Математическое моделирование влияния поверхностной упрочняющей обработки на геометрические параметры образцов с концентраторами напряжений
- Authors: 1, 1
-
Affiliations:
- Самарский государственный технический университет
- Issue: Vol 1 (2022)
- Pages: 229-230
- Section: Прикладная математика и математическое моделирование
- URL: https://journals.eco-vector.com/osnk-sr/article/view/107590
- ID: 107590
Cite item
Full Text
Abstract
Обоснование. Поверхностное пластическое деформирование является штатной технологией упрочнения деталей машин и элементов конструкций на различного рода производствах: аэрокосмических, машиностроительных, теплоэнергетических. Для создания остаточных напряжений в тонком поверхностном слое образцов используют методы пластического поверхностного деформирования. Данная технология существенно повышает надежность и долговечность изделий. Однако указанные технологические подходы приводят к искажению первоначальной геометрической конфигурации деталей. Это является недостатком упрочняющей обработки, поскольку допустимые величины вариации геометрических параметров образцов строго регламентированы. Данным фактом продиктована актуальность исследования: знать, каким образом процесс упрочнения влияет на геометрию деталей, оказывается просто необходимым.
Цель — выявить изменения геометрической конфигурации плиты (в ситуации опережающего поверхностного пластического деформирования) и цилиндрического образца с концентраторами напряжений вследствие реализации процедуры поверхностного пластического деформирования.
Методы. В качестве основного метода достижения цели был выбран метод расчета по первоначальным остаточным деформациям, который позволяет восстановить полную картину напряженно-деформированного состояния. Процедура восстановления состоит в следующем: в упрочненной области задаются законы распределения для всех компонент тензора остаточных пластических деформаций и затем по ним рассчитываются поля остаточных напряжений [1–3]. Выбор такой стратегии исследования оправдан рядом преимуществ предложенного метода в сравнении с другими подходами. Экспериментальные методы оказываются несостоятельными, поскольку позволяют определить максимум 2 компоненты тензора остаточных напряжений. Методики, основанные на прямом моделировании процесса упрочнения, дают скорее качественные результаты в силу стохастической природы исследуемого явления. Более того, использование аналогии между деформациями в неоднородном температурном поле и пластическими деформациями в совокупности с методом расчета по первоначальным деформациям позволяет свести исходную задачу к краевой задаче фиктивной термоупругости, и многие современные программно-вычислительные комплексы позволяют получить решение данной задачи. Также сведение исходной задачи к термоупругой задаче решает проблему единственности и корректности задачи реконструкции напряженно-деформированного состояния. В настоящем исследовании использовалась среда Workbench программной системы конечно-элементного анализа ANSYS. Для решения краевых задач применялся численный метод на основе метода конечных элементов.
Результаты. Проведена серия расчетов для плит различных высот и различных радиусов концентраторов напряжений. Показано, что изменение геометрических параметров концентратора незначительно. Проведен ряд расчетов для цилиндрических образцов различных высот, различных внутренних и внешних радиусов концентратора и при различных условиях закрепления: шарнирное опирание нижней грани, шарнирное опирание верхней и нижней граней, жесткая заделка боковой поверхности цилиндра. Показана незначительность вариаций геометрических параметров концентратора.
Выводы. Предложены феноменологические методики реконструкции остаточных напряжений и пластических деформаций для задач о плите и цилиндрическом образце с концентраторами напряжений. Сформулирован теоретический метод, позволяющий изучить изменение геометрии образцов после процедуры поверхностного пластического упрочнения. Проиллюстрирована адекватность предложенных подходов. Выявлены изменения геометрической конфигурации концентраторов вследствие упрочняющей обработки.
Full Text
Обоснование. Поверхностное пластическое деформирование является штатной технологией упрочнения деталей машин и элементов конструкций на различного рода производствах: аэрокосмических, машиностроительных, теплоэнергетических. Для создания остаточных напряжений в тонком поверхностном слое образцов используют методы пластического поверхностного деформирования. Данная технология существенно повышает надежность и долговечность изделий. Однако указанные технологические подходы приводят к искажению первоначальной геометрической конфигурации деталей. Это является недостатком упрочняющей обработки, поскольку допустимые величины вариации геометрических параметров образцов строго регламентированы. Данным фактом продиктована актуальность исследования: знать, каким образом процесс упрочнения влияет на геометрию деталей, оказывается просто необходимым.
