Введение к работе
Актуальность темы: Контактные узлы с антифрикционными покрытиями и прослойками находят самое широкое применение в машиностроении, строительстве, медицине и других отраслях. Одним из таких ответственных контактных узлов является опорная часть с шаровым сегментом. Данный узел используется в качестве балансира в пролетных строениях эстакад, мостов и мостовых конструкций различного назначения. К этим дорогостоящим, сложным в обслуживании, конструкциям предъявляются повышенные требования по прочности, надежности и долговечности. В качестве антифрикционных прослоек в опорной части в основном используются листы фторопласта, за рубежом вместо фторопласта в опорных частях широко применяется сверхвысокомолекулярный полиэтилен. Для улучшения условий работы контактного соединения в настоящее время рассматривается возможность применения в антифрикционной прослойке современных полимерных материалов: антифрикционные композиционные материалы на основе фторопласта-4 с различными нанонаполнителями, модифицированный фторопласт, сверхвысокомолекулярный полиэтилен российского и зарубежного производства и др. Данные материалы позволяют улучшить деформационные характеристики узла, а также повысить его ресурс, что очень важно, так как конструкция рассчитана на большие сроки службы. Напряженно-деформированное состояние узла имеет сложный трехмерный характер, на контактной поверхности возможна реализация различных контактных условий: полное сцепление, проскальзывание с разными видами трения, возможно отлипание контактирующих поверхностей. Полимерные материалы антифрикционной прослойки в условиях контактного деформирования могут проявлять существенно нелинейные неупругие свойства.
Таким образом, задачи исследования нелинейного контактного взаимодействия опорных частей с шаровым сегментом пролетных строений мостов являются актуальной проблемой механики деформируемого твердого тела. Практическая реализация таких задач возможна только численными методами, ориентированными на технологии параллельных вычислений, с привлечением современной многопроцессорной вычислительной техники.
Цель работы: разработка математической модели и на ее основе численное исследование трехмерного упругопластического деформирования контактного узла с антифрикционной прослойкой из полимерного материала, учитывающей трение на поверхности контакта и разные типы контактного состояния (прилипание, проскальзывание и отлипание), возникающие при эксплуатационных воздействиях в опорной части с шаровым сегментом пролетных строений мостов.
Для достижения цели необходимо решить следующие задачи: 1. Осуществить техническую и математическую постановки проблемы контактного взаимодействия в рамках механики деформируемого твердого тела с учетом трения между сопрягаемыми деталями узла с антифрикционной прослойкой.
-
Выполнить анализ существующих подходов и методов решения подобных задач и выбрать наиболее эффективные.
-
Построить дискретный аналог задачи на основе метода конечных элементов и на тестовых примерах исследовать характеристики практической сходимости алгоритма численного решения контактной задачи, оценить качество выполнения контактных условий и естественных граничных.
-
Произвести верификацию выбранной модели поведения (определяющих соотношений) материалов антифрикционной прослойки путем проведения численных экспериментов на модельных образцах в условиях сложного напряженного состояния в диапазонах реальных эксплуатационных воздействий с учетом экспериментальных данных по материалам.
-
Обосновать упрощение расчетной схемы сборной конструкции опорной части с шаровым сегментом.
-
Провести численные исследования, направленные на выявление закономерностей влияния физико-механических и антифрикционных свойств материалов прослойки на контактное напряженно-деформированное состояние при эксплуатационных воздействиях, выработки рекомендаций по использованию новых антифрикционных полимерных материалов в исследуемых узлах и рекомендаций по рациональному конструктивному оформлению опорных частей с шаровым сегментом и проектированию экспериментальных установок по их испытаниям.
Методы исследований основаны на использовании методов механики контактного взаимодействия и вычислительной механики деформируемого твердого тела, реализация задач выполнена средствами программной среды конечно-элементного комплекса ANSYS.
Научная новизна:
-
Для конструкции опорной части с шаровым сегментом впервые создана трехмерная численная модель деформирования контактного узла с антифрикционной прослойкой под действием вертикальных и горизонтальных эксплуатационных воздействий с учетом трения между сопрягаемыми деталями и всех типов контактного состояния.
-
Выполнен сравнительный анализ деформационного поведения в контактном узле антифрикционных прослоек из разных полимерных материалов и рекомендовано применение прослойки из модифицированного фторопласта, что обеспечивает более благоприятное распределение контактных параметров.
-
Для исследуемого контактного узла впервые установлены качественные и количественные закономерности изменения контактных параметров для разных материалов прослойки: характер распределения зон контактного состояния, распределения контактного давления и контактного касательного напряжения, величины смещения и расхождения контактных поверхностей. Во всех вариантах расчетов в зоне сцепления напряженное состояние полимерной прослойки близко к состоянию всестороннего упругого сжатия.
-
Установлено резкое падение контактных напряжений на контактной
поверхности у края прослойки (до 10% общей площади) во всех постановках при действии только вертикальных эксплуатационных нагрузках, что соответствует снижению работоспособности части конструкции.
5. Выработаны рекомендации по рациональному конструктивному оформлению опорных частей с шаровым сегментом и проектированию экспериментальных установок по испытаниям конструкций опорных узлов.
На защиту выносятся:
-
Математическая модель и характеристики ее дискретного аналога деформирования контактного узла с антифрикционной прослойкой под действием вертикальных и горизонтальных эксплуатационных воздействий с учетом трения между сопрягаемыми деталями и всех типов контактного состояния.
-
Данные сравнительного анализа напряженно-деформированного состояния опорной части при различных эксплуатационных воздействиях и конструкционных особенностях.
-
Новые результаты исследования деформационного поведения разных полимерных материалов антифрикционных прослоек в контактном узле конструкции опорной части с шаровым сегментом и закономерности изменения контактных параметров.
-
Рекомендации по рациональному конструктивному оформлению опорных частей с шаровым сегментом и проектированию экспериментальных установок по испытаниям конструкций опорных узлов.
Практическая значимость состоит в возможности применения математической модели и ее программной реализации для решения задач проектирования и отработки конструкций и материалов контактных узлов опорных частей с шаровым сегментом. Диссертационная работа связана с выполнением хоздоговорных работ в рамках совместной «Программы заводских (приемочных) и сравнительных испытаний опытных образцов опорных частей с шаровым сегментом» ООО «АльфаТех», ФГБУН «Институт механики сплошных сред УрО РАН», ФГБОУ ВПО «Пермский национальный исследовательский политехнический университет». Результаты исследования используются в 000 «АльфаТех» при проектировании опорных частей с шаровым сегментом, а так же проектировании и построении экспериментальной установки по исследованию опорных узлов, что подтверждено прилагаемым к диссертации «Актом об использовании результатов исследования».
Достоверность результатов обеспечивается сравнением с известными аналитическими решениями других авторов, практическим подтверждением сходимости численных процедур и выполнения контактных и естественных граничных условий, а также соответствием данным натурных экспериментов.
Личный вклад автора заключается в реализации расчетных процедур и проведении численных экспериментов. Постановки задач и анализ результатов моделирования проводились автором совместно с научным руководителем.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались, на XX и XXI
Всероссийской школе - конференции молодых ученых и студентов «Математическое моделирование в естественных науках» (г. Пермь, 2011, 2012), на XVII Международной конференции по вычислительной механике и современным прикладным программным системам (г. Алушта, 2011), на IX Международной конференции по неравновесным процессам в соплах и струях (г. Алушта, 2012), на I Международной научной конференции по инновационным процессам в исследовательской и образовательной деятельности (г. Пермь, 2012), на IV Всероссийском симпозиуме по механике композиционных материалов и конструкций (г. Москва, 2012) и на XVIII Зимней школе по механике сплошных сред (г. Пермь, 2013). Полностью работа доложена и обсуждена на семинарах кафедры ВМиМ ПНИПУ (рук. профессор Н.А. Тру фанов), Института механики сплошных сред УрО РАН (рук. академик РАН В.П. Матвеенко), кафедры ММСП ПНИПУ (рук. профессор П.В. Трусов).
Публикации. По теме диссертационного исследования опубликовано 12 научных работ, из них 3 статьи в ведущих рецензируемых научных изданиях, входящих в перечень изданий, рекомендованных ВАК [3, 8, 12].
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа содержит четыре главы, введение, заключение и список литературы, который включает 113 наименований. Общий объем работы - 148 страниц машинописного текста, в том числе 137 страниц основного текста, 118 иллюстраций и 8 таблиц.
