Напряженно-деформированное и предельное состояния аппарата высокого давления с алмазными наковальнями тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.04 ВАК РФ

о л

АКАДШ1Я Н4УК УКРА1НИ 1нститут проблем! ийцност!

УДК 539.374 : 639.893 На праЬах рукспвсу

ПОЛОТНЯК Сврг1й Борисович

НАПРГЖШО-ДКЮШШШ ТА ГРАНИЧНШ? СМ» Ш® ЕЙСОЯОГО ТИСКУ 3 ММАЗНИМй КОВАДЛАШ

Спец1альн1сть 01.02.04 - Механ1ка деформовеиого твердого т1ла

Авторефера-т дисертацИ на здобутгя вченого ступокя кандидата техн1чш1х наук

Ки1'в -

Робота виковша в ШстягуП надтвердих матер1ал1в (1КЫ) 1м. 8.М.Бакуля Ш УкраХни

Каунов! кер1вшшн: акадэы1к ¡Ш Укрвйш, доктор техн1чних наук, професор U.B.НОВИКОВ '

доктор ф1зжо-нагвматичша наук, старший вауковий ся1вро01тник В.1.ЛЕВ1ТА0

OtUilItol ононенти: доктор техн1чвих наук О.Л.КВИКА

доктор техн1чяих наук ОЛ.ГУЛЯР

Be дуче п1дприемство - Донецький ф1зико-техк1чнив 1нс гиту т АН Украйя

Захист в1дбудеться _ 1994 р. о _ годин! на

зас1данн1 спэц1ал1зовано1 Ради Д 016.33.01 при 1нститут1 проблем м1|щост1 (Ш) АН УкраХни в прю(11цевн1 конференц-зали (262014, КиХв. вул. Тим1ряз1вська, 2).

3 дасертац1ею мохна ознайомитися в б1бл1отец1 Ш1 АН УкраХни

Автореферат роз1сланий "_"_ 1994 р.

В1дгук на автореферат, засв1дчений гербовое гачеткою, просимо надсилати на адресу 1яституту.

Вчений секретер спец1ал1зовано1 Ради, доктор техн!чних наук

Ф.Ф.Гигшшк

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальн1сть теми, у науках про Землю, ф1зиц1, х1м11 та технологи екетремальних параметр1в зростаючого значения набувають безпосе-редн! експериментальн1 досл1дження при високих тисках та температурах. Вони дозволяють визначати необх!дн1 для розрахунк1в ф1зико-меха-н1чн1 властивост1 речовин за екетремальних параметр1в. Технолог1чн1 розробки ведуть до одержання нових матер1ал1в. Досл1джуються законо-м1рност1 тектон1чних процес1в у надрах Земл1.В експериментах при над-високому тиску найб1лып перспективним е використання апарат1в високо- » го тиску з алмазними ковадлами (АВТАК).1х застосування дозволяв вико-" нувати широкий спектр досл1джень речовин при статичних тисках до 500 ГПа. Ефективн1сть експеримент1в. визначает^ся конструкц1ею та як1стю обробки алмазних ковадел (АК). У практиц1 1х використання просл1джуе-ться тендеиц1я переходу в1д емп1ричних метод1в конструювання 'АК до пошуку оптимальних умов роботи основних елемент1в АВТАК. Основу опти-м!зац11 складають розрахунки напружено-деформованого стану (НДС) АК.

Однак, в1дом1 з1 св1тово! л1тератури результата експерименталь-них та теоретичних розробок не дозволяють у повн1Я м1р1 досл1дити по-вед1нку основних елемент1в АВТАК, бо у них не 'Щрахован1 особливост! деформуваняя матер1ал!в при високому тиску, ан1зотроп1я властивостей ,кристал1в алмазу. Таким чином, вваясаеться цоц1льною розробка б1льш повно! методики оптимального проектування АК з урахузанням умов 1х навантаження на засадах чисельного моделювання НДС основних елеми.чЛв АВТАК. Актуальн1сть цього науково-твийчного завдання визначаеться аяиженням витрат часу та матер1альних ресурс1в на виб1р кращих АК та аабезпеченням 1х ст1йкост1 до руйнування за умов надвисокого тиску.

Мета роботи полягае в розробц1 чисельних .методик та дослШенн1 ив 1х основ! НДС, граничного стану ковадел та деформовано! -прокладки АВТАК з урахуванням наявност1 великих пружньопластичних. деформац1й матер1алу прокладки, ан1зотроп11 властивостей кристал1в алмазу та масштабного ефекту, а такок у розробц1 рекомендац!Й з оптим1зац11 конф!гурац11 та умов навантаження ковадел апарату надвисокого таску.

Наукова новизна дисертац1йно! роботи полягае у: розробц1 нелокального критер1ю м1цност1 кристал1в алмазу, що враховуа ан1зотроп1г мЩностних властивостей, масштабний ефект та потребуе м1я1иально1 к1лькост1 експериментально визначаемих сталих матер1алу; розробц! методики визначення пластичних властивостей матер1ал1в, здеформоваг! х на АК: визначенн! НДС прокладки (з урчхуЕанчям нэявнонт! великих пгу-

жньопластичних деформац1й матер1алу) ' та стад1йност1 процесу деформу-вання; досл!даенн! НДС та оц1нц1 м1цност1 АК з урахуваниям ан1зотро-niï властивостей кристал1в алмазу; розв'язку задач1 оптимального про-ектування конструкцИ АК; побудов1 залежностей м!цност1 АК в!д 1х конф1гурац11' та умов навантаження у широкому д1апазон1 тиску.

