Введение к работе
Актуальность темы диссертации. Одной из фундаментальных проблем современной науки является проблема математического моделирования физических процессов, ибо только такой подход создает необходимые предпосылки для объективного осмысления изучаемого объекта, обеспечивает возможность прогнозирования и определения путей управления наблюдаемыми процессами. Особенно это актуально для изучения деформируемых твердых тел с трещинами при механических н тепловых воздействиях, поскольку все усложняющаяся техника требует создания таких материалов, изначалыюе наличие в которых дефектов (трещин, пор и т.д.), не приводило бы в процессе эксплуатации сделанных из них деталей к разрушению изделия. Следовательно, первоочередной теоретической и практической задачей становится контроль за ростом трещин, остановка и даже "залечивание" их. Решение такой задачи невозможно без математического моделирования физических процессов в деформируемых твердых телах с дефектами при воздействии на них температурных и силовых полей, чему посвящена предлагаемая диссертация. Следовательно, актуальность данной работы определяется: а) необходимостью разработки эффективных методов математического моделирования для исследования физических процессов; б) большой значимостью решения насущных задач теории териоупругостн для тел с дефектами, поскольку это обеспечивает переход технологии на качественно новый уровень прочности и долговечности деталей машин и элементов конструкций; в) потребностью в теоретических положениях, формулах, доведенных до численных результатов и нашедших воплощение н широко и всесторонне апробированных рекомендациях прикладного характера, в методах оценки прочности, в управлении механизмами разрушения; г) недостаточной изученностью поставленной проблемы, о чем свидетельствует представленный в работе обзор научной литературы.
Цель диссертационной работы. Целью настоящей работы является создание математических моделей, отражающих процессы развития трещиноподобных дефектов и пор в деформируемых твердых телах, на которые воздействуют механические и тепловые нагрузки.
Задачи диссертационной работы. В соответствии с поставленной целью в диссертации решаются следующие задачи:
проведение теоретического анализа термоупругих напряжений, возникающих в плоских телах при динамическом распространении в них трещин, с последующим анализом и оценкой динамических, термомеханических и других эффектов при реальных интенснвностях теплового воздействия;
разработка теоретических основ расчета влияния стационарных силовых и тепловых нагрузок на докритическое развитие трещин в хрупких телах;
проведение теоретического анализа кинетики роста кольцевых трещин в цилиндрах под действием нестационарных термоупругнх напряжений с целью предотвращения их разрушения;
проведение экспериментальных: исследований развития кольцевых трещин в цилиндрах из неорганического стекла при резком тепловом воздействии и сравнение их с теоретическими разработками;
проведение анализа напряженного состояния двухслойного цилиндра под действием нестационарных силовых и температурных нагрузок с целью изучения кинетики роста трещин;
проведение анализа тепловых режимов и методик стабилизации в процессах получения покрытий из металлических порошков на рабочие поверхности деталей машин и элементов конструкций;
разработка методов расчета кинетики спекания и припекання к основе порошковых покрытий при силовом и температурном активировании;
разработка и апробирование рекомендаций по предотвращению роста дефектов типа трещины в хрупких и квазихрупкнх материалах, а также по наиболее оптимальному спеканию и припеканшо к основе порошковых систем при силовых и температурных воздействиях.
Методы исследования. Для решения сформулированной научной проблемы использовались различные математические методы решения дифференциальных и интегральных уравнений, моделирующих термоупругие процессы. На основе разработанных физических и математических моделей развития дефектов в деформируемых твердых телах с соответствующими приближениями и оценками получены обобщенные выводы, обоснованные теоретическими расчетами и их сравнением в частных случаях с известными результатами, полученными другими методами и экспериментальными данными.
Основные положения, защищаемые автором:
-
Математические модели, отражающие развитие дефектов в деформируемых твердых телах при механических и тепловых воздействиях.
-
Методика расчета динамических термоупругих напряжений, возникающих за счет термомеханических превращений в кончике трещины при ее быстром распространении в плоском теле (пластина, пространство) из квазихрупкого материала и за счет теплообмена берегов трещины со средой, их омывающей.
-
Теоретические основы расчета докригического роста дискообразных трещин в осесимметричных телах из хрупкого материала на основе учета совместного воздействия силовых и стационарных тепловых нагрузок, обеспечивающих безопасную работу изделий.
-
Дополнения и уточнения к мегодшсе расчета термической стойкости цилиндров из неорганического стекла с учетом их конечной длины и условий теплообмена.
-
Расчетные зависимости кинетики развития кольцевых трещин в цилиндрах под воздействием нестационарных температурных полей н механических нагрузок.
-
Метод определения температурных полей, температурных напряжений, термической стойкости стеклометаллических труб.
