Введение к работе
Актуальность темы. В механике деформируемого твердого тела существенное место занимают задачи температурно-силовых взаимодействий. Это обусловлено тем, что контакт является одним из основных способов приложения нагрузки к деформируемому телу. Развиваемые в теории контактных задач методы расчета позволяют найти распределение давлений, температур в местах контакта и, таким образом, ответить на многие важные вопросы оценки контактной прочности, жесткости и т.п.
Современные технологии упрочнения материалов характеризуются мощными контактными воздействиями концентрированных потоков энергии (КПЭ) на поверхность обрабатываемого материала. Так, в ходе лазерной или плазменной закалки в локальной области происходит значительный контактный нагрев поверхности, а в ходе электромеханической обработки (ЭМО) данное высокотемпературное воздействие сопровождается контактным давлением за счет воздействия упрочняющего инструмента. Такое комбинированное температурно-силовое воздействие сопровождается изменением структуры и свойств поверхности материалов, что ведет к формированию и развитию уникальных аморфных и наноструктур, причем формируемые таким образом свойства являются прогнозируемыми.
Рассмотрение задач механики контактного взаимодействия применительно к процессам температурно-силовой обработки КПЭ привело к постановке новых контактных задач и поиску их решений для термоконтактных процессов, проходящих в зоне обработки материалов. Данный класс задач является одной из центральных областей исследования контактных задач механики деформируемого твердого тела и непосредственно связан с важными вопросами инженерной практики. Применение методов механики контактного взаимодействия, в свою очередь, также обусловлено и сложностью проведения натурных экспериментов в процессе обработки материалов КПЭ ввиду быстропротекающих высокоэнергетических процессов.
В этой связи актуальным становится комплексный подход, заключающийся в экспериментальном исследовании механических свойств формируемых покрытий после ЭМО, а также решении контактных задач по определению напряженно-деформированного состояния (НДС) в полупространстве с покрытием и определении предельных состояний, остаточных напряжений и деформаций, формируемых в ходе интенсивного температурно-силового нагружения.
Цель работы заключается в исследовании напряженно-деформированного состояния двухслойного полупространства в ходе интенсивного температурно-силового нагружения на основе методов механики контактного взаимодействия твердых тел, а также в экспериментальном исследовании свойств образцов с упрочненным поверхностным слоем после импульсной электромеханической обработки.
В работе решаются следующие задачи:
Разработка методики решения контактной задачи термо-упругопластичности о воздействии штампа эллипсоидной формы на полупространство с учетом изменения поверхности контакта.
Исследование влияния физических и геометрических параметров поверхностного слоя полупространства на распределение напряженно-деформированного состояния при учете трения в зоне контакта и шероховатости поверхности.
Исследование влияние нестационарного температурного поля на распределение полей напряжений и деформаций в двухслойном полупространстве при упругопластическом термо-силовом контактном нагруже-нии.
Оценка предельных состояний твердого тела с покрытием в различных условиях температурно-силового контактного воздействия штампа.
Исследование механического поведения и предельных состояний материала в процессе электромеханической обработки, а также изучение особенностей формирования микрорельефа поверхности на основе решения задачи о термо-силовом контактном нагружении.
Экспериментальное исследование механических свойств материалов после импульсного электромеханического воздействия.
Проведение сопоставительного анализ полученных результатов решения нестационарной температурно-силовой контактной задачи с известными экспериментальными и расчетными данными.
Научная новизна:
Получено решение пространственной контактной задачи термо-упругопластичности для двухслойного полупространства в условиях действия эволюционирующих во времени и пространстве температурных и силовых полей с учетом изменяющейся геометрии поверхности полупространства.
Исследовано напряженно-деформированное состояние двухслойного полупространства в условиях изменения физических и геометрических параметров поверхностного слоя.
Показаны особенности распределения напряжений и перемещений в двухслойном полупространстве в процессе решения упругопластическои задачи о термо-силовом контактном нагружении.
Рассмотрено формирование предельных состояний в двухслойном полупространстве на основе исследования возникающих остаточных напряжений и деформаций при различных условиях температурно-силового воздействия штампа.
Впервые проведено расчетно-экспериментальное исследование механических свойств материала с покрытием в процессе электромеханической обработки и разработаны основы системы управления технологическими процессами ЭМО.
Практическая ценность отражена в следующих аспектах:
Разработаны рекомендации к эффективному управлению процессами ЭМО на основе решения температурно-силовой контактной задачи.
Разработана методика определения микрорельефа поверхности в процессе ЭМО.
Проведена оценка предельных состояний, формируемых в процессе нестационарного температурно-силового контактного нагружения двухслойного полупространства.
Исследовано влияние остаточных напряжений и деформаций на свойства поверхностного слоя.
Исследованы механические свойства плазменных покрытий после электромеханической обработки.