В1рог1дн!с1ь результат!в досл!джень забезпечуеться розв'язанням необх!дних тестових задач; пор1внянням чисельних р1шень з експеримен-тальшши даними; з!ставленням результат!в розв'язання одн1еГй Tieï ж задач! р1зними методами; оц1нкою точност! виконання крайових умов (К1Г) та точност1 розв'язання систем алгебраХчних р!внянь.

Практична ц!нн1оть. Розроблено та реал1зовано у вигляд1 програм методику чисельно! оптим1зац11 конструкцИ АК; з розрахунк1в Еизначе-н1 оптимальн1 з м!цност! конф1гурац11 ковадел та умови ïx навачтаиен-ня для досягнення тиску до 500 ГПа, а у перспектив! до 1000 ГПа. 0дериан1 результата використовуються в 1Ш 1м. В.М.Бакуля АН Украйи при створенн! АВТАК. Розроблен! методики та пакети програм застосову-ються до анал!зу НДС та м!цност1 (з урахуванням масштабного фактору) осесиметричних елемент1в конструкц1й, що знаходяться п1д д!ею складного силового навантаження у пружн!й облает!.

Основний 0б'ем дасл1джень з теми дисертацИ виконано в межах те-матичного плану IHM 1м. В.М.Бакуля АН Укра1ни. Насл1дки цих досл1д-жень, у найб!льш повному обсяз!, подано у зв!т1 по тем1 "Исследование механического состояния и разработка силовых элементов устройств, работающих при мегабарных давлениях" (N ГР 01890018225).

Адробац1я робота. OchqbhI результата роботи були докладен1 та обговорен1 на: XIV, XVI конферешЦях молодих вчених АН БРСР (М1нськ, 1985 р., 1989 p.), IX - XIII сем1нарах "Вшив високого тиску на речо-вину" (Ки1в, 1983 - 1985 pp., Одеса, 1986 - 1988 pp.), IX - XIV koh-ференц!ях молодих вчених IHM АН УРСР (Ки1в, 1984 - 1989 pp.), V Всесоюзна конференцН "Пдростатична обробка матер!ал1в" (Донецьк, 1985 p.), XI, XII М1кнародних конференц1ях AIRAPT "Високий тиск у науц1 та техн1ц1" (Ки1в, 1987 р., ФРН, Падерборн, 1989 p.), XXVIII М1шародн!й конференцН EHPRG "Високий тиск та матер1али" (Франц1я, Бордо, 1990 р), М1жнародному сем1нар! МЕСАЫАТ'91 "Велик1 пластичн! деформацП ма-тер1ал1в" (Франц1я, Фонтенбло, 1991 р), конференцН "Сучасний стан та перспективи розвитку процес1в р1зання та холодного пластичного дефор-мування метал!в 1нструментом 1з надтвердих матер1ал!в" (Khïb, 1992 р.), 4-Я 5вропейськ1й конференцН з матер1ал1в та технолог1й "Сх1д -Зах1д" (Санкт-Петербург, 1993 р.).

Б повному обсяз! дисертац1йна" робота допов!далася на сем1нар!' В1дд1лу Ыцност1 HTM IHM 1м. Б.М.Бакуля АН Укра1ни (Ки1в, 1993 р.), зас1данн1 секцИ "НадтБерд1, тугоплавк1 та композиц1йн1 матвр1али та 1х властивост!" вчено! ради IHM 1м. Б.М.Бакуля АН Укра1ни (Ки1в\ 1994 р.), кущовому сем!иар1 "Статична (короткочасна та тривала) м1цн1сть" ■ у 1ПМ АН УкраЫи (КиЪв, 1993 р.).

Публ1кац11. Результата досл1дкень викладено у 26 друкованих роботах, основн! з яких наведен1 в к1нц! автореферату.

Структура та обсяг робота. Дисертац1я складаеться з вступу, чо- » тирьох розд1л1в, висновк1в, вгасладених на 124 стор1нках машинописного' тексту, вм1щуе 2 таблиц!, 29 1люстрац1й, список л!тератури з 117 назв.

ОСНОВНШ 3MICT РОБОТЙ У вступ! оОгрунтовано доц1льн1сть розробки методики оптимального проектувати конструкцП Ак на засадах чисельного моделювання НДС де-форЫовано! прокладки та ковадел АВТАК. Зформульован1 мета, наукова йсвизна та практична ц!нн1сть дисертац1йно1 роботй^ пеяюкення, вине-сей! автором до захисту.

I. СУЧАСЙЙИ СТАН ПИТАНИЙ ДЙЯЩВНЕВР

1снуюч1 КонструкцП АВТАК складаю'ться з' двох 'осйовюк частин: ву-■зЛа" вйсокого тисну (рис. 1) та пристрою йавантаявнняг. Коли прокладку стйскуюгь на ковадлах, то в центр1 II утворюеться" зЬна найб!льи bvге тто тиску внаслйок КонцентрацИ налру-жень поблйзу -рвОбчйХ торц1в АК. Проклад- -к а викоиуе 'роль деформованого ущ1льнення Somi вйсокого*тиску та забезпечуе силову п^дтримку поверхонь ковадел.

