Механика контактного взаимодействия элементов сферической опорной части с антифрикционной полимерной прослойкой

Каменских, Анна Александровна

Механика контактного взаимодействия элементов сферической опорной части с антифрикционной полимерной прослойкой тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.04 ВАК РФ

Каменских, Анна Александровна АВТОР

кандидата технических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Пермь МЕСТО ЗАЩИТЫ

2013 ГОД ЗАЩИТЫ

01.02.04 КОД ВАК РФ

Диссертация по механике на тему «Механика контактного взаимодействия элементов сферической опорной части с антифрикционной полимерной прослойкой»

Автореферат диссертации на тему "Механика контактного взаимодействия элементов сферической опорной части с антифрикционной полимерной прослойкой"

На правах рукописи

'У-

Каменских Анна Александровна

МЕХАНИКА КОНТАКТНОГО ВЗАИМОДЕИСТВИЯ ЭЛЕМЕНТОВ СФЕРИЧЕСКОЙ ОПОРНОЙ ЧАСТИ С АНТИФРИКЦИОННОЙ ПОЛИМЕРНОЙ ПРОСЛОЙКОЙ

01.02.04 — Механика деформируемого твердого тела

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

3 О МАП 2013

005060362

Пермь-2013

005060362

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Пермский национальный исследовательский политехнический университет»

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Труфанов Николай Александрович

Роговой Анатолий Алексеевич, доктор физико-математических наук, профессор, ФГБУН «Институт механики сплошных сред Уральского отделения РАН», заместитель директора

Домбровский Игорь Викторович, доктор технических наук, доцент, ЗАО «Специальное конструкторское бюро» ОАО «Мотовилихинские заводы», директор

Ведущая организация:

ФГБУН «Институт механики УрО РАН», г. Ижевск

Защита состоится «24» июня 2013 г. в 16:00 на заседании диссертационного совета ДМ 212.188.05 при Пермском национальном исследовательском политехническом университете (614990, г. Пермь, Комсомольский пр., 29, ауд. 4236).

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Пермского национального исследовательского политехнического университета.

Автореферат разослан «23» мая 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, доцент А.Г.Щербинин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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.

2. Выполнить анализ существующих подходов и методов решения подобных задач и выбрать наиболее эффективные.

3. 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.

4. 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.

5. Обосновать упрощение расчетной схемы сборной конструкции опорной части с шаровым сегментом.

6. 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 АЫБУБ.

Научная новизна:

1. 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.

2. 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.

3. 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.

4. 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:

1. 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.

2. Данные сравнительного анализа напряженно-деформированного состояния опорной части при различных эксплуатационных воздействиях и конструкционных особенностях.

3. Новые результаты исследования деформационного поведения разных полимерных материалов антифрикционных прослоек в контактном узле конструкции опорной части с шаровым сегментом и закономерности изменения контактных параметров.

4. 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 ООО «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 H.A. Труфанов), 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.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ В главе 1 содержится обзор научных публикаций по исследованию тел с покрытиями и прослойками, а также слоистых сред, в рамках механики контактного взаимодействия. Рассмотрены аналитические и численные подходы к решениям контактных задач для слоистых сред и тел с покрытиями и прослойками. Выполнен анализ основных направлений исследования контактного напряженно-деформированного состояния опорных частей пролетных строений мостов. На основе анализа научных публикаций, сформулированы цель и задачи диссертационной работы.

В главе 2 описаны особенности физико-механических свойств материалов антифрикционной прослойки контактного узла, произведена математическая постановка задачи контакта упругих тел через упругопластическую прослойку, численно смоделировано поведение образцов из антифрикционных полимерных материалов в условиях свободного сжатия и рассмотрена практическая сходимость численного алгоритма решения контактной задачи на модели контактного узла опорной части с шаровым сегментом.