-
Методики и средства исследования оптимального высокотемпературного спекания и припекания к основе порошковых покрытий с целью получения покрытий с заданными физико-механическими свойствами.
-
Результаты экспериментальных и эксплуатационных исследований термической стойкости стеклянных и стеклометаллических труб, усадка порошковых покрытий, их пористости и износостойкости.
9. Практические рекомендации по предотвращению роста трещин в хрупких и квазихрупких материалах при механических тепловых воздействиях, а также по оптимальному спеканию и приисканию к основе порошковых систем. Научная понизил диссертации. Впервые проведено систематическое исследование развития трещиноподобных дефектов и пор в пространственных телах в динамической, квазистатпческой и статической постановках под действием механических и тепловых нагрузок, которое позволило установить, что при тепловых воздействиях на тела с трещиноподобньши дефектами развитие этих дефектов резко отличается от их развития в изотермических условиях нагружения. В связи с этим:
-
Поставлена и решена новая смешанная краевая задача динамической несвязанной теории термоупругости для плоского тела (пластина, пространство) с полубесконечной движущейся трещиной, которое подвергается термическому удару, когда свободные берега трещины мгновенно принимают постоянную температуру, не равную начальной, а с поверхностей пластины происходит симметричный теплообмен со средой постоянной температуры. При решении этой динамической задачи термоупругости было решено несколько новых промежуточных смешанных краевых задач, охватывающих все известные автору частные случаи и имеющие самостоятельное значение.
-
Получены асимптотические решения для коэффициента интенсивности динамических термоупругих напряжений (КИН) для больших и малых времен, которые позволили произвести оценку термомеханических и динамических эффектов при реальной интенсивности теплообмена между берегами трещины и средой, их омывающей. Несмотря на то, что для выявления этих эффектов в математической модели были заложены более жесткие условия, чем в реальности, тем не менее эти эффекты в данных условиях оказались ничтожно малыми, что позволяет рассматривать задачи подобного рода как квазистатические.
-
Получены новые решения смешанных задач стационарной термоупругости для оцешаї докритического роста дискообразных трещин в осесимметричных телах (пространство, цилиндры) при совместном действии силовых и стационарных температурных и тепловых нагрузок, обеспечивающих безопасную работу изделий.
-
В несвязанной квазистатической постановке решены новые задачи о напряженном состоянии цилиндров с соосными кольцевыми трещинами, охлаждаемых цилиндрических образцов, изготовленных из неорганического стекла. При этом произведена оценка влияния краевых эффектов, имеющих место на торцах конечного цилиндра, на напряженное состояние в его средней части. Проанализировано развитие кольцевых трещин, выходящих на поверхность сплошного цилиндра при его охлаждении, которое резко отличается от развития трещины в изотермическом случае. Проведенные экспериментальные исследования подтвердили правильность выбранной математической модели.
-
Разработана модель термоупругого процесса в двухслойном цилиндре, один из которых имеет малую толщину стенки. Полученное решение задачи термоупругости использовано для расчета термостойкости стеклянного цилиндра, заключенного в тонкую металлическую оболочку. Проанализировано развитие дискообразных трещин в сплошном цилиндре, окруженном тонкой оболочкой, при его нагреве, которое значительно отличается от изотермического случая.
-
В связи с нанесением металлических порошковых покрытий на рабочие поверхности деталей машин решены новые задачи теплопроводности в простран-
ственных телах, в которых изменяются коэффициенты обобщенной проводимости порошкового покрытия в процессе спекания порошка и кроме того с поверхностей происходит теплообмен излучением.
7. Для случая нанесения порошковых покрытий на внутренние поверхности цилиндрических деталей методом индукционного центробежного спекания разработана и исследована нелинейная термовязкоупругая модель сплошной среды с эффективными термомеханическими постоянными, зависящими от пористости. Проведенные экспериментачьиые исследования, в которых принимал участие автор диссертации, и расчеты с использованием разработанной им же модели спекания порошковых покрытий показали совпадение результатов, что говорит о правильности выбранной модели.
Практическая значимость работы. Разработанные в диссертации теоретические положения о развитии дефектов в деформируемых твердых телах позволяют определять такие режимы механического и теплового воздействия, в том числе при нанесении защитных порошковых покрытий, которые обеспечивают контроль за развитием дефектов до размеров, не опасных для дальнейшей эксплуатации.
Реализаций результатов работы. Разработанные в диссертации модели, научные результаты и выводы внедрены на предприятиях: СКТБ "Кристалл" (г. Смоленск), на НПО "Машиностроитель" (г. Гомель), на Государственном предприятии "СКТБ с ОП ИНДМАШ" (г. Минск) - при проектировании, разработке, испытании оборудования для нанесения металлических порошковых покрытий на рабочие поверхности деталей машин. Научные и практические результаты, полученные в диссертации и представленные в публикациях, используются в учебном процессе при подготовке студентов в Московской государственной академии тонкой химической технологии им. М.В. Ломоносова, в Белорусской государственной политехнической академии (г. Минск), в Таганрогском государственном педагогическом институте.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были представлены для обсуждения на Научно-технической конференции "Твердосплавные износостойкие защитные покрытия детален машин" (Новополоцк, 1979); Республиканской научно-технической конференции "Пути повышения качества и надежности машин" (Минск, 1980); Научно-технической конференции "Повышение качества и технического уровня сельскохозяйственных машин - ключевое звено продовольственной программы" (Минск, 1983); 15-й Всесоюзной научно-технической конференции "Порошковая металлургия" (Киев, 1985); Научно-технической конференции "Пути повышения технического уровня и надежности машин" (Минск, 1986); Международной научно-технической конференции "Поверхностные слон и покрытия" (Варна, НРБ, 1989); 9-м Международном совещании "IX International Pulvermetaliurgische Tagung" (Дрезден, ГДР, 1989); Научно-технической конференции "Повышение технического уровня, надежности и долговечности машин" (Минск, 1990); Научно-практической конференции "Разработка и применение технологии оборудования и материалов для газотермических процессов нанесения защитных покрытий" (Минск, 1990); Республиканской научно-технической конференции "Высокоэффективное оборудование и технологические процессы упрочнения режущих инструментов и деталей машин" (Могилев, 1990); Республиканской научно-технической конференции "Современные технологические процессы уп-
рочнения и восстановления деталей" (Новополоцк, 1991); Республиканской на-учно-технической конференции "Совершенствование существующих и создание новых ресурсосберегающих технологий и оборудования в машиностроении, сварочном производстве и строительстве" (Могилев, 1991); Республиканской научно-технической конференции "Материалы и упрочняющие технологии - 92" (Курск, 1992); Республиканской научно-технической конференции " Современные материалы, оборудование и технологии упрочнения и восстановления деталей машин" (Новополоцк, 1993); Eighth Intematinal conference on fracture "Fracture mechanics: successes and problems" (Киев, 1993); Научно-технической конференции "Повышэнне, тахнічнага узровня і надзеґшасці машын (Минск, 1993); Всероссийской научно-технической конференции "Прочность н живучесть конструкций" (Вологда, 1993); Международной научно-технической конференции "Отдеяочно-упрочняющая технология в машиностроении" (Минск, 1994); Научно-технической конференции "Ресурсосберегающие и экологически чистые технологии" (Гродно, 1994); Республиканской научно-технической конференции "Проблемы качества и надежности машин" (Могилев, 1994); 2-й республиканской научно-технической конференции "Современные материалы, оборудование И технологии упрочнения и восстановления деталей машин" (Новополоцк, 1995); Международном научно-методическом семинаре "Математические модели физических процессов и их свойства (Таганрог, 1996); Fourth International conferece on "Advanced computational metods in heat transfer IV Heat transfer 96" (Udine, Италия, 1996); Международной конференции "Stability control and riged bodies dynamics" (Донецк, 1996); XXII Yugoslav congress of theoretical and applied mechanics (Vmjaeka Banja, Югославия, 1997); Международной конференции Fifth Internationa! conference on damage and fracture mechanics "Damage and fracture mechanics'' (Bologna, Италия 1998); Международной конференции "Математика в индустрии" (Таганрог, 1998); 4-й Международной конференции "Современные проблемы механики сплошной среды" (Ростов-на-Дону, 1998); Международной конференции "Математические модели физических процессов и их свойства" (Таганрог, 1999); 7-й Международной конференции "Устойчивость, управление и динамика твердого тела" (Донецк, 1999); 5-й Международной конференции "Современные проблемы механики сплошной среды" (Ростов-ка-Дону, 1999)
Публикации. Основные научные результаты диссертации опубликованы в 109 печатных работах в международных, всесоюзных и республиканских изданиях. Из них 99 статей, 4 авторских свидетельства и 6 патентов на изобретения.
Личный вклад аатора является основным на всех этапах исследований и заключается в постановке проблемы исследований, непосредственном выполнении основной части работы по исследованию развития дефектов в деформируемых твердых телах при механических и тепловых воздействиях, научном руководсгве и непосредственном участии в той части работ, которая выполнена в соавторстве, анализе и обобщении результатов исследования.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоиг из введения, общей характеристики работы, основной части, состоящей из семи глав, выводов, списка использованных источников, включающего 510 наименований и одного приложения. Она содержит 440 страниц машинописного текста, в том числе 94 рисунков и б таблиц. Приложение, содержащее 11 страниц, включает акты внедрения.