Удосконалення конструкцП АВТАК в1д-буваеться шляхом розвитку розрахунково-ексПериментальних метод1в досл1дження повед1нки основних елемент1в вузла висо- , Рис.1. Вузол вйсокого тиску: кого тиску. Цим питаниям присвячен1 ро-

1 - алмазн! ковадла; боти Банд1, Руоффа, Мао, Данна, Геттеля,

2 - опорн1 нап1вцил1ндри;. Адамса, БЛ.Береснева, В.Д.Благкз, B.I.

3 - деформована прокладка. Лев1таса, М■ Е.Новикова,В.Г.Сиккоза, С.М.

Ст1шова, Ю.А.Л1тв1на, Р.Г.Арх1пова, 1.М.Кагэново1, 0.В.Герасимович?, Б.А.Фурсенко та 1н. Анал1тичнкй огляд опубл1кованих рос 1т дозволь« зробити виеновок, що у методах розрэхунку тч 0Г1Ти?|11зза11 кснструктиГ

АВТАК значно 1деал1зовано умови роботи основних елеменИв апарату, не враховано ряд вакливих реально д1ючих фактор1в - ан1зотроп!ю криста-л1в алмазу, масштабний фактор та 1н. Для кращо! постановки задач1 оптимального проектування АК необх1дно розробити: методику визначення НДС прокладки та ковадел з урахуванням наявност1 великих прукньоплас-тичних деформацхй (за високого тиску) матер1алу прокладки та ан1зот-ропП властивостей кристал1в алмазу; критер1й та методику оц1нки м!ц-ност1 ковадел, що враховуе ан1зотроп1ю властивостей кристал1в алмазу та вплив масштабного фактору; методику олтим1зацИ конструкцП АК.

II. ПОБУДОВА МАТЕМАТИЧНИХ МОДЕЛЕЙ ТА РОЗРОБКА ПРОГРАМНОГО ЗАБЕЗ-ПЕЧЕННЯ ДЛЯ ЧИСЕЛЬНОГО МОДЕЛЮВАННЯ НАПРУХЕНОГО СТАНУ ОСНОВНИХ ЕЛЕМЕНИВ АПАРАТУ ВИСОКОГО ТИСКУ 3 АЛМАЗШШ КОВАДЛАШ

Розрахунково-експериментальна методика визначення граничного пластичного стану матер1ал!в. здеформованих на АК. Зформулюемо систему р1внянь до оц1нки НДС прокладки, стиснуто! на АК. Через те, що дефор-мацИ дуже велик1 та навантаження монотонне, матер!ал прокладки дефо-рмуеться як 1деально пластичний !зотротшй та однор1дний 1 незалежний в!д перед1стор!1 деформування (В.1.Лев1тас, 1987 р.). Оск1льки форма та умови навантаження прокладки осесцметричн1, задачу розв'язуемо в осесиметричн1й постановц1. Система визначальних р1внянь мае вигляд: р!вняння р1вноваги у цил1ндричн!й систем1 координат гдг; р1вняння гранично! поверхн1 !деально! пластичност1; умова повно! пластичност! Хаара-Кармана о3=о2 , (1)

де а3, аг~ головн1 напруження. Найб!льш поширеною формою подання по-верхн1 пластичност1 при високому тиску е залехн!сть опору зсуву 1д в1д г!дростатичного тиску оо. За виконанням (1) 1д можливо разглядати як октаедричз! дотичн1 напруження (або як 1нтенсивн1сть напружень о{), та як дотичн1 тп напруження на площин! ковзання, а о - як г!дростати-чний тиск та як нормальна оп напруження на площин1 ковзання. За цих умов залежн!сть тв(оо) можливо розглядати як умову пластичност1 Кулона-Мора тп=К + о^ р, (2)

або Ботк1на-Миролюбова о(=К2+ о^ р2, ¡3)

да К- границя опору зсуву при оп=0, р- кут внутр1шнього тертя. Прий-маючи певн1 сп1вв1дношення пом1ж оп та оо, тп та о{ одержимо р1вняння зв'язку пом1ж Кг, рг та Я, р. Якщо КУ в напруженнях задано, то система р1внянь буде замкненою. Для И розв'язання використано метод л1н1й ковзання (МЛК), реал!зований В.1.Лев!тасом (1981 р.) у вигляд! пакету програм. У результат! одержано розпод!ли компонент тензору напружень

у прокладц! та напружень по коптактн1й поверхн!, як1 використовуються як КУ при визнзченн! НДС алмазних ковадзл.

Система р!вяянь вм1щуе да! сталих К та р, що характеризуют пла-стичн! властивост! матер!алу прокладки. Для 1х визначення запрононо-вано наступну методику. При стисканн1 прокладки вим!рюеться розпод1л тиску а (г), де г- текучий рад!ус точок контакгно1 поверхн!. Вякорис-

г,

товуемо гагоощене р!вняшя р!вжтаги —- =---—- , де Мг)- товщива

аг П{г)

йронладки. Диференцюючи залежн!сть оо(г) та пошокупчи результат на.

( - ЩР-), одеркуеМо граф!к тп(ао) ! дал! знаходамо К та р.

На в1дм!ну в1д в!дошх методик ця - набагато простЛша 1 дозволяв точн1ше визначати нел1н!йну залежн!сть .

Методика розв'язашя пруйньопластичних задач при великих дэформа-п!ях 1 ексокому тиску. Характерною особлив!сти гфоцесу сгясканйя прокладок на АК е наявн!сть к1нцевих пружн!х об'шях та великих пласти-чних дефорнац1й.Припустшо, що матер!ал пдаспше^дастисливий, об'ем-н1 пружн! деформацИ при високому тиску зсуву мал!.Викори-

стсвуемо модель 1деальпо прукньопластичного^^аЕйрошюго т!ла, запро-поновану В.1.Лов!тасом (1Э87 р.). Уяову шасгаиршост! приймемо у вяг-ляд! (3), закой пластично! теч!£ е плогдан! асоц!йований э

.цим критер!ем. Тод! замкяейа снстем»ц?1®1янъ в дефориовеному поточному стан! в едпн!й дэкартов1й сястеи!»йоорданат мае вягляд:

в

1. Р!вняння р!внсваги ■=' О, !,3=1,2,3 (4)

2. Геометричн! сп1вв1дновеяя*г..,

Кн% - *«* Кг а2= -§- С+1 V

3. Ф!зичн! сп!ш!дкошення у прукн1й област1 Т= о,- от (оо) <0( У пружньопластичн1й облает! Р=0

'у . ы

де Т.,, (1.., Л - тензори 1стияни* ндпрукент, гсп?дкост1 деформацИ та.

V и 11/

вихоря в!дпов!дно; В®^- тензор пружньо! деформацП Ф1нгера, припускаемо, що кошоненти дев!атора ^ B^mâ(J<<t ; А., ц - стал1 Ламе; °<=[is<jsj<) ~ iKT0HCIŒH:1-CTb напружень; Р=0 - поверхнл пластичност1; aT=K2+ootgp2- гранщя текучост!, о^Т^- таек; S^T^- де-

в1атор напружень; B®j, T(J - пох!дна Яумана тензор1в B°Jt TtJ в1дпо-в!дно; - тензор пружн1х сталих; ô(J - символ Кронекера.

Для розв'язання системи р1внянь (4) - (7) використовуеться пакет програм методу ск1нченних елемент!в (МСЕ), розроОлений д.ф. - м.н. В.1.Лев!тасом та к.т.н. А.ВЛдесманом (1986 р.). У випадку значного спотворення с1ткь ск!нченних елемент1в при великих деформац1йх використовуеться процедура переозначення здеформовано! с!тки.

Методика дизначення НДС Alt. 0ск1льки материал АК деформуеться прукньо, форма близька до кон!чно1, умови навантеяення осееиметричн1, то задача розв'язуеться в межах теорИ пружност-i ан1зотрогшжс середо-вшц в осесиметричн!й постанови!.Для перетворення матриц! прукн!х сталих алмазу з кристалограф!чно! системи координат до цил!ндрично! використовуеться процедура переходу з одн!е! системи координат в 1кшу з осередаенням результату по куту 9.Для розв'язку задач1 розроблено пакет програм МСЕ, що використовуе для дискретизацИ б!бл1отеку 1зопа-раметричних ск1нченних елемент!в. Як прототип,використано пакет програм для розв'язання задач механ!ки руйнування, розроблений О.Д.Плато-новим (1984р.). Базовий пакет удосконалено у таких напрямках: розроблено програми автоматично! дискретизацИ облает! на элемента, задаяня КУ та контролю точност! ïx виконання, зм!нено процедуру формування система р!внянь МСЕ (урахування ан!зотроп11 властивостей алмазу),зм1-кэно алгоритм визначення напружень та деформац1й. Тэстування пакету встановюю задов!льну точн1сть отримуваних результат!? t найбХльша в!дносна похибка визначешя перем1щень - 1,5 %, напружень - 4,Б %).

0ц1нка статично! м1цност! АК. Анал!з експериментальних даних показав, що крихке руйнування по площинам спайност1 - ссновний механ!зм руйнування АК. У зв'язку з цим, продануеться застосовувати критер!й максималышх подовкень у плотинах розколювання, що найб1льш адекватно описуюе м1цн!сть кристал!в алмазу (М.В.Новиков, Г.А.Ворон1н, 1984 р.). Для зниження к!лькост! потр1бних сталих узагальнено залежнють грани-Щ м1цност1 1гри розтяганн! в1д !ндекс!в М1ллара площини розколювання. У результат! одержано критер!й м!цност1, що задов1льно описуе в!дом1 експериментальн! дан] та використовуе лише одну сталу:

= о°, = ЗГ(——14——(8)

дэ е<ць>' Е<иь>~ максимальна значения деформаци та модуль Юнга у напрпмку <ЦЪ> в!дпов!дно; 3 - стала Матер1алу; I, J, й - 1нд§кси М1-ллера площини розколюваяня.

В1домо, що м1цн!сть алмазу в значнШ М1р1 заложить в1д величини навантаженого сб'ему V випробуваного зразка. У в1дпов!дност! з тео-

р!ею Вейбула ци залежн!сть зображують у вигляд1 АЧп т (О.О.Шулыкенко, . 1973 р.), де А, т - стал1 матер!алу. Тод1 (8) набуде вигляду

пах. ~ ({| .1/2 гГ 0(ГЯт

до о™®1- максимальна зпач9!шя:екв1валентаж'нпиругень в об' ем1 У, В -стала матер!алу. г - рад!ус-вектор точок об' ему. -

Таким чиною» отримано нелокальний' критерий* м!цност! кристалгв алмазу (ад у точ«!'оС'ему залекить в!д розпод1лу напружень Ь ус!й облает!), що враховус наявн!сть1ан13отроп!1 мЩностних властивостей та вшпга масштабного- фактору.

0птим!&ац5я гесмзтрП :та ,умов* нязантажекня алмазних ковадел. Для розв'язк? задач!-оптим!зац!1 використшто апроксимац!йн! математичн! коде л1; одеркан! при обробц! результат!» чисельного експеримэнту з визначення"м1ц1тост! ковадел. В основу-розрахунк!в покладено метод"то-г!й штнування-.експеримеит!в 1, зокрема, багатор!внев! факторн! плана. Залкзйеть ¿»(х{) у небезпечних зонах шукаемо у вигляд!

дэ1 ь^- в!льний:*член р!вняння, ь^- регресивний коеф1ц1ент при пол1но-м!',/ - го ступеня в!д фактору I, р{^(х{) - ортогональний пол1нсм сту-пеня J в!д фактору I, й- к1льк!сть дослЗджуваних фактор!в, п{- макси-мальний ступЗяь пол1ному по фактору I. План експерименту вибираемо з каталогу факторних план!в. Результата розрахунк1в обчислюються пакетом програм. розроблзним М.М.Потьокк1ним (1981 р.). Якщо модель не забезпэчуе прийнятну точн!сть оц!яок то вводяться додатков1 члени, як1 врэховують наявн1сть взаемод!! поч1ж Факторами. Для знаходження оптимуму псбудованих моделей викоригговуеться мо^Ф1коЕаний симплекс-метод Нелдерп та К1да. Многократно р><?яия зялчч! огггем1заи11 'псбу-дпчл ГИХХДНОГО СКМП.гвКОУ В ТП-ШОХ, Р!ВФ'М !рчо р-.'ТПОД^йНИХ У -

н"му просторI) з»л^!»!х«чуе ?яя*'.ус®мия г.т'"'1.,"М!:м1н1"ууу мол-?.т!.

-IO-

III. досядаэшя процвсу днюруувшш прокладок в

АПАРАТ1 3 ДАМАЗНШИ КОВАДЛАМИ

Пластичн! дластивост! матер!алу прокладки■ здеформовано! на АК. Роэв'язано задачу про граничний пластичний стан стиснутого на АК диску з гартовано! сгал1 T30I (вона звичайно використовуеться для досяг-нення тиску мегабарного д1апазону). Для визначенкя властивостей кате-р1алу вжористако розпод1л тиску oa(r) (o^cuc=I72 ГПа), одержакий екс-шриментально Мао та Баллом (1978 р.). Обробка uieï залежност! дае так! значения сталих К 1 р: К- 0,84 ГПа, р= I0~J.

Одержано розпод!ли компонент тензору напруггень у прокладц1 та контактних напруаень по робочШ поверхн1 ковадел.

Наггружений стан прокладок, дефораованих на АК. Виконано чисельне моделювашм процвсу стяскэння прокладок з! стал! T30I та прасованого л1тографського каменя (ШШ) (взято в якост!' модельного матер!алу). Моделюаання викснувалося по крокам.на кожному - задавалося вертикально зсукення но площин1 симетрП прокладки. Одержано розпод!ли компонент тензору напружень, параметру ОдквЮта q, нормальних та дотичних контактних напружэнь на р!зних етапах стискання. На рис. 2, 3 наведено деяк! з одержаних результат!в. В1дзначимо осо6лиеост1 процесу ; - на початков1й стадИ зона пластичних деформац!й розповсвджуеться в!д периферП' до центру диску. АК зближуються з виникненцям наплив!в, як! забезпечують силову п!дтримку поверхонь ковадел. Максимума напру-

8

а

/

I

■.!! г^тУЙЬ.»^»--»>...<■■->.....-и

г

ш

В

Рис. 2. 1зол!нП параметру Одкв1ста q у прокладц1 з ПЛК при стисканн1 у 1,7(а); 2,6(6); 3,57(в); 5,0(г) та 8,0(д) раз!в на Ali.

жень ог та аг гнаходяться на периферИ диску;

- при подальшому стисканн!, зона пластичних деформац1й охоште всю прокладку, .окр!м обдаст! п1д ковадлом поблизу в!с! симетрП;

- коступоБЭ п!даищвшя навантаження веде до зникнення прукньо! зони ! вшишкае 1ктенеивну теч!ю мптер!алу прокладки. Область максимальних пластичних деформац!й знаходиться на периферИ диску;

- при наступному деформуванн! зона максимальних е^ зб!льшуеться у розм!р1 1 змИцуеться до центру прокладки. Зона найб!льших напрукень о^ та ог зм!щуеться до центру робочо! поверхн1 1 при стисканн1 у 1Д2 рази для ПЛК та у 3,5 рази для стал! Т301 досягае його.

- подальше стискання супроводжуеться незнвчним зб!льшенням р!вня пластичних деформац!й та швидким зростання тиску в центр! прокладки.

Ото;э, винлю-пю ваяшшою для генерування надаисокого тиску е ста-д!я великих пластичних деформац1й матер1алу, на як!й формуеться к!ль-цевий наилив, що забезпечуе силову н!дтримку поверхонь ковадел.

Таким чвдом, досягнуто стуйнь стискання у 8 раз1в для ШШ (д^б.Б, об'емн1 пружн! деформацИ еоО,7, тиск ГПа) та у 5,8 рази для

стал1 Т301 (д*3, о^^БО ГПа, е <*0.7,); одержано розпод!ли прукн1х та пластичних зон у прокладц1 при деформуванн!, виявлено стад!йн!сть про-цесу; одержано розпод1ли контакта напрукень но робоч1й поверхн! АК. На рис. 4 (крива I) наведено залежнЮть т =/(о ) для точок кон-

60

50 40 30 2 О (О

бп, GPa

ч /1 / /3

и—— и

шш. • • -

2\ --- >

N

о.оа о.оз о.аб о.сз о.(г. 0.15 г, тш

Рис. 3. Розпод1л ап напрукень по поверхн! контакту АК - прокладка для стал1 Т301 при стисканн1 у 1,36(1); 1,8(2); 2,8(3); 3,8(4); 5,8(5) раз!в

3.9

3.0 г.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0

in,GPa

S 12 is is 21 24 Cfn, GPa

Рис.4. Залежн1сть %n~f(an) поверхн! контакту АК - прокладка з ПЛК одержана: 1 - МСЕ та 2 - MJIK (R.I.JIobItrc, 1987 р.).

тактноХ noEepxHi прокладки з ПЛК, стиснуто! у а раз1в. Варто в1дзна-чити, що на частин! повэрхн! виконуються умови максимума контактного тертя, на 1нш1Й частин! воно не досягло максимального значения ! там виконуеться умова абсолютного зчеплення. Ран1ше (ВЛ.Лев!тас, 1987р.) була одержана аналог!чна залежнЮть (рис. 4, кр.2) при виконанн! умови (2) для точок контакту (тертя максимально можлкве, просковзуванкя мае м!сце майже на вс!й поверхн! контакту). Таким чином, пркйняття умови абсолютного зчеплення веде до коректного результату: наявност1 зони зчеплення (де in<van, v - коеф!ц!ент тертя) та зони з максималь-ним тертям. Велик! зсувн! деформацИ у другДй зон! моделкють просков-зування у тонкому приконтактному шар!.

Варто в!дзначити, що з1ставлення МСЕ результат!в s данями, одер-ианими у ДонФП (1986 р.) при експериментальному досл!дяенн! процесу стискання прокладок Мдтвердаус в!рог1дн!сть отрягланих результат!в.

IV." 01ГОШЗАЩЯ ГВОЙЕТРП ТА ШОВ ЙйВАНТАЖЕННЯ ДЯМШВД КОВАДЕЛ Для розв'язку задач! оптнм!зац!1 розроблено чисельну методику, яка вм1щуе: визначення НЦС та оц!нку м!цност! АК; побудову математич-них моделей залежност! м1цност! в!д оптим1зуемих параметр!в; знаход-жэння оптимаяьних з м!цност! конф1гурац1й ковадел.

НЦС ковадел визначали чисельно МСЕ. Анал1з результат1в показуе, що по робоч1й гран! д1ють найб1льш! напруження стискання та зсуву, а б!ля основи (п!д св!товим отвором) та побливу робочо! поверхн! на Biel симетрИ - найб!льш! напруження розтягу (ог та од). 0ц1жа м!цнос-т1 АК показала, що найб!лып небезпечними будуть областг д11 максима-льних о., та Од (рис. 5). Враховуючи, що в експеримент! при досягненн! 186 ГНа (Мао, Белл, 1985р.) характер розпод!лу тиску та форма ковадел

0А2 0.17 С.05 0.25. 0.« 0.05

Рис.Г. ТзодШП екн)вгденлтл напружинь о /о'' ^ в АК з урохумякняк ршчшу мргат'Ини'о ф-'Ч"..-:п' (a) i бо? урахув?чн.ч 'си

аналог1чн! прийнятим нами при розрахунках, ми оц1нили значения стало!

U, яка характеризуе м1цн1сть IxhIx ковадел, та одержали - U=G,35 ГПа.

Варто в1дзначити, що у процес! розвантаження з'являсться ща одна

нэбезпэчна зона - безпосередньо на периферИ робочо! поверхн1. Умовою

И виникнення е зниження тиску боково! подтримки до 0.

У результат! анализу д1апазон!в зм1ни експлуатац!йних навантакень

та гзометричних розм1р1в вид1лено ряд характерних конструкц!й АК та.

умов 1х навантаження (4 + 10 параметр1в). Для кожно! з них побудовано

залекност! м1цност1 ковадел у небезпечних зонах в1д оптим1зуемих пара-

метр1в х. (рис. 6) у вигляд! о /по = f(x ), t=I,I0. У результат! 1 ° <j ю> '

Рис. 6. Парамэтри х(, ошсуюч! геометр!ю та умови навантаження АК.

пошуку точок оптимума моделей визначено конф1гурац!1 АК для генеруван-ня тиску до 500 ГПа (табл. 1). Ц1 значения одержан! за допущениям л1-н!йного закону розпод!лу тиску по робоч1й поверхн! АК, що мав м!сце в експеримент1 при одаржанн! 1.85 Мбар. Таким чином, у результат! опти-

Таблиця 1

Посднання оптим!зуемих параметр!в для досягнэння тиску до 500 ГПа (¿Г=6,35 ГПа)

S п/п h,. mm h2. mm *3< mm mm mm Dr mm dr' mm d2. rim 7, mm » 0, ГПа P , max ГПа

1 0,05 0. 5-1 0.00 г,5 г, 50 0,00 О, 10 0, 10 0,00 0,0 503,0

г 0.30 4 , 58 о.оо ?., 5 3,37 г. oo 0, 12 0,20 0,34 56,2 495,0

3 О. 27 3,9? 0, 1 4 3,0 3, 00 3 .00 0. 1 4 0. 42 0,60 52,5 477,0

4 0.5с 1 .56 0, 06 J. В 4,41 1 .48 0,06 О, 28 о.зз 61 ,0 465.0

5 0.U6 <? . 95 0; 00 3.0 3 ,00 2.00 0.21 0.24 0,60 72.0 435.0

6 O.Oli 2 . ЧЪ 0, 00 3,0 3 ,00 0.00 0.21 0,2 4 0, 60 72.0 435,0

7 0, .1» ч. чя 0,05 3.0 3 , fiO u.fJO 0. 1 4 0.24 0. 40 05. 0 385, О

Misauil одеряано ковф1гурацП ковадел та умови 1х навантакення, що дозволяють 01льш н1к у 2,5 рази таревершитк р1вень'досягаемого тиску.

Для визначення мояливост1 використання в якост! коБядел 1нших ма-тер1ал1в, зокрема сапф1ру та пол1кристал1чного алмазу (ПА), проведено

1'аблиця 2

Властивост1 матер1ал1в, ггридатних для виготовлення силових влемвнт!в апарат1в високого тиску типу ковадел

Модуль пружносii Е, ГПа Коеф1ц1ент Пуассона V Граница м1цност1 to j, ГПа

стиск розтяг

Сапф1р' 380 0,24 4,0 0,8

ПА2 925, 0,09 4,74 2,0 '

Природний алмаз3 10Т0 0,07 8,9-12,9 4,0

1- High performance drilling-SYNDAX-Э shows vercatility /P.N.Tomlin-eon, N.J.Pipkin, A.bawmar, R.P.Burnand // Industrial diamond review. - 1985.- H 6.- P. 299 - 304.

2- High-pressure Raman studies of graphite and ferrio chloride-grap-hite/L.Zhenxian, W.Lishong, Z.Yongnian eto.// Journal of Phyeios: Condenoed Matter.- 1990.- V.2. - P. 8093 - 8088.

'3- Физические свойства алмаза. Справочник / Под ред. акад. АН УССР Новикова Н.В. - Киев: Наукова Думка. - 1987.- 188 с.

пор!вняльну оц1нку м1цност1 ковадел з цих материал1в ( критер1й Писа-рэнко - Лебедева) та монокристал!в алмазу. Айал1з результат!в показав, що використяиня цих матер1ал1в на порядок знияуе макскмальшй р1вень генеруекого в АВТАК тиску (до 15 ГПа).

У завершали! дисертац11 наведено основн! висновки.

1. Запропоновано нелокальний критер!й кркхксго руйнування кристал1в алмазу, який враховуе ан1зотроп1и м1цностних властивостей, масштабний фактор та потрэбуе м1н1мальну к!льк1сть експэриментальних даних.

2. РозроОлено розрахунково-експериментальну методику визначення плас-тичних-властивостей Матер1ал!в,здэформованих на алмазних ковадлах. На приклад1 прокладок з гартовано! стал! T30I визначено значение сталих К та р у р1внянн1 гранично! позерхн1 пластичност1 при високому тиску.

3. Проведено чисельнв моделювання процесу стискання прокладок з л1то-графського каменя .(використовуеться як ущ!льнення у техиолог!чних впа-ратах високого тиску) та стал1 T30I ( звичайно використовуеться для генэрування тиску мегабарного д1апазону) на алмазних ковадлах з ура-хуван&тм нэявкост! великих,об*емних пружн!х ( до 70 %), великих плас-•гичних дв$ормац1й матер1алу (до 550 %) та впливу високого тиску. Одержано роэпод1л компонент тензору напружень, пружн1х та иластичких зон

.при деформуванн!, напрухеиь по поверхн! контакту ковадло - прокладка на р1зних етапах стиснення. Виявлано стадШйсть процесу деформування.

4. Розроблено методику та визначено напружено-деформований стан кова-дел з урахуванням ан1зотроп11 пружн1х властивоотей криотал1в алмазу.

5. Проведено оц1нку м1цност1 алмазних ковадел р1зних конструктивна форм. В1дзначено наявнЮть двох зон можливого Ix руйнування - б1ля. основи п1д св1товим отвором та поблизу робочого торця на Biel симет-pll. У процес1 розвантакення Е1дзначено появу ще одн1е1 област1 - на периферП робочо! поверхн1.

