Содержание к диссертации
Стр.
ВВЕДЕНИЕ 5
ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ.
1.1. Обзор структурно-неоднородных материалов 9
1.1.1 .Классификация структурно-неоднородных ^ q
материалов.
1.1,2.Виды композитов армированных волокнами. ^ j
Особенности строения. Применение.
1.1.3 .Виды композитов армированных частицами. ^ ^
Особенности строения. Применение.
1.1 АНаплавы, как отдельный вид структурно- j у
неоднородных материалов.
1.2. Деформирование и разрушение структурно-неоднородных
материалов.
1.2.1.Особенности деформирования и разрушения композиционных материалов на полимерной основе с волокнистыми наполнителями.
1.2.2.Особенности деформирования и разрушения композиционных материалов с дискретными наполнителями в виде частиц.
Особенности обработки структурно-неоднородных ^ 1 материалов резанием.
Математические модели. 34
Постановка цели и задачи исследования. 44
ГЛАВА 2. ПОЛЯРИЗАДИОННО-ОПТИЧЕСІШЕ ИССЛЕДОВАНИЯ МОДЕЛЕЙ СТРУКТУРНО-НЕОДНОРОДНЫХ СРЕД.
Выбор метода экспериментальных исследований 48
Основы моделирования поляризационно-оптическим _,-методом
Методика экспериментальных исследований поляризационно-оптическим методом.
2.3.1. Физическая суть поляризационно-оптического
метода и принимаемые допущения.
2.3.2. Методика расчета напряжений для любой точки
исследуемой модели.
Оборудование для проведения экспериментальных исследований.
Тарировка оптического дискового динамометра и нагружающего устройства.
2.3.5. Описание экспериментов. 71
2.4. Обработка и анализ экспериментальных данных 74
Поляризационно-оптическая модель №1. Напряжено-деформированное состояние в армирующей фазе.
Поляризационно-оптическая модель №2. Напряжено-деформированное состояние в матричной фазе.
Обобщение данных, полученных на моделях №1,
№2, построение поверхностных графиков распределения 83
напряжений.
2.5. Выводы по главе. 86
ГЛАВА 3. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ И КОМПЬЮТЕРНОЕ
МОДЕЛИРОВАНИЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО 88
СОСТОЯНИЯ.
3.1. Математическое моделирование напряженно-
деформированного состояния регулярной структурно- 88
неоднородной среды.
Методика расчета напряженно-деформированного состояния в отдельно взятом зерне.
Построение математической модели регулярной структурно-неоднородной среды.
3.2. Компьютерное моделирование напряженно-
деформированного состояния структурно-неоднородной среды . 98
со случайной структурой.
Современные программы и методы математического QQ моделирования.
Обоснование выбора программного продукта для 1« , компьютерного моделирования.
3.2.3 Основные допущения и алгоритм расчета. 105
Описание процесса создания модели 109
Программа генерирования двухкомпонентной 1. ~ структурно-неоднородной среды.
Создание конечно-элементной модели в среде .. SolidWorks - CosmosWorks.
3.2.7.Результаты моделирования. Обработка и анализ 1. _
экспериментальных данных.
3.3. Выводы по главе 119
ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ
НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ И
РАЗРУШЕНИЯ СРЕДЫ, ИМИТИРУЮЩЕЙ СТРУКТУРУ КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА НАПЛАВОВ СО СФЕРИЧЕСКОЙ ФОРМОЙ АРМИРУЮЩЕГО ЗЕРНА.
Методика измерения силовой неоднородности при резании. 123
Теоретический расчет силы резания. Выбор измерительного 19^ оборудования.
Описание модели и используемого оборудования. 129
4.4. Планирование эксперимента. Полный факторный ._.
эксперимент.
Выбор факторов и уровней 136
Выбор переменной отклика 138
Выбор математической модели. Матрица 1 _„ планирования эксперимента.
4.5. Тарировка экспериментальной установки. 142
4.6. Проведение эксперимента и анализ экспериментальных 1 .-
данных.
4.7. Выводы по главе. 154
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИИ 157
ЛИТЕРАТУРА 160
ПРИЛОЖЕНИЯ 168
Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время в машиностроении все большую популярность завоевывают композиционные материалы. Они обладают многими положительными конструкционными, физическими, химическими и др. свойствами. Свойства современных композиционных материалов закладываются еще на этапе их проектирования. В зависимости от предъявляемых к будущим деталям требований могут выбираться соответствующие матрица и наполнители. В результате можно добиться более высоких прочностных характеристик при меньшей плотности материала, задать коррозионную стойкость, высокие демпфирующие свойства, хорошую электропроводимость либо наоборот свойства диэлектрика, и т.д. Как правило, технология производства композиционных материалов менее энергоёмка, нежели при производстве традиционных сталей и сплавов, т.к. не требует плавления составляющих. Положительным моментом при этом является высокая точность отливок. Минимальная литейная усадка позволяет получать заготовки, требующие только чистовой обработки, а в ряде случаев не требующие механической обработки как таковой.
Развитие машