Содержание к диссертации
Введение
1. Современное представление о контактном и фрикционном взаимодействии шероховатых поверхностей 10
1.1 Методы исследования контактного взаимодействия шероховатых поверхностей 10
1.2. Фрикционные свойства дискретного контакта 17
1.3. Компьютерное моделирование дискретного фрикционного контакта 25
2. Описание математической модели разработанной для реализации программы трёхмерного моделирования шероховатых поверхностей 35
2.1. Моделирование топографии шероховатой поверхности 35
2.2.1. Основные правила построения шероховатой поверхности 35
2.2.2. Входные данные 37
2.2.3. Описание генерации выступа 38
2.2.4. Распределение неровностей по поверхности
2.2. Реализация процессов контактного взаимодействия 42
2.3. Расчёт фрикционного взаимодействия и износа 48
3. Программная реализация системы трёхмерного компьютерного моделирования функциональных свойств трибосопряжений с полным или частичным антифрикционным покрытием 52
3.1 Выбор программного средства для реализации проекта 52
3.1.1. Рассмотрение различных языков программирования 52
3.1.2. Обоснование выбора С# для решения поставленной задачи 56
3.1.3. Рассмотрение концепция имитационного компьютерного моделирования 58
3.2. Описание общей концепции программы 65
3.3. Реализация программного приложения
3.3.1. Моделирование микрогеометрии шероховатой поверхности 68
3.3.2. Алгоритмизация процессов контакта 70
3.3.3. Алгоритмизация фрикционного взаимодействия шероховатых поверхностей 73
3.4. Описание созданного интерфейса программного средства 76
4. Результаты работы созданного программного приложения 79
4.1. Микротопография поверхности 79
4.1.1. Аналитическая проверка 81
4.1.2. Оценка микротопографии реальных поверхностей 85
4.1.3. Методика проведения экспериментов 86
4.1.4. Моделирование микротопографии по полученным входным данным 88
4.1.5. Сопоставление результатов 92
4.2. Контактное взаимодействие 95
4.2.1. Результаты моделирования сближения шероховатых образцов с образцами имеющими твёрдосмазочное покрытие 96
4.2.2. Эксперименты по сближению шероховатых образцов с образцами без 4.2.3.Моделирование и экспериментальные данные по фактической площади контакта 101
4.3. Фрикционное взаимодействие 103
4.3.1. Торцевая машина трения для триботехнических испытаний антифрикционного покрытия при повышенных нагрузках 105
4.3.2. Методика проведение экспериментов 107
4.3.3. Моделирование силы трения металлов без антифрикционного покрытия. 110
4.3.4. Влияние контактных давлений на статический коэффициент трения и
интенсивность изнашивания антифрикционных покрытий 111
Заключение 116
Список литературы 118
- Фрикционные свойства дискретного контакта
- Реализация процессов контактного взаимодействия
- Описание общей концепции программы
- Моделирование микротопографии по полученным входным данным
Введение к работе
Актуальность темы. В современной инженерной практике широкое
распространение получило компьютерное моделирование процессов,
протекающих при эксплуатации различных машин и механизмов. Данный
подход позволяет объединить и теоретически развить аналитические и
экспериментальные методы исследований сложных технических систем.
Изучение фрикционного взаимодействия на контактирующих поверхностях
деталей машин является объектом исследований одной из фундаментальных
дисциплин машиноведения – трибологии, поэтому компьютерное
моделирование процессов, происходящих при трении и износе, является актуальной научной задачей.
Степень разработанности проблемы. Актуальность темы диссертации
подтверждается значительным объёмом публикаций в мировых научных
изданиях, посвящённых компьютерному моделированию процессов,
происходящих на фрикционном контакте. Однако, следует отметить
ограниченное количество исследований, посвящённых контактному и
фрикционному взаимодействию моделей шероховатых поверхностей при
упругопластических деформациях микронеровностей, в том числе и при
наличии функциональных покрытий. Кроме того, существующие
компьютерные модели реализуют либо 2-х мерные подходы для анализа
топографии шероховатых поверхностей, либо 3-х мерные, основанные на
теории случайного поля, которые не адекватно описывают топографию
реальных технических поверхностей и затрудняют использование решений
контактных задач теории упругости и пластичности, применяемых для
моделирования напряжённо-деформированного состояния единичных
микронеровностей.
Цель работы: исследование функциональных свойств трибосопряжений с помощью трёхмерного компьютерного моделирования топографии
технических поверхностей и учёта упругопластических деформаций
микронеровностей, в том числе и при наличии функциональных покрытий.
Задачи исследований.
-
Разработать алгоритмы имитационного моделирования фрикционного контакта, основанные на 3-х мерном моделировании топографии технических поверхностей и учитывающие упругопластические деформации микронеровностей, в том числе и при наличии функциональных, относительно мягких покрытий.
-
Создать компьютерную программу, имеющую блочно - модульную архитектуру основанную на принципах объектно - ориентированного программирования, реализующую разработанные алгоритмы имитационного моделирования фрикционного контакта в виде программных модулей, входящих в неё, и позволяющую проводить исследования работоспособности многофункциональных трибосопряжений.
-
На основе собственных экспериментов и результатах, полученных независимыми исследователями, провести комплексное тестирование разработанных алгоритмов и программных модулей входящих в компьютерную программу.
-
Провести исследования характеристик трибосопряжений различного функционального назначения с использованием алгоритмов имитационного моделирования, реализуемых с помощью разработанной компьютерной программы.
Научная новизна.
-
Создан алгоритм генерации 3-х мерного распределения моделей микронеровностей в виде сегментов эллипсоидов по номинально плоской поверхности, позволяющий адекватно описывать топографию технических поверхностей.
-
Предложены унификации алгоритмов расчётов характеристик контактного и фрикционного взаимодействия модели микронеровности в
условиях упругопластических деформаций, как для твёрдых тел, так и для поверхностей, имеющих функциональные покрытия.
-
Разработан алгоритм, учитывающий влияние локального износа покрытий на фрикционные свойства трибосопряжений, имеющих антифрикционные покрытия, на различных этапах их жизненного цикла.
-
Сформулированы методы имитационного моделирования оптимальных по минимуму износа режимов эксплуатации трибосопряжений с антифрикционными покрытиями.
Практическая значимость.
1. Разработана и реализована компьютерная программа, имеющая блочно -
модульную архитектуру, позволяющая моделировать топографию реальных
технических поверхностей и фрикционное взаимодействие на пятнах
фактического контакта. Данное программное средство защищено двумя
свидетельствами о гос. регистрации программ для ЭВМ.
2. Предложена методика комплексного тестирования алгоритмов и
программных модулей входящих в разработанную компьютерную программу.
3. Разработаны методики, позволяющие оптимизировать параметры
микрогеометрии технических поверхностей и учитывать влияние режимов
эксплуатации на характеристики трибосопряжений с различными исходными
параметрами фрикционного контакта с помощью компьютерного
моделирования.
4. Разработан метод повышения достоверности результатов компьютерного
моделирования за счёт возможности учёта, в созданном программном
средстве, эволюции определяющих параметров фрикционного контакта на
различных этапах жизненного цикла трибосопряжения.
Методы исследований. При выполнении работы использовались
современные программные технологии компьютерного моделирования, достоверные модели контактного и фрикционного взаимодействия единичных микронеровностей, учитывающие их упругопластические деформации, в том числе и при наличии относительно мягких функциональных покрытий,
применены методы теории вероятности и математической статистики. Экспериментальные исследования параметров микрогеометрии шероховатых поверхностей и фрикционных характеристик трибосопряжений поводилось с использованием поверенного лабораторного оборудования.
Положения, выносимые на защиту.
-
Представление шероховатых поверхностей посредством трёхмерной компьютерной модели, проектирование и распределение моделей микронеровностей, алгоритмы контактного и фрикционного взаимодействия в виртуальной среде, унифицированное математическое описание эволюции определяющих параметров фрикционного контакта на различных этапах жизненного цикла трибосопряжения.
-
Компьютерная программа, реализующая моделирование процессов, протекающих в зоне фрикционного контакта и возможность её использования в качестве инструмента исследования работоспособности трибосопряжений.