Общая математическая постановка контактного взаимодействия упругих тел 1 и 2 с упругопластической прослойкой 3 (рис. 1) включает в себя: уравнения равновесия

divö = 0, xeV (1)

геометрические соотношения

і(у«+(угг)г), хєУ, (2)

<з = -

Зе„

2 V

физические соотношения

& = Х/1(е)/+2цє, хєГ1иУ2, (3)

где X и ц - параметры Ламе, а - тензор

напряжений, є - тензор деформаций,

__й — вектор перемещений, х - радиус-вектор

Рис.1. Контакт через прослойку произвольной І 0,ІКИ, /і(к) _ первьій

инвариант тензора деформаций, І - единичный тензор, \\ - область, занятая плитой с шаровым сегментом, У2 - область, занятая плитой со сферическим вырезом, У3 — область, занятая полимерной прослойкой, У = У1иУ2иУ3.

Для описания поведения материала прослойки выбрана деформационная теория упругопластичности, физические соотношения которой имеют вид:

^''-(Ц/, (£)/}+*/, (в)/, хеУ3 (4)

где а„ =фі2(Щ) ~ интенсивность тензора напряжений, /2(-Се) - второй

инвариант девиатора тензора напряжений г„ = (/-V) - интенсивность

л/3

тензора деформаций, /2(/Л) - второй инвариант девиатора тензора деформаций , К - объемный модуль упругости, стн = Ф(ги) - функциональная зависимость, определяемая диаграммой деформирования материала прослойки при одноосном напряженном состоянии.

Система уравнений (1) - (4) дополнена условиями взаимодействия на поверхности контакта (в самом простом случае Л'А- =ЯК] ), при этом

на Як контактируют два тела, условные номера которых 1 и 2. Рассмотрены следующие типы контактного взаимодействия:

- проскальзывание с трением: для трения покоя

12121 2 1 2 и =и , о„ = о„, а = о" ,ст = а , (5)

" " ' ЛТі ИТ) ' ит2 "т2

при ЭТОМ аи < 0, а,п < (¡гст„,

- для трения скольжения

121 21 2 1 9 1 л і л

и„=и„,и ФгГ ,и Фи ,ст„=ай,с = сг ,ст =а , (6)

" " ' Т[ Ті ' Т2 Иг1 "Ті "х2 "т2

при ЭТОМ аи < 0, от = <уаи ,

- отлипание

к ~"»і - °' ===°'

полное сцепление

й^и2, ст1 =ст2 ,а1 =а2 , (8)

' " ИХ] «X] п%2 пх 2 4 7

где с/ - коэффициент трения, т1>т2 — условные обозначения координатных осей, лежащих в плоскости, касательной к поверхности контакта, и„ - перемещения по нормали к соответствующей контактной границе, ит,ит — перемещения

в касательной плоскости, с>п - напряжение по нормали к контактной границе, о„Т| ,о1Пэ — касательные напряжения на контактной границе, ат - величина

вектора касательных контактных напряжений.

Численно решена задача о свободном сжатии цилиндрических образцов из материалов антифрикционной прослойки (мат. 1 - фторопласт, мат.2 - антифрикционный композиционный материал на основе фторопласта со сферическими бронзовыми включениями и дисульфидом молибдена, мат.З - модифицированный фторопласт) с учетом контакта между образцом и плитами пресса. Установлено хорошее количественное соответствие численных результатов при использовании определяющих соотношений деформационной теории пластичности и данных натурного эксперимента (рис. 2).

а)

Рис. 2. Диаграммы сжатия - ( точки натурный, линия численный эксперименты):

а) мат.1; б) мат. 2; в) мат. 3

Конструкция контактного узла опорной части с шаровым сегментом мостового пролета, включает: верхнюю стальную плиту с шаровым полированным сегментом - 1, нижнюю стальную плиту со сферическим вырезом - 2 и разделяющую их сферическую полимерную антифрикционную прослойку 3 (рис. 3.). _

Рис. 3. Опорная часть с шаровым сегментом: а) верхняя плита с шаровым сегментом, б) нижняя плита с антифрикционной прослойкой

На упрощенной модели контактного узла произведена проверка практической сходимости численного решения, задачи контактного взаимодействия, выбрано оптимальное количество узловых неизвестных в конечно-элементной системе для задачи в осесимметричной постановке.

В главе 3 в осесимметричной постановке исследовано поведение конструкции опорной части в сборе и отдельно контактного узла,

а так же изучено влияние на контактные напряжения канавок со смазочным материалом, присутствующих на сферической поверхности скольжения контактного узла. По результатам исследования сделан вывод о возможности рассмотрения только контактного узла (рис. 4.) и исключении из расчетной схемы канавок со смазочным материалом.

