения в упрочнённой детали. Недостатком данной работы является отсутствие учёта временного фактора при расчётах напряжённо-деформированного состояния, что может привести к появлению дополнительной погрешности.

В работе [101] представлена расчетная модель, позволяющая определять методом конечных элементов остаточные напряжения в поверхностном слое при упрочняющей обработке размерным совмещенным обкатыванием. Рассмотрены особенности распределения остаточных напряжений детали по глубине упрочнённого поверхностного слоя после упрочнения. Представлены экспериментально подтверждённые взаимосвязи компонент остаточных напряжений с режимами обработки. Проведено сопоставление полученных результатов с результатами работ других авторов.

Расчёты методом конечных элементов в статической постановке для анализа упрочняющей обработки поверхностным пластическим деформированием, даже с учётом применения упруго-пластической модели материала, не позволяют учесть перераспределение упругой и пластической составляющих деформаций по времени.

В работе [87] представлены результаты определения напряжённого состояния стальных образцов при упрочнении обкаткой роликом. Проведенные испытания по определению напряжённого состояния основаны на анализе металлографических искажений по разработанной программе «Металлография 2.0».

В работе [154] рассмотрена математическая модель процесса упрочнения деталей машин и конструкций поверхностным пластическим деформированием. Разработана компьютерная программа ITFEMCP. Результаты математического моделирования процесса обкатывания вала роликами сопоставлены с экспериментальными данными.

Результаты расчётов, полученные с помощью программных комплексов, описанных в работах [87,154], имеют хорошую сходимость с экспериментальным данными, но при этом применимы лишь для узкой области процессов упрочнения поверхностным пластическим деформированием.

Попытки учёта временного фактора при расчётах напряжённо-деформированного состояния валов при упрочнении методом обкатки роликом предприняты в работах [67,161]. Авторами с помощью программных комплексов «Штамп» и «Deform-3D» получено напряжённо-деформированное состояние вала после обкатки. Полученные эпюры остаточных напряжений согласуются с экспериментальными данными.

На основании представленных в данной главе источников можно сделать вывод об отсутствии универсального метода оценки влияния остаточных напряжений сжатия, формируемых после упрочнения, на растягивающие напряжения, возникающие под действием рабочих нагрузок и сопротивление усталости.

Создание методики, позволяющей учитывать остаточное напряжённо-деформированное состояние после упрочнения при прогнозировании предела выносливости валов, выполнено авторами работ [139,151,162]. В работе [139] с использованием метода конечных элементов выполнено моделирование процесса обкатки роликом кольцевой выточки вала. На основе теории подобия усталостного разрушения оценены пределы выносливости вала по моменту зарождения трещины и окончательному разрушению с учётом остаточных напряжений и условий остановки поверхностной трещины. Установлено соответствие полученных результатов известным экспериментальным данным для образцов с кольцевой выточкой до и после обкатки.

В работах [151,162] с помощью программного комплекса «Deform-3D» получено распределение остаточных напряжений после упрочнения методом обкатки галтелей шатунных шеек роликом в явной постановке, т.е. с учётом временного фактора. Произведена оценка усталостной прочности коленчатого вала с помощью теории подобия усталостного разрушения и по методике Серенсена-Кинасошвили. Произведена оценка погрешности определения коэффициента запаса прочности по рассмотренным методикам.

Расчётные методики оценки запаса прочности коленчатого вала с учётом упрочняющей обработки, выполненные в работах [139,151] имеют широкую область применения и относительно небольшую погрешность, как при определении остаточных напряжений, так и при расчётах коэффициента запаса прочности. Однако данные методики не дают возможности оценить влияние остаточных напряжений сжатия в поверхностном слое на растягивающие напряжения в концентраторах под действием рабочих нагрузок, что может привести к ошибочному определению зон начала зарождения усталостных трещин и, в свою очередь, повлиять на точность производимых расчётов.

Влияние упрочняющей обработки на напряжённо-деформированного состояния детали коленчатого вала ЯМЗ-238 в условиях эксплуатации

В рамках одного шага расчётов целесообразно учитывать не более 80 циклов, т.к. число подшагов расчёта ограничено (100), и для большего числа циклов не позволит вывести результаты каждого цикла в процессе нагружения и разгрузки. Для расчёта напряжённо-деформированного состояния большего числа циклов необходимо использовать опции рестарта (раздел 2.2.1).

По результатам расчётов величина пластических деформаций на последующих циклах нагружения значительно ниже пластических деформаций на первом цикле, что объясняется использованием специальной модели материала, учитывающей наклёп.

Для определения расчётного количества циклов до разрушения по результатам расчёта напряжённо-деформированного состояния использовалось, модифицированное в ЦИАМ, уравнение Мэнсона, которое устанавливает связь между числом циклов N до появления трещины с характеристиками материала и параметрами напряжённо-деформированного состояния детали в расчётном цикле: 0. Ає = In —W + дг 6, (2.28) где для сложного напряжённо-деформированного состояния размах деформации s включает интенсивности размахов упругой и пластической составляющих деформации: 3 , Ає = гАє + Ає , (2.29) 2(1 + ц) Е - модуль упругости материала, // - коэффициент Пуассона, у/ - коэффициент относительного сужения, t - температура, стт - предел длительной прочности, Gm - среднее напряжение цикла нагружения.

В ряде вариантов выражений для тт в диссертации используются интенсивности напряжений при нагружении и разгрузке - Тн и o[р, а также интенсивности размахов напряжений AGI, определяемые выражениями: "i = — л/("и "22 ) 2 + (o-22 - "зЗ ) 2 + ("33 - "l3 ) 2 + 6(Г122 + Г23 + l 1 v2 Acr; = — -\J(AcTj - Acr2 ) 2 + (ACT2 - Acr3 ) 2 + (Acr3 - Ao ) 2 (2.30) (2.31) С помощью формулы (2.28), используя полученные расчётным способом данные напряжений и деформаций на каждом шаге нагружения, определяется расчётное количество циклов нагружения до разрушения.

Результаты расчётов показывают, что наибольшее количество циклов (2790) до разрушения соответствует 10-му циклу нагружения образца, а данные 1-го цикла обеспечивают лишь 2691 циклов до разрушения (рисунок 2.19, б) Данные статического расчёта, в отличие от динамического моделирования, обеспечивают лишь 2276 циклов до разрушения, что связано с отсутствием перераспределения упругой и пластической составляющих деформации. Количество циклов до разрушения, полученное экспериментальным путём приведено в таблице 2.5.

На основе полученных результатов (таблица 2.5) можно сделать вывод о том, что применение методики динамического моделирования позволяет учитывать изменение свойств материала во времени. Апробация методики на стандартных образцах при испытаниях на растяжение по жёсткому синусоидальному циклу показала, что при прогнозировании количества циклов до разрушения в малоцикловой области с помощью формулы Мэнсона требуется определение напряжённо-деформированного состояния не только первого цикла, но и последующих, где пластическая составляющая имеет усреднённый характер. При статических расчётах для определения расчётного количества циклов до разрушения по формуле 2.28 значение пластической составляющей деформации определяется по первому циклу, т.к. последующие циклы не дают отличных результатов, ввиду отсутствия учёта перераспределения упругой и пластической составляющей деформаций.

Для проверки разработанной методики рассмотрен процесс обкатки цилиндрического образца диаметром 10 мм из стали 45 (рв = 710 МПа, oj = 422 МПа, д = 19,7%, у/ = 41,4%) роликом с профильным радиусом 1,6 мм. За один оборот на цилиндрический образец был нанесён одиночный след упрочняющим роликом без продольной подачи.

Согласно разработанному алгоритму (рисунок 2.1) создаём геометрическую модель образца (валика диаметром 10 мм), а также обкатного ролика и элементов, передающих вращение заготовке.

Так как в процессе обкатки роликом происходит наклёп, то для описания материала валика использовали пластическую модель с кинематическим упрочнением (Plastic kinematic). Для ролика и элементов, передающих вращение, применяли модель материала Rigid, так как. напряжённо-деформированное состояние данных элементов не требует анализа. Для упорядоченного разбиения на конечные элементы и получения достоверных результатов принимали тип конечного элемента – Solid164. Разбиваем на конечные элементы части системы с присвоением каждой своего материала и порядкового номера (part1 – валик, part2 – ролик, part3 – элементы для вращения валика).

Задаём контактные взаимодействия ролика и валика согласно разделу 2.2.1 с учётом коэффициента трения при обкатке. Для валика и элементов вращения контакт не указывается, т.к. с помощью функции «Glue» «склеенные» объёмы валика и элементов вращения считаются условно единым объёмом.

Для описания граничных условий созданы массивы времени процесса, контактного усилия ролика и частоты вращения валика (таблица 2.6). Таблица 2.6 - Массивы для задания граничных условий

Цилиндрический образец вращается со скоростью 20 об/мин. Следовательно, время одного оборота образца составляет 3 секунды. Массив времени при этом представляет собой столбец из 4 значений, учитывающий время выхода на заданную частоту вращения и время остановки вращения. Для исключения ударных воздействий ролика об валик за короткий промежуток времени (0,01 сек) усилие изменяется от 10 Н до 1кН, при этом частота вращения остаётся неизменной. Для учёта релаксации напряжений время расчётов увеличено на 0,1 сек.

Для задания граничных условий связываем массив времени и усилия с роликом, а массив времени и вращения заготовки с соответствующей недеформируемой частью. Ограничения в перемещении и вращении ролика задано в меню определения свойств материала (исключены все перемещения, кроме радиального, а так же все вращения, кроме осевого). Ограничения для элемента, передающего вращение задано аналогично ролику (исключены все перемещения, а также вращения, кроме осевого).

В постпроцессоре указываем время расчёта (3,1 секунды), задаём выходные данные и частоту их записи, а так же используем масштабный фактор для увеличения производительности расчётов.

По результатам расчёта было получено напряжённо-деформированное состояние образца после обкатки (рисунок 2.19). С помощью функции Path operation в сечении заготовки по месту обкатки указываем узлы по толщине поверхностного слоя и строим распределение осевых остаточных напряжений z (рисунок 2.20). Для определения параметров кольцевого следа указываем узлы заготовки по профилю полученного после обкатки радиуса и с помощью вывода результатов для каждого узла определяем полученные