6. Вапропоноваво та реал1зовано у вягляд1 програм методику оптим1за-ц11 конструкцИ алмазних ковадел, що вм1щуе визначення напрукено-де-формованого стану та оц1нку м1цност1 ковадел, побудову математичних залежност! м1цност1 в1д оптим1зованих параметр1в, знаходження оптима-льних конф1гурац1й ковадел. Розв'язано задачу оптим1зац11 та одержано конф1гурац11 ковадел для досягнення тиску до 500 ГПа, що б1лъш н1ж у 2,6 рази перевищуе той, що одержано на ковадлах з аналог1чним характером розпод1лу тиску по робоч!й поверхн1 (за Tlel ж м1цност1 алмазу)..

7. Розглянуто можлив1сть використання пол1кристал1в алмазу та сапф1-ру в якост1 матер1алу ковадел 1 визначено максимальний р1вень генеро-ваного тиску ( « 15 ГПа), що значно обмежуе д1апазон Ix використання.

OchobhI положения дисертацИ опубл1ковано у наступних роботах:

1. Тестування пакет1в програм, призначених для розв'язування задач термомеханйш /М.В.Новиков, В.1.Лев1тас, С.Б.Полотняк та 1нш. // Доп. АН УРСР.- 1985. - N 4.- 0. 30 - 33.

2. Напряженно-деформированное состояние элементов АВД с алмазными наковальнями / М.В.Новиков, В.И.Левитас, С.Б.Полотняк, Р.А.Золотарев // Влияние внеоких давлений на структуру и свойства сверхтвердых материалов. - Киев: ИСМ АН УССР, 1985. - С. 65 - 70.

3. Моделирование термоупругопластического напряженного состояния,прочности и долговечности основных элементов аппаратов высокого давления /В.И.Левитас, С.И.Шестаков, А.В.Идесман, С.Б.Полотняк и др. // Гидростатическая, обработка материалов давлением: Тез.докл. IV Всвсоюзн. конф., Донецк, 1985. - Донецк, 1985.- С. 63.

4. Новиков Н.В., Левитас В.И., Полотняк С.Б. Численное моделирование напряженно-деформированного и предельного состояний элементов аппарата высокого давления с алмазными наковальнями //Сверхтвердые материа-алы.~ 1987.- * I.- С. 3 - 10.

5. Numerical modeling of thermomeoanical processes in high pressure

apparatus applied íor superhard materials synthesis / V.l. Levitas, A.V. Idesman, A.A.Leshohuk, S.B.Polotnyak //High Pressure Soienoe and Technology: Proc. XI th AIRAPT Int. Conf. Kiev, 1987 - Kiev: Naukova Dumka, 1989. - V, 4.- P. 38 - 40.

6. Шестаков С.И., Полотняк с.Б., Душинская Г.В.Исследование напряженно-деформированного и предельного состояния элементов аппаратов высокого давления//Мол. ученые в решении комплексной программы научно-технического прогресса стран - членов СЭВ.- Киев: Киев, политехи, ин-т, 1989.- С. 63 - 64.

7. Полотняк С.Б. Напряженное состояние деформируемой прокладки аппарата высокого давления с алмазными наковальнями // Прогрессивные процессы обработки материалов давлением.- Минск: БелНИИНТИ • Госплана БССР, 1989. - С. 48 - 49.

8. Полотняк C.B. Напряженно-деформированное и предельное состояния Наковален аппарата высокого давления с алмазными наковальнями при на-грукении и разгрузке//Сверхтвердые материалы в народном хозяйстве.-Киев: ИСМ АН УССР, 1989,- С. 16 - 19.

9. Левитас В.И., Полотняк С.Б., Идесман A.B. Моделирование напряженного состояния деформируемой прокладки аппарата высокого давления с алмазными наковальнями // Химия высоких давлений.- Москва: Изд-во Ыоск. ун-та, 1990. - С. 52 - 53.

10. Полотняк C.B., Потемкин М.М. Оптимизация конструкционных параметров и условий йагружения наковален аппарата высокого давления с алмазными наковальнями//Получение, свойства сверхтвердых материалов и перспективные технологии их применения.- Киев:ИСМ АН УССР, 1990.- С.85-88.

11. Novikov N.V., Polotnyak S.В.The numerical modelling of the stress - strained state of diamond anvil oell componente //High Pressure Research." 1990.- V.5.- P. 865 - 867.

12. Numerioal optimisation of diamond anvil oell design /N.V.Novikov, Y.I.Levitae, S.B.Polotnyak, M.M.Potyomkin // High Pressure Research.-1991.- V. 8.- P. 507 - 509.

13. Левитас В.И., Полотняк С.Б., Идесман A.B. Моделирование процесса сжатия материалов в аппарате сверхвысокого давления с алмазными нако-вальнями//1У Европейск.конф. по материалам и технологиям "Восток- Запад": Тез.докл., Санкт-Петербург, 1993.- Санкт-Петербург, 1993.- С.90.

14. Numerical optimization of"oonstraotion of the diamond anvil high-pi-esewe apparatus/N.7.Novikov, V.l.Levitas, S.B.Polotnyak.M.M.Potyo-irkin/i'Fulletin of the American physical society.- 1993-- V. 38., No 6.