.1—.И—LJ_1 -U.l

• Л '—^—

Рис. 4. Расчетная схема, действие вертикальной и горизонтальной нагрузок

При этом на модель контактного узла накладываются кинематические граничные условия на поверхности ,У2

г/,=0, аг(р = 0, feS2, (9)

статические и кинематические граничные условия на поверхности S1

jp: dSx = -Qz, u:(r,h) = U = const, r є Si, (10)

где Q: - вертикальная сила, приложенная к Sx, U - неизвестная величина, а остальные наружные поверхности остаются не нагруженными. В осесимметричной постановке Fx = 0.

Для оценки сходимости результатов решения от числа узловых неизвестных реализованы четыре варианта сетки, в которых прослойка по толщине разбивается на 2, 4, 8 и 16 слоев элементов.

PkJP

Ї 7 2 3 4......

а)

г, м

Ч/р и1- X и2), т ['

/7-

. г.ООЕ-ОС

^ 4 i.SOE-O

У ЇА 2 1 3 І.ООЕ-О.

5 ООСОГ <f- ' •J.OOE-O;

ОООЕ ОО

б)

^^проскальзывание

\ проскальзывание

Рис. 5 Относительные величины давления (а) и касательного напряжения (б) на поверхности контакта при разбиении антифрикционной прослойки на:

2 слоя (линия 1), 4 (2), 8 (3), 16 (4); На рис. 5 показана сходимость численного алгоритма решения задачи по параметрам контакта, а также выполнения контактных граничных условий

по касательным перемещениям (серая линия, рис. 5.,б). Анализ влияния количества слоев элементов сетки по толщине прослойки на относительное контактное давление РК] /Р и относительное контактное касательное

напряжение тК[ /Р в точках, принадлежащих поверхности SKl, показывает,

что сходимость результатов достигается при числе слоев, равном 8. При этом общее число узловых неизвестных составляет около 50 тысяч, контактных элементов - около 500, время расчета порядка 16 сек., для решения контактной задачи требуется соответственно 4 подэтапа по 12 итераций. Все расчеты выполнялись на серверной платформе Soc-1366 SuperMicro 4U 7046T-H6R (два шестиядерных процессора Soc-1366 Intel Xeon Х5650).

Рассмотрено два варианта контактного узла, отличающиеся радиусом кривизны шарового сегмента производства ООО «АльфаТех» J1-250 и J1-350, и исследовано влияние свойств материалов антифрикционной прослойки на напряженно-деформированное состояние контактного узла. Характер изменения контактного давления и контактного касательного напряжения на SK представлены на рис. 6 (на примере контактного узла JI-250).

!р a) W б)

---- — -L

О.Об 0,05

___ ---j___> 1 > >1. 3

3 О,ОД < /

4 ^ 0.02 "** . \\ Г, м

* Г, M О .....

-1-»----1 , IVI о -1----' - —--

О 0.02 0,04 0.06 О.ОЯ 0,1 0,12 о 0.02 О.ОЛ 0,0<i O.OS 0.1

_сцепление_ проскальзывание _сцепление_ проскальзывание

* -ч I I

отлипание отлипание

Рис. 6. Относительные контактные: давление - а), касательное напряжение - б): 1 - мат. 1 (зоны контакта - а), 2 - мат. 2. (зоны контакта -б), 3 - мат. 3

Контактные давление и касательное напряжение отнесены к прикладываемому вертикальному давлению для Л-250 Р = 54 МПа. Показано, что во всех вариантах расчетов в зоне сцепления напряженное состояние полимерной прослойки близко к состоянию всестороннего упругого сжатия. 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: нет зоны отлипания у края прослойки, минимальные контактные давления и касательные напряжения, при этом нормальные перемещения на мат. 3

в 8 раз меньше, чем у мат. 1 у Л-250, в 4 раза у Л-350.

