Введение к работе
Актуальность темы. Огромные резервы роста производительности общественного труда и дальнейшего повышения жизненного уровня населения скрываются в проблеме повышения качества выпускаемых машин и приборов. Надежность, долговечность, эффективная работоспособность машин, механизмов и приборов в значительной степени определяется процессами, происходящими в зоне контакта. Именно в зоне контакта часто условия нагружения материала наиболее жесткие, а процессы повреждения конструкции начинаются с поверхности. В ряде случаев, при решении контактных задач, наряду с поиском площадки контакта важен учет тонких нелинейных эффектов, обусловленных шероховатостью, окисными пленками, наличием продуктов изнашивания и т.д. В решении контактных задач существует значительный разрыв между направлением, решающим прикладные контактные задачи тел без учета их шероховатости, и направлением, изучающим контакт шероховатых поверхностей.
В связи с указанным разработка эффективных методов и алгоритмов, позволяющих учесть многие типы нелинейностей при решении контактных задач, является актуальным направлением.
Известны многочисленные попытки решать нелинейные контактные задачи, применяя методы и алгоритмы, разработанные ранее в теории пластичности. В отечественной и зарубежной научно-технической литературе эти подходы получили названия такие, как: методы переменных параметров упругости (переменной жесткости); методы дополнительных (начальных) деформаций; методы дополнительных (начальных) напряжений и т.п. Для сохранения общепринятой терминологии будем далее подразумевать, что разработка методических основ учета нелинейных эффектов при решении контактных задач", вынесенная в название работы, предполагает разработку метода и алгоритмов.
Целью работы является разработка метода и алгоритмов решения контактных задач с учетом нелинейных явлений, имеющих место в области контакта тел.
Методика исследования. В работе использованы методы математического моделирования упругих и неупругих тел на основе метода конечных элементов (МКЭ).
Научная новизна. Научная новизна исследований, проводимых лично соискателем и выносимых на защиту, состоит в том, что разработан метод и алгоритмы решения нелинейных (контактных упругих и упругопластических) задач методом конечных элементов с учетом шероховатости поверхности, геометрии контактирующих тел (поиска площадки контакта), истории нагружения и других нелинейных эффектов.
Разработанный метод основан на методах дополнительных напряжений и дополнительных деформаций и отличается от них тем, что менее требователен к виду нелинейных зависимостей напряжений от деформаций, и практически для всех видов нелинейных зависимостей обеспечивает устойчивость итерационного процесса. В рамках метода разработаны алгоритмы, позволяющие учитывать: геометрию контактирующих тел (поиск площадки контакта) за счет
СПеЦИаЛЬНЫХ СВОЙСТВ КОНТаКТНЫХ КОНеЧНЫХ -ітт^члтг^п' ипнчиис ш-личнии пор-
ЮС, НАЦИОНАЛЬНА* БИБЛИОТЕКА
мальных напряжений (контактных давлений) на зависимость напряжений от деформаций в касательном направлении; различные свойства контактного слоя в двух взаимоперпендикулярных касательных направлениях; упругопласгиче-ское деформирование материала и другие явления.
Практическая ценность и внедрение. Практическая ценность заключена в разработке универсального метода решения нелинейных (контактных упругих и упругопластических) задач методом конечных элементов. Разработанный метод позволяет свести нелинейную систему разрешающих уравнений к сходящейся последовательности решений систем линейных уравнений, без изменения в процессе решения матрицы жесткости системы. Последнее обстоятельство позволяет выполнять факторизацию матрицы жесткости системы один раз в начале решения задачи, что заметно сокращает время расчета.
Разработанный метод решения контактных задач использован для обоснования замены штатного двухслойного вкладыша подшипника (баббит и бронза) модифицированным трехслойным вкладышем (баббит, бронза, сталь). Экономический эффект при этом достигается благодаря снижению себестоимости вкладыша подшипника и увеличению срока его службы (показано уменьшение фактороз, влияющих на развитие фреттннг-усталости, а также на появление и развитие усталостных трещин).
По заказу Института механики металлополимерных систем Национальной академии наук Беларуси (ИММС НАНБ) решена задача о контакте индентора с двухслойным упругопластическим основанием. Показано влияние толщины хромового покрытия на жесткость основания.
Достоверность полученных результатов и выводов диссертационной работы. Достоверность результатов и выводов настоящей работы подтверждена удовлетворительным соответствием результатов решения тестовых задач с аналитическими решениями или решениями, полученными другими численными методами.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на: Международном симпозиуме "О природе трения твердых тел" (Гомель, 1999г); Молодежной научно-технической конференции технических вузов центральной России (Брянск, 2000г); Международном симпозиуме "О природе трения твердых тел" (Гомель, 2002г); Международной научно-технической конференции "Современные проблемы машиноведения" (Гомель, 2002г).
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 9 работах общим объемом 45 страниц, 8 работ написаны совместно с другими авторами.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы, включающего 93 наименования. Работа содержит 194 страницы в том числе: 112 рисунков, 2 таблицы, 3 приложения.