3. Методы комплексного тестирования разработанной компьютерной
программы, подтверждающие адекватность получаемых с её помощью
результатов.
4. Алгоритм, учитывающий влияние локального износа покрытий на
фрикционные свойства трибосопряжений, имеющих антифрикционные
покрытия, на различных этапах их жизненного цикла и принцип
имитационного моделирования оптимальных, по минимуму износа, режимов
эксплуатации трибосопряжений с антифрикционными покрытиями.
Степень достоверности результатов работы. Достоверность
результатов работы основана на проведении проверочных расчётов,
базирующихся на теоретических и численных данных опубликованных в известной научной литературе; сопоставлением экспериментов независимых исследований и собственных экспериментальных данных с результатами компьютерного моделирования; применением опробованных и признанных научной общественностью методов исследований и широкой апробацией результатов работы.
Апробация работы. Основные положения работы докладывались на
международных, всероссийских и региональных конференциях и семинарах:
научно-технической конференции студентов и аспирантов
машиностроительного факультета «Проблемы машиностроения – 2013» (Тверь 2013г.); Х Всероссийской конференции “Новые технологии” (Москва, РАН 2013г.); Всероссийской научно-технической конференции с участием иностранных специалистов «Трибология - машиностроению» (Москва, 2014г.); на международной научно – технической конференции «Полимерные композиты и трибология» (Поликомтриб-2015, респ. Беларусь, Гомель 2015г.); семинарах по механике и физике контактного взаимодействия твёрдых тел кафедры “Прикладная физика” ФГБОУ ВПО “Тверской государственный технический университет”.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, 4-х глав, заключения, списка литературы из 138 наименований и приложения. Работа изложена на 300 стр. текста, содержит 29 рисунков и 4 таблиц.
Фрикционные свойства дискретного контакта
Исследование контактного взаимодействия шероховатых поверхностей основывается на решениях контактных задач для моделей единичных неровностей, результаты которых возможно распространить на множественный контакт с учётом распределения неровностей по высоте и размерам [22]. Теоретические исследования контактного взаимодействия с тонкими покрытиями проводятся, как правило, двумя основными методами – аналитическим, основанным на классических теориях упругости и пластичности, и с помощью метода конечных элементов. Аналитические методы позволили получить ряд результатов по распределению напряжений и деформаций при внедрении различных штампов в двухслойную среду при упругом или пластическом деформировании покрытия с заданием различных граничных условий. Моделирования методом конечных элементов позволило рассмотреть контактное взаимодействие с покрытиями в условиях упругопластических деформаций. Задача о внедрении модели единичной неровности в мягкое покрытие может быть рассмотрена с позиций теории упругости, вязкоупругости и пластичности.
С позиций классической теории упругости задачи о внедрении различных штампов в двухслойную среду изучались многими авторами, как в плоской, так и в ассиметричной постановке. Наиболее распространённой моделью единичной неровности является сферический сегмент. Под относительно мягким покрытием, обычно, понимают такое для которого отношение модуля упругости покрытия к модулю упругости основания меньше единицы. В большинстве исследований предполагается, что жёсткий сферический индентор внедряется в покрытие под действием нормальной нагрузки. Материалы покрытия и основания однородны, сплошны, изотропны, а остаточные напряжения отсутствуют. Их напряжённо-деформированное состояние описывается основными уравнениями линейной теории упругости. Контактирующие поверхности гладкие, а силы трения на них равны нулю. Считается, что покрытие либо жёстко скреплено с основанием, либо трение между основанием и покрытием (слоем) равно нулю.
В математическом плане эта контактная задача относится к задачам механики сплошных сред со смешанными граничными условиями для тел с покрытиями общие методы решения которых основаны на интегральных преобразованиях (Фурье, Ханкеля). Авотры W.T. Chen и P.A. Engel [110] рассмотрели контактную задачу теории упругости о вдавливании штампа в двухслойное и однослойное, сцеплённые с полупространством, покрытие. Задача рассматривалась для относительно мягких и относительно твёрдых покрытий и была преобразована в разработанный авторами общий приближённый метод, пригодный для реализации на ЭВМ. Суть этого метода сводится к тому, что все граничные условия по напряжениям и деформациям, сформулированные для поставленной задачи, выполняются строго за исключением условия соответствия формы поверхности штампа на границе раздела внутри площадки контакта, радиуса , форме поверхности возникающей под действием распределённого внутри этой площадки контактного давления, которое выполняется приближённо. При этом предполагается, что распределение давлений под штампом можно искать в виде: , (1) где - распределение контактного давления под штампом в зависимости от радиальной координаты , -модуль сдвига покрытия (в обозначении авторов ), - отношение внедрения штампа к радиусу пятна контакта, - константа, -распределение давлений соответствующее аналогичному штампу внедряющемуся в однородное полупространство, - возмущающая функция. Проверка алгоритма проводится решением задачи о вдавливании плоского в плане кругового штампа в относительно твёрдый упругий слой, сцеплённый с упругим основанием. Результаты расчётов сравниваются с данными [112.], полученными для этой же задачи решённой методом “строгого” анализа. Относительная ошибка решений определялась как разница координат поверхности внутри площадки контакта, возникающей под воздействием контактного давления , и координат поверхности штампа, отнесённая к координатам поверхности штампа. Далее рассмотрено внедрение параболического штампа в упругое полупространство имеющее одно и двухслойное упругие покрытия. Приводятся численные результаты для случаев мягких и твёрдых покрытий с различным соотношением механических свойств и толщин покрытий. Важным результатом явилось существенное отклонение распределения контактного давления от Герцевского для случаев твёрдых покрытий.
При этом как для однослойных твёрдых покрытий, так и для двухслойных максимум давлений не совпадает с центром, а смещается на периферию. В случае с мягкими двухслойными и однослойными покрытиями отклонение распределения контактного давления от Герцевского существенно меньше и его максимум остаётся в центре.
А.П. Макушкиным в работе [64] решается ассиметричная контактная задача теории упругости о вдавливании сферы в двухслойное основание, состоящее из верхнего низкомодульного слоя и упругого полупространства. Рассматриваются 2 случая: слой, жёстко сцеплённый с упругим полупространством и слой, свободно без трения лежащий на упругом полупространстве.
Используя метод интегрального преобразования Фурье-Бесселя, получены выражения для определения напряжений и перемещений в упругом слое в форме, доступной для практического использования.
Стоит отметить, что для решения задачи в качестве одного из граничных условий выбиралось распределение контактного давления, совпадающее с распределением по Герцу, что противоречит результатам работы [110].
M.J. Matthewson, в работе [127], также рассматривал ассиметричный контакт с тонким относительно мягким покрытием, скреплённым с жёстким полупространством. Полученные результаты заслуживают внимательного рассмотрения, так как предложенное аналитическое решение хорошо соответствует не только численному решению [128], но и экспериментальной проверке автора. Аналитическое решение удалось получить введением аппроксимации перемещений материала покрытия вне зоны контакта функцией в виде конечного степенного ряда относительно вертикальной координаты. Затем, рассматривая уравнение равновесия элементарного объёма покрытия, проводится анализ напряжённо-деформированного состояния внутри и вне зоны контакта и с использованием функции Бесселя первого порядка находится общее решение. Далее рассматриваются частные решения для сферы, конуса и общего профиля, поверхность которого может быть представлена в виде степенного ряда.
И.Г. Горячевой и Е.В. Торской [23] была рассмотрена задача осесимметричного нагружения двухслойного упругого основания при задании на границе раздела слоя и основания условий, допускающих относительное проскальзывание граничных точек вследствие неполного сцепления слоёв. В предельных случаях сформулированные условия совпадают со случаями жёсткого сцепления или отсутствием трения между слоем и основанием. Изучено влияние параметра, характеризующего степень сцепления покрытия с основанием, на распределение напряжений внутри двухслойного основания при различных относительных значениях механических и геометрических характеристик. Показано, что в случае мягких покрытий этот параметр оказывает слабое влияние на распределение максимальных касательных напряжений в слое и основании. При этом для относительно тонких покрытий влияние его увеличивается с уменьшением относительной толщины покрытия.
В работе С.М. Айзенковича [2] рассматривается внедрение жёсткого сферического индентора в упругое основание с функционально- градиентным покрытием сложной структуры. С помощью двухстороннего асимптотического метода, проводится анализ напряжённо- деформированного состояния покрытия, модуль упругости которого является непрерывной гладкой немонотонной функцией, первая производная которой изменяет свой знак конечное число раз по глубине покрытия. Исследован случай более жёсткого и менее жёсткого покрытия. Рассмотренные в работе [2] законы изменения модуля упругости покрытия по толщине не могут быть применимы для мягких покрытий, моделирующих твёрдые смазочные, для которых градиентное уменьшение механических свойств происходит на поверхности и в адгезионных связях с основанием. Е.В. Торской рассматривает в своей работе [98] контакт ассиметричного шероховатого сферического индентора и двухслойного упругого основания. Шероховатость индентора моделируется периодической системой инденторов, имеющих размеры меньшего порядка, а верхний слой двухслойного основания относительно твёрдые и относительно мягкие покрытия. Показано, что плотность контактов на микроуровне влияет на вид функции распределения давления на макроуровне. Полученные результаты целесообразно учитывать при анализе контактного взаимодействия шероховатых волнистых поверхностей и моделировании субмикрошероховатости неровностей контактирующих поверхностей.
Реализация процессов контактного взаимодействия
Важнейшими характеристиками фрикционного взаимодействия шероховатых поверхностей являются сила трения, характеризующая диссипативные процессы в сопряжении, и износостойкость, определяющая ресурс сопряжения. Согласно молекулярно-механической теории трения [56] в основе молекулярной составляющей силы трения лежит процесс непрерывного возникновения и разрушения адгезионных связей различной природы на фактических пятнах контакта, а в основе механической составляющей деформация микронеровностей взаимодействующих поверхностей. В зависимости от принятой модели контакта вторая составляющая может рассматриваться с позиций теории упругости, вязкоупругости и пластичности [22, 56]. Молекулярно-механическая теория получила широкое распространение при создании расчётных моделей, прогнозирующих влияние различных факторов на силу трения. Одной из причин её эффективности является сочетание развитого математического аппарата расчётов механической составляющей силы трения с эмпирическим подходом к оценке коэффициентов, характеризующих сдвиговое сопротивления молекулярных связей, что позволяет, не углубляясь в сложную картину поверхностных явлений, разрабатывать адекватные расчётные модели.
Многообразие механизмов изнашивания привело к созданию многочисленных теоретических и полуэмпирических расчётных моделей [85, 138]. Однако, дифференцированное изучение разных механизмов изнашивания является идеализацией и абсолютизацией отдельных реальных процессов различной природы, которые могут одновременно происходить на поверхностях трения [22]. В связи с этим при инженерных расчётах деталей машин на износ часто ограничиваются назначением допустимых контактных давлений, определяемых из практики [79]. С точки зрения трибологии эти допустимые контактные давления соответствуют переходу от одного ведущего механизма износа к другому, сопровождаемому увеличением интенсивности изнашивания из-за изменения характера напряжённо-деформированного состояния на фактических пятнах контакта. Так в работе [134], при исследовании износа тонкого золотого покрытия сферическим индентором, было установлено его существенное возрастание при достижении средними напряжениями предела текучести материала покрытия. В работе [135], моделируя номинально плоскую шероховатую поверхность функцией случайного поля, была построена её 3-х мерная компьютерная модель. При этом, характеристики контактного взаимодействия двух таких моделей шероховатых поверхностей, при упругих деформациях микронеровностей, определялись с использованием численного вариационного метода. Применяя данный подход, в работе [130], рассмотрено контактное взаимодействие смоделированной шероховатой поверхности с покрытием при упругих деформациях покрытия и основания, и переход к пластическим деформациям покрытия или основания, с использованием критерия фон Мизеса. Полученные результаты дают представление о контактном взаимодействии шероховатых тел с покрытиями и позволяют, моделируя условия при которых в контакте реализуются упругие деформации, оптимизировать процессы трения и износа контактирующих материалов. Недостатками данного подхода являются: упрощённый принцип генерация микротопографии поверхностей (используется только стандартное среднеквадратичное отклонение высот микронеровностей Rq); достаточно приближённый численный метод определения характеристик контактного взаимодействия; отсутствие возможности рассмотрения влияния упруго-пластических деформаций контакта с покрытием на трение и износ; не учёт локального износа покрытия и статистического рассеивания его физико-механических свойств на отдельных микроконтактах, отсутствие экспериментальной проверки получаемых в процессе моделирования результатов. 105 В данном разделе описывается развитие научных основ и разработка методов компьютерного моделирования фрикционного взаимодействия шероховатых поверхностей.
Торцевая машина трения для триботехнических испытаний антифрикционного покрытия при повышенных нагрузках Для экспериментального исследования фрикционного взаимодействия шероховатых поверхностей с антифрикционным покрытием, при их номинально плоском контакте, используется машины трения работающая по торцевой схеме (Рисунок 23).
Она состоит из основания 1, смонтированного на нем двигателя постоянного тока 2, который через упругую муфту 3 соединен с червячным редуктором 4, также установленным на основании 1. На выходном валу червячного редуктора 4 размещен шкив 5, который с помощью клинового ремня 6 передает вращающий момент на шкив 7 шпинделя 8, установленного в подшипниках 9 на П-образной стойке 10, смонтированной на основании 1. На шкиву 7 установлен диск 11 со стержнем 12, проходящим внутри отверстия шпинделя 8, на конце которого запрессован шарик 13 и имеется водило 14.
Схема торцевой машины трения для триботехнических испытаний антифрикционного покрытия при повышенных нагрузках. В нижней части основания 1, соосно со шпинделем 8, смонтирован стакан 15 с нагружающим винтом 16, компенсатором износа 17 и специальным динамометром 18, взаимодействующим с плунжером 19, имеющим возможность возвратно-поступательного перемещения по направляющей втулке 20, установленной в основании 1. Компенсатор износа 17 выполнен в виде пружины, что позволяет за счет её деформации поддерживать постоянной величину нормальной нагрузки в сопряжении. Вращению плунжера вокруг своей оси препядствует палец 21. На торце плунжера 19 смонтирован диск 22 и упорный шариковый подшипник 23, на котором в оправке 24 установлен шероховатый образец 25. Оправка 24 имеет упор 26, взаимодействующий с тензобалкой 27, измеряющей момент трения, смонтированной на диске 22 и ограничивающей вращение шероховатого образца 25, находящимся в контакте с образцом имеющим антифрикционное покрытие 28, который имеет возможность самоустанавливаться на шарике 13 и вращается за счет передачи ему крутящего момента через водило 14. Измерение износа осуществляется тензобалкой 29, смонтированной на стержне 30. Регулировка тензобалки по высоте возможно микрометрическим винтом 31, связанным с помощью траверсы 32 через стержень 30, с тензобалкой 29. Вертикальное перемещение шероховатого образца 25 в процессе износа антифрикционного покрытия на образце 28 деформирует тензобалку 29 и позволяет измерять величину линейного износа. В процессе испытаний непрерывно измеряются нормальная нагрузка в сопряжении, момент трения, линейный износ, температура на поверхности трения, число оборотов, сделанных подвижным образцом, скорость скольжения.
Описание общей концепции программы
Экспериментальные исследования зависимости интенсивности изнашивания покрытия ВНИИНП-212 и ВНИИНП-230 от нагрузки проводилось на торцевой машине трения. Перед началом испытаний пары трения, состоящие из шероховатого образца и образца с покрытием, прирабатывалась при одинаковых режимах: МПа, скорость скольжения - м/с, температура окружающей среды - 20ас. Конструкция машины трения обеспечивала изменение номинального давления на контакте в диапазоне от 0,04МПа до 8 МПа. В процессе испытаний увеличивалась только нагрузка, а остальные режимы не менялись. Эксперимент останавливался, когда момент трения в испытуемой паре начинал возрастать и превышал на 30% среднее значение, установившееся в процессе испытаний. При каждой нагрузке испытывалось не менее 3-х пар образцов. Данные экспериментов, в сопоставлении с результатами моделирования фрикционного контакта с усреднёнными параметрами микрогеометрии шероховатых образцов после приработки, представлены на рисунке 28. которых деформации покрытия перешла от упругой к упругопластической). Анализ представленных данных показывает, что зависимость интенсивности износа покрытий от давления имеет минимум, который наступает, когда 50-60% микровыступов деформированы упругопластически. Дальнейшее увеличение доли сегментов, под которыми формируются упругопластические деформации, приводит к существенному возрастанию интенсивности изнашивания покрытия. Поэтому давление, при котором 50- 60% контактирующих сегментов деформируют антифрикционное покрытие упругопластически можно считать оптимальным контактным давлением, длительной эксплуатации антифрикционных покрытий со связующими из полимерных материалов. Результаты моделирования влияния процента износа антифрикционного покрытия ВНИИНП-230 на коэффициент трения образца 20Х13 и контрообразцов из стали 20Х13, меди М-1 и бронзы БрОЦСН3-7-5-1приведены на рисунке 29.
Зависимость коэффициента трения от доли износа антифрикционного покрытия (e-отношение площади поверхности трения с полностью изношенным антифрикционным покрытием к общей площади поверхности трения). Из представленных данных видно, что при использовании контрообразцов из антифрикционных материалов, срок эксплуатации трибосопряжения с антифрикционным покрытием на воздухе существенно возрастает из-за отсутствия схватывания на пятнах фактического контакта. Разработанные методики компьютерного моделирования позволяют прогнозировать характеристик контактного взаимодействия технических поверхностей, достоверно определять фактическую площадь контакта и внедрение микронеровностей не прибегая к экспериментам. Рассчитывать коэффициент трения и оптимальное контактное давление, при фрикционном взаимодействии технических поверхностей с учётом параметров их микрогеометрии, действующих нагрузок, наличия и толщины антифрикционных или других, относительно мягких, функциональных покрытий, а также физико -механических свойств оснований и покрытий.
В ходе выполнения работы была достигнута поставленная цель и выполнены все задачи. Получены следующие основные результаты:
1. Разработаны алгоритмы, отвечающие за создание виртуальной трёхмерной шероховатой поверхности. Хорошая оптимизация и ориентация на объектную структуру позволяют адекватно описывать топографию поверхности без потребление большого количества ресурсов ЭВМ и проводить моделирования различных физико-механических процессов быстро и без аппаратных сбоев.
2. Проведена унификация алгоритмов расчётов характеристик контактного и фрикционного взаимодействия модели микронеровности в условиях упругопластических деформаций, как для твёрдых тел, так и для поверхностей имеющих функциональные покрытия. Структура программы позволяет развивать и/или заменять математический аппарат, отвечающий за эти процессы, что делает систему модернизируемой и расширяемой.
3. Проведено комплексное тестирование разработанных алгоритмов и программных модулей входящих в компьютерную программу. В последствии на них получены свидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ.
4. Проведено имитационное моделирование учитывающее влияние локального износа покрытий на фрикционные свойства трибосопряжений, имеющих антифрикционные покрытия, на различных этапах их жизненного цикла. Выявлена зависимость интенсивности износа покрытий от давления которая имеет минимум, наступающий, когда 50-60% микровыступов деформированы упругопластически.
5. С помощью имитационного моделирования подтверждено, что при использовании контрообразцов из антифрикционных материалов, срок эксплуатации трибосопряжения с антифрикционным покрытием на воздухе существенно возрастает из-за отсутствия схватывания на пятнах фактического контакта. 6. Результаты работы внедрены в ООО «Тверская Механическая Компания» и в учебный процесс ФГБОУ ВПО «Тверской государственный технический университет». Разработанные методики компьютерного моделирования позволяют прогнозировать характеристик контактного взаимодействия технических поверхностей, достоверно определять фактическую площадь контакта и внедрение микронеровностей не прибегая к экспериментам. Рассчитывать коэффициент трения и оптимальное контактное давление, при фрикционном взаимодействии технических поверхностей с учётом параметров их микрогеометрии, действующих нагрузок, наличия и толщины антифрикционных или других, относительно мягких, функциональных покрытий, а также физико -механических свойств оснований и покрытий. Программное приложение используется в учебных курсах ТГТУ «Трибология», «Триботехника», «Физические эффекты в машиностроении». Результаты работы внедрены в ООО «Тверская Механическая Компания» для проведения проектных расчётов узлов экструдера.
Моделирование микротопографии по полученным входным данным
Моделирование - это метод исследования сложных систем, основанный на том, что рассматриваемая система заменяется на модель и проводится исследование модели с целью получения информации об изучаемой системе. Под моделью исследуемой системы понимается некоторая другая система, которая ведет себя с точки зрения целей исследования аналогично поведению системы. Обычно модель проще и доступнее для исследования, чем система, что позволяет упростить ее изучение. Среди различных видов моделирования, применяемых для изучения сложных систем, большая роль отводится имитационному моделированию. Имитационной называется модель, которая воспроизводит все элементарные явления, составляющие функционирования исследуемой системы во времени с сохранением их логической структуры и последовательности. В последнее время большое прикладное значение получила разновидность имитационного моделирования, в котором в качестве модели используется программа, выполняемая на ЭВМ. Эта разновидность имитационного моделирования называется программным моделированием систем. Имитационное моделирование является мощным инструментом исследования сложных бизнес-процессов и систем и позволяет решать трудноформализуемые задачи в условиях неопределенности. Поэтому данный метод позволяет совершенствовать системы поддержки принятия решений
Принцип имитационного моделирования заключается в том, что поведение системы отображают компьютерной моделью взаимодействия ее элементов во времени и пространстве. Главная ценность имитационного моделирования состоит в том, что в его основу положена методология системного анализа. Она дает возможность исследовать проектируемую или анализируемую систему по технологии операционного исследования, включая такие взаимосвязанные этапы, как содержательная постановка задачи; разработка концептуальной модели; разработка и программная реализация имитационной модели; оценка адекватности модели и точности результатов моделирования; планирование экспериментов; принятие решений. Благодаря этому имитационное моделирование можно применять как универсальный подход для принятия решений в условиях неопределенности и для учета в моделях трудно формализуемых факторов.
Изучение системы с помощью модели позволяет проверить новые решения без вмешательства в работу реальной системы, растянуть или сжать время функционирования системы, понять сложное взаимодействие элементов внутри системы, оценить степень влияния факторов и выявить “узкие места”.
Имитационная модель — это компьютерная программа, которая описывает структуру и воспроизводит поведение реальной системы во времени. Имитационная модель позволяет получать подробную статистику о различных аспектах функционирования системы в зависимости от входных данных. Разновидностью имитационного моделирования является статистическое моделирование – обработка данных о системе (модели) с целью получения статистических характеристик системы. Следует отметить, что в современной литературе не существует единой точки зрения по вопросу о том, что понимать под имитационным моделированием. Тем не менее, в настоящий момент общепризнано, что системы имитационного моделирования являются наиболее эффективным средством исследования сложных систем.
Все атрибуты элементов и системы в целом можно разделить на два типа: переменные и постоянные. Переменными являются атрибуты, значение которых остается неизменным в рассматриваемом периоде времени. Совокупность конкретных значений всех переменных атрибутов элементов системы в целом в некоторый момент времени существования системы определяет состояние системы.
Система является динамической, если ее состояние меняется с изменением времени, в противном случае система является статической. Если состояние системы, т.е. значение ее атрибутов, изменяется непрерывно, то она называется непрерывной системой, а если значения изменяются в дискретные моменты времени, то система называется дискретной. Существуют такие системы, у которых часть атрибутов, описывающих состояние системы, меняется непрерывно, а часть дискретно. Эти системы называются непрерывно-дискретными или комбинированными.
Система называется стохастической, если при одних и тех же начальных условиях результаты функционирования системы будут различаться, иначе система называется детерминированной.