В главе 4 на основе разработанных ранее подходов исследуется трехмерное напряженно-деформированное состояние контактного узла с учетом реальной пространственной геометрии конструкции и условий нагружения. Изучено влияние геометрии нижней плиты опорной части

на параметры контакта: квадратная в плане (вариант А) и круглая в плане (вариант Б) (рис. 7).

Рис. 7. Модель опорной части с шаровым сегментом: а) нижняя плита - вариант А; б) нижняя плита - вариант Б

Произведена оценка работы экспериментальной установки по испытаниям контактных узлов опорной части с шаровым сегментом на различные уровни вертикальных и горизонтальных эксплуатационных воздействий, расчетная схема эксперимента представлена на рис. 4.

Математическая постановка задачи включает уравнения (1)-(8) и граничные условия: кинематические граничные условия на поверхности 52

и. =0, =Су. =0, хеЯ2, (11)

и статические и кинематические граничные условия на поверхности ^

=£>х,алу = 0, и, (х,у,Ь) = и = сот!, х е^, (12)

«1 Я,

где {X - вертикальная сила, приложенная к Л\; <2Г - горизонтальная сила, приложенная к и - неизвестная величина. Остальные наружные

поверхности остаются не нагруженными.

В трехмерной модели конструкции при разбиении прослойки на 8 слоев элементов по толщине количество узловых неизвестных составляет около 1 миллиона, контактных элементов - около 100 тысяч, время расчета составляет 5 суток, для решения контактной задачи с применением алгоритма автоматического выбора приращения величины внешнего воздействия требуется около 60 подшагов нагружения по 45 общих итераций выполнения условий по контакту и трению. Параметры конечно-элементного разбиения и параметры счета приведены для случая действия только вертикальной нагрузки и рассмотрения четверти контактного узла, действие отброшенной части конструкции заменяется условиями симметрии. При совместном действии вертикальной и горизонтальной нагрузки, в силу симметрии, рассматривается половина контактного узла, вследствие чего число узловых неизвестных увеличивается примерно в 2 раза, при этом время счета составляет более 15 суток.

Для контактного узла Л-250 максимально возможные горизонтальное распределенное усилие ^ = 7 МПа и давление Р = 54 МПа, у Л-350 -Рх=1 МПа и Р = 56 МПа.

Установлен уровень влияния различных комбинаций горизонтальной

и вертикальной эксплуатационной нагрузки на характер и величины контактного давления и контактного касательного напряжения. Влияние уменьшения уровня Рх при тах(Р) и уровня Р при тах(^) показаны на

примере Л-250 с нижней плитой вида Б на рис. 8, 9 соответственно.

•- р Г

Рис. 8. Зоны контакта (а) при максимальном Р и Рх, относительные контактные давление (б) и касательное напряжение (в) на ,: 1 - 100 % ,2-75 % Рх, 3 - 50 % ^, 4-25 % Рх при 100 % Р, 5 - только Р

Треугольниками отмечены зоны контакта: если на кривой нет треугольников, тогда во всем сечении проскальзывание; между торцами треугольников находится зона прилипания. Зарегистрировано, что контактное давление возрастает в направлении действия горизонтальной нагрузки, по мере уменьшения величины данной нагрузки контактное давление приближается к случаю действия только вертикальной нагрузки. В зонах сцепления контактные касательные напряжения меньше чем в зонах проскальзывания, у края прослойки контактное касательное напряжение стремится к нулю, что соответствует стремлению к отлипанию при всех уровнях Рх.

а)

В-

!Р б)

/Я

4 . \2

'-- ' і ' х, м

І /Л VI

- -

в)

Рис. 9. Зоны контакта (а) при 25% от максимального Р и максимальном Рх, относительные контактные давление (б) и касательное напряжение (в) на ,: 1 - 100 % Жх, 2 - 75 % ^, 3 - 50 % Рх ,4-25 % Рх при 100 %Р, 5 - только Р

При уменьшении величины давления с левой стороны прослойки, от которой действует горизонтальная нагрузка, возникает область отлипания, которая увеличивается по мере уменьшения Р (рис. 9.,а). При понижении величины Р контактные давление и касательное напряжение в левой части поверхности контакта падают до 0, часть контактной поверхности перестает участвовать в работе конструкции, между контактирующими поверхностями возникают зазоры.

При увеличении горизонтального воздействия и уменьшении уровня давления происходит падение параметров контакта в левой части контактной поверхности, также происходит разгрузка верхней плиты, т.е. на части конструкции давление отсутствует, при этом возникает увеличение

максимального контактного давления и касательного напряжения и создается тенденция к выскальзыванию верхней плиты.

Таким образом, при изучении трехмерного напряженно-деформированного состояния контактного узла установлено резкое падение контактных напряжений на контактной поверхности у края прослойки (до 10% общей площади) во всех постановках при действии только вертикальных эксплуатационных нагрузок, что соответствует снижению работоспособности части контактной поверхности; при совместном действии вертикальных и горизонтальных усилий зарегистрирована тенденция уменьшения (в неблагоприятном случае до нуля) площади сцепления контактной поверхности, с ростом площадей скольжения и отлипания с возможным выскальзыванием узла из опоры; увеличения (до 1,6 раза) максимальных уровней контактного давления.

Зарегистрирована тенденция и установлены количественные параметры подъема контактного узла по боковой поверхности опорной чашки при росте горизонтальных и уменьшении вертикальных усилий, действующих на конструкцию (рис. 10, 11). При этом ир_ - перемещения верхней плиты при действии разного уровня Гх и тах(Р), и' - перемещения при действии только тах(Р), и''_ - перемещения при действии тах(У ) и разного уровня Р, и}'"" - перемещения при действии тах () и тах(Р).

Р о и -и., м

а)

Р Р

■тах(^) г ..0

Рис. 10. Зависимость и, -и_ от (а) и и - и от Р (б), Л-250:

1 - плита варианта А, 2 - плита варианта Б Контактный узел с нижней плитой вида А более чувствителен к изменению горизонтальной и вертикальной нагрузок. Подъем верхней плиты с шаровым сегментом при совместном действии максимальных Р и ¥х у конструкции с нижней плитой вида А ~ в 2,5 раза больше, чем у контактного узла с нижней плитой вида Б (рис. 10., а). При уменьшении уровня вертикального давления подъем верхней плиты с шаровым сегментом у контактного узла с нижней плитой вида А больше примерно в 1,4 раза, чем при нижней плите вида Б.

В конструкции контактного узла Л-350 подъема верхней плиты при увеличении горизонтальной нагрузке не наблюдается (рис. 11), плита незначительно опускается. По мере уменьшения вертикальной нагрузки происходит подъем верхней плиты, при этом контактный узел Л-350 практически не чувствителен к геометрии нижней плиты. Величина подъема

верхней плиты с шаровым сегментом Л-350 близка к соответствующей величине подъема контактного узла Л-250 с нижней плитой вида Б при уменьшении вертикальной нагрузки.

Рис. 11. Зависимость - и° от Рх (а) и и'' - г/'"" от Р (б), Л-350: 1 - плита варианта А, 2 - пиита варианта Б

Рассмотрены силовые реакции контактного узла на горизонтальную силу при различном уровне вертикального воздействия в виде изгибающего момента, который необходимо компенсировать в экспериментальной установке. На рис. 12 приведены моменты, возникающие в опорной части

Рис. 12. Зависимость реакции контактного узяа от Т7, (а) и Р (б), 1 - плита варианта А, 2 - плита варианта Б

Моменты возрастают при увеличении горизонтальной силы и уменьшении давления. Момент М. при совместном действии максимальных Р и ^ у конструкции с нижней плитой вида А в 1,1 раза больше, чем у конструкции с нижней плитой вида Б (рис. 12., а). Моменты, возникающие в контактном узле Л-350 ~ в 2 раза меньше соответствующих моментов конструкции Л-250 и мало реагируют на геометрию нижней плиты.

Произведен анализ работы контактного узла с антифрикционной прослойкой из трех разных материалов при совместном действии вертикальной и горизонтальной нагрузок. В случае контактных узлов с фторопластовой антифрикционной прослойкой не все решения контактной задачи удалось получить при максимальном уровне эксплуатационных воздействий, при этом в контактном узле Л-250 контактные касательные напряжения падают на большей части контактной поверхности, чем у 2-х других материалов при обоих вариантах нижней плиты. Модифицированный фторопласт показал наименьший уровень максимального контактного давления, при этом падение

контактного касательного напряжения происходит на меньшей площади контактной поверхности, чем у двух других рассматриваемых материалов.

Заключение

1. Для конструкции опорной части с шаровым сегментом впервые создана трехмерная численная модель деформирования контактного узла с антифрикционной прослойкой под действием вертикальных и горизонтальных эксплуатационных сил с учетом трения между сопрягаемыми деталями и всех типов контактного состояния.

4. Установлено резкое падение контактных напряжений на контактной поверхности у края прослойки (до 10% общей площади) во всех постановках при действии только вертикальных эксплуатационных нагрузок, что соответствует снижению работоспособности части конструкции.

5. Зарегистрирована тенденция и установлены количественные параметры подъема контактного узла по боковой поверхности опорной чашки при росте горизонтальных усилий, действующих на конструкцию, что сопровождается негативными эффектами: уменьшением (в неблагоприятном случае до нуля) площади сцепления контактной поверхности, ростом площадей скольжения и отлипания, увеличением (до 1,6 раза) максимальных уровней контактного давления и возможным выскальзыванием узла из опоры.

6. Выработаны рекомендации по рациональному конструктивному оформлению опорных частей с шаровым сегментом и проектированию экспериментальной установки по испытаниям конструкций опорных узлов.

Список публикаций

1. Каменских A.A., Труфанов H.A. Численный анализ напряженно-деформированного состояния опорных частей с шаровым сегментом пролетных строений мостов // Международной конференции по вычислительной механике и современным прикладным программным системам (ВМСППС'2011), 25-31 мая 2011 г., Алушта. - Москва: Изд-во МАИ-ПРИНТ, 2011. - С. 346-348.

2. Каменских A.A., Труфанов H.A. Исследование напряженно-деформированного состояния опорных частей пролетных строений мостов с учетом пластичности материала антифрикционной прослойки // Математическое моделирование в естественных науках: тез. докл. XX Всерос. шк.-конф. мол. учен, и студентов. - Пермь: Изд-во ПНИПУ, 2011. - С. 40.

3. Каменских A.A., Труфанов H.A. Численный анализ контактного напряженного состояния опорных частей с шаровым

сегментом // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. - 2011. - Т.13, №4. - С. 960-965.

4. Каменских A.A. Напряженное состояние в контактной прослойке опорной части с шаровым сегментом // Вестник ПНИПУ. Механика. - 2012. -№1.- С. 31-42.

5. Каменских A.A., Труфанов H.A. Исследование напряженного состояния в контактной прослойке опорной части с шаровым сегментом // Международной конференции по неравновесным процессам в соплах и струях (NPNJ'2012), 25-31 мая 2012 г., Алушта. - Москва: Изд-во МАИ-ПРИНТ, 2012. - С. 375-377.

6. Каменских A.A., Труфанов H.A. Оценка работы модели опорной части с шаровым сегментом // Математическое моделирование в естественных науках: тез. докл. XXI Всерос. шк.-конф. мол. учен, и студентов. - Пермь: Изд-во ПНИПУ, 2012. - С. 90-91.

7. Kamenskih A.A., Trufanov N.A. Research into mechanical behavior of bearings and their sliding surface materials // Инновационные процессы в исследовательской и образовательной деятельности: тез. докл. I Междунар. науч. конф., (Пермь, 22 мая 2012 г.)./ Перм. нац. исслед. политехи, ун-т. -Пермь: Изд-во ПНИПУ, 2012. - С. 83-85.

8. Каменских A.A., Адамов A.A. Численное исследование сферического контактного узла с нолимерной антифрикционной нрослойкой // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. - 2012. - № 3-2. - С. 48-55.

9. Каменских A.A., Труфанов H.A. Напряженное состояние в контактной прослойке опорной части с шаровым сегментом // Вестник ПНИПУ. Прикладная математика и механика. - 2012. - №10. - С. 77-89.

10. Адамов A.A., Каменских A.A., Труфанов H.A. Напряженно-деформированное состояние контактного узла с антифрикционной прослойкой из композиционного материала // «Механика композиционных материалов и конструкций». Тезисы докладов IV-ro Всероссийского симпозиума. Москва, 4 декабря - 6 декабря 2012 г. - Москва, ИПРИМ РАН, 2012. - С. 14.

11. Каменских A.A., Труфанов H.A. Численный анализ напряженно-деформированного состояния контактного узла с антифрикционной прослойкой из модифицированного фторопласта // XVIII Зимняя школа по механике сплошных сред, Пермь, 18февраля - 24 февраля 2013 г.: тез. докл. Пермь -Екатеринбург, 2013. - С. 164.

12. Каменских A.A., Труфанов H.A. Численный анализ напряженного состояния сферического контактного узла с прослойкой из антифрикционного материала // Вычислительная механика сплошных сред. - 2013. - Т. 6, № 1. - С 54 - 61.

Подписано в печать 20.05.2013. Формат 60x90/16. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 942/2013.

Отпечатано с готового оригинал-макета в типографии издательства Пермского национального исследовательского политехнического университета 614600, г. Пермь, Комсомольский пр., 29, к. 113. Тел.: (342) 219-80-33.

Текст научной работы диссертации и автореферата по механике, кандидата технических наук, Каменских, Анна Александровна, Пермь

Пермский национальный исследовательский политехнический университет

На правах рукописи

04201359653

Каменских Анна Александровна

Механика контактного взаимодействия элементов сферической опорной части с антифрикционной полимерной прослойкой

01.02.04 - Механика деформируемого твердого тела

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель Доктор технических наук, профессор Труфанов Н.А.

Пермь-2013

Содержание

Введение 4

1. Анализ современного состояния проблемы исследования напряженно-деформированного состояния контактного узла с антифрикционной прослойкой для мостовой опоры 12

1.1. Механика контактного взаимодействия деформируемых слоистых сред, конструкций и конструкций с покрытиями и прослойками 12

1.2. Аналитические и численные методы решения задач контакта для слоистых сред и тел с покрытиями и прослойками 16

1.3. Напряженное состояние в опорных частях пролетных строений мостов, мостовых сооружений и эстакад 21

1.4. Выводы по главе 25

2. Общая постановка и численная реализация задачи контактного взаимодействия упругих элементов опорной части с шаровым сегментом при наличии антифрикционной прослойки 28

2.1. Механические свойства материалов антифрикционной прослойки 28

2.2. Общая математическая постановка задачи контакта двух упругих тел через антифрикционную прослойку 34

2.3. Проверка сходимости численного решения задачи контактного взаимодействия на тестовой задаче о вдавливании шара в пространство 37

2.4. Численное моделирование поведения образцов из антифрикционных полимерных материалов в условиях свободного сжатия 40

2.5. Исследование практической сходимости алгоритма численного решения контактной задачи 46

2.6. Выводы по главе 53

3. Контактное напряженное состояние элементов опорной части с шаровым сегментом в осесиметричной постановке 54 3.1. Численный анализ конструкции опорной части в сборе 55

3.2. Исследование влияния канавок со смазочным материалом сферической поверхности скольжения на напряженное состояние контактного узла 63

3.3. Численное исследование напряженного состояния контактного узла при разных материалах антифрикционной прослойки 68

3.3.1. Численный анализ работы контактного узла опорной части с шаровым сегментом Л-250 при разных материалах антифрикционной прослойки 70

3.3.2. Численный анализ работы контактного узла опорной части с шаровым сегментом Л-350 при разных материалах антифрикционной прослойки 72

3.4. Выводы по главе 73 4. Численный анализ трехмерного контактного напряженно-деформированного состояния опорной части с шаровым сегментом 76 4.1 Влияние характера нагружения на напряженно-деформированное состояние контактного узла Л-250 78

4.2. Влияние характера нагружения на напряженно-деформированное состояние контактного узла Л-350 98

4.3. Исследование влияния материалов антифрикционной прослойки на контактное напряжено-деформированное состояние 114

4.3.1 Трехмерное напряженно-деформированное состояние контактного узла Л-250 при разных материалах антифрикционной прослойки 115

4.3.2 Трехмерное напряженно-деформированное состояние контактного узла Л-350 при разных материалах антифрикционной прослойки 123

4.4. Выводы по главе 131 Заключение 133 Список литературы 135 Приложение 147

Введение

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 конструкциях 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: антифрикционных композиционных материалов на основе фторопласта-4 с различными нанонаполнителями, модифицированного фторопласта, сверхвысокомолекулярного полиэтилена 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 (расхождение) контактирующих поверхностей. Полимерные материалы антифрикционной прослойки в условиях контактного деформирования могут проявлять существенно нелинейные неупругие свойства.