Цель — выявить изменения геометрической конфигурации плиты (в ситуации опережающего поверхностного пластического деформирования) и цилиндрического образца с концентраторами напряжений вследствие реализации процедуры поверхностного пластического деформирования.
Методы. В качестве основного метода достижения цели был выбран метод расчета по первоначальным остаточным деформациям, который позволяет восстановить полную картину напряженно-деформированного состояния. Процедура восстановления состоит в следующем: в упрочненной области задаются законы распределения для всех компонент тензора остаточных пластических деформаций и затем по ним рассчитываются поля остаточных напряжений [1–3]. Выбор такой стратегии исследования оправдан рядом преимуществ предложенного метода в сравнении с другими подходами. Экспериментальные методы оказываются несостоятельными, поскольку позволяют определить максимум 2 компоненты тензора остаточных напряжений. Методики, основанные на прямом моделировании процесса упрочнения, дают скорее качественные результаты в силу стохастической природы исследуемого явления. Более того, использование аналогии между деформациями в неоднородном температурном поле и пластическими деформациями в совокупности с методом расчета по первоначальным деформациям позволяет свести исходную задачу к краевой задаче фиктивной термоупругости, и многие современные программно-вычислительные комплексы позволяют получить решение данной задачи. Также сведение исходной задачи к термоупругой задаче решает проблему единственности и корректности задачи реконструкции напряженно-деформированного состояния. В настоящем исследовании использовалась среда Workbench программной системы конечно-элементного анализа ANSYS. Для решения краевых задач применялся численный метод на основе метода конечных элементов.
Результаты. Проведена серия расчетов для плит различных высот и различных радиусов концентраторов напряжений. Показано, что изменение геометрических параметров концентратора незначительно. Проведен ряд расчетов для цилиндрических образцов различных высот, различных внутренних и внешних радиусов концентратора и при различных условиях закрепления: шарнирное опирание нижней грани, шарнирное опирание верхней и нижней граней, жесткая заделка боковой поверхности цилиндра. Показана незначительность вариаций геометрических параметров концентратора.
Выводы. Предложены феноменологические методики реконструкции остаточных напряжений и пластических деформаций для задач о плите и цилиндрическом образце с концентраторами напряжений. Сформулирован теоретический метод, позволяющий изучить изменение геометрии образцов после процедуры поверхностного пластического упрочнения. Проиллюстрирована адекватность предложенных подходов. Выявлены изменения геометрической конфигурации концентраторов вследствие упрочняющей обработки.
About the authors
Самарский государственный технический университет
Email: gve5770200@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-4841-9786
SPIN-code: 8660-9105
Scopus Author ID: 57216920036
ResearcherId: AAJ-2941-2021
студент, группа 2-ИАиИТ-10М, Институт автоматики и информационных технологий
Russian Federation, 443100, Самара, ул. Молодогвардейская, 244Самарский государственный технический университет
Author for correspondence.
Email: afa_samara@inbox.ru
ORCID iD: 0000-0001-8660-2990
SPIN-code: 3063-2002
научный руководитель, кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры прикладной математики и информатики
Russian Federation, 443100, Самара, ул. Молодогвардейская, 244References
- Биргер И.А. Остаточные напряжения. Москва: Машгиз, 1963. 232 с.
- Павлов В.Ф., Столяров А.К., Вакулюк В.С., Кирпичев В.А. Расчет остаточных напряжений в деталях с концентраторами напряжений по первоначальным деформациям. Самара: Изд-во СНЦ РАН, 2008. 124 с.
- Радченко В.П., Афанасьева О.С., Глебов В.Е. Исследование влияния остаточных напряжений на геометрические параметры поверхностно упрочненного бруса // Известия Саратовского университета. Новая серия: Математика. Механика. Информатика. 2019. Т. 19, № 4. С. 464–478. doi: 10.18500/1816-9791- 2019-19-4-464-478
Supplementary files