Для достижения цели необходимо решить следующие задачи:

2. Выполнить анализ существующих подходов и методов решения подобных задач и выбрать наиболее эффективные.

4. 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.

5. Обосновать упрощение расчетной схемы сборной конструкции опорной части с шаровым сегментом.

Краткое содержание работы

В главе 1 выполнен анализ научных публикаций по исследованию тел с покрытиями и прослойками, а также слоистых сред в рамках механики контактного взаимодействия. Помимо общих вопросов механики контактного взаимодействия, рассмотрены аналитические и численные подходы к решениям контактных задач для слоистых сред и тел с покрытиями и прослойками. Выполнен анализ основных направлений исследования напряженно-деформированного состояния опорных частей пролетных строений мостов. Также, на основе анализа научных публикаций, сформулированы цель и задачи диссертационной работы.

В главе 2 описаны особенности физико-механических свойств

материалов антифрикционной прослойки контактного узла, произведена

математическая постановка задачи контакта упругих тел через

упругопластическую прослойку, численно смоделировано поведение

образцов из антифрикционных полимерных материалов в условиях

свободного сжатия и рассмотрена практическая сходимость численного

алгоритма решения контактной задачи на модели контактного узла опорной части с шаровым сегментом.

В главе 3 исследовано поведение конструкции опорной части в сборе и отдельно контактного узла, а так же изучено влияние на контактное напряженное состояние канавок со смазочным материалом, присутствующих на сферической поверхности скольжения контактного узла. По результатам исследования сделан вывод о возможности рассмотрения только контактного узла и исключении из расчетной схемы канавок со смазочным материалом. Рассмотрено два варианта контактного узла, отличающихся радиусом кривизны шарового сегмента производства ООО «Альфа-Тех» Л-250 и Л-350, и исследовано влияние свойств материалов антифрикционной прослойки на напряженно-деформированное состояние контактного узла и характер изменения параметров контакта (контактного давления и контактного касательного напряжения).

В главе 4 на основе разработанных ранее подходов исследуется

напряженно-деформированное состояние контактного узла с учетом

трехмерной геометрии конструкции и условий нагружения. Изучено

влияние геометрии нижней плиты опорной части на параметры контакта:

квадратная в плане (вариант А) и круглая в плане (вариант Б). Произведена

оценка работы экспериментальной установки по испытаниям контактных

узлов опорной части с шаровым сегментом на различные уровни

вертикальных и горизонтальных эксплуатационных воздействий.

Установлен уровень влияния различных комбинаций горизонтальной и

вертикальной эксплуатационной нагрузки на характер и величины

контактного давления и контактного касательного напряжения. Рассмотрен

подъем верхней плиты с шаровым сегментом по антифрикционной

прослойке при действии горизонтальной силы и при уменьшении давления

на узел, выявлены негативные эффекты, которые приводят к отлипанию

контактирующих поверхностей и создают возможность выскальзывания

верхней плиты. Произведен сравнительный анализ работы контактного узла с антифрикционной прослойкой из трех разных материалов при совместном действии вертикальной и горизонтальной нагрузок.

Научная новизна:

4. 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.

На защиту выносятся:

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 ООО «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 сравнением с данными, полученными при натурных экспериментах.

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 H.A. Труфанов), Института механики сплошных

сред УрО РАН (рук. академик РАН В.П. Матвеенко), кафедры ММСП ПНИПУ (рук. профессор П.В. Трусов).

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 132 страниц основного текста, 118 иллюстраций и 8 таблиц.

1. Анализ современного состояния проблемы исследования напряженно-деформированного состояния контактного узла с антифрикционной прослойкой для мостовой опоры

В данной главе выполнен анализ научных публикаций по исследованию тел с покрытиями и прослойками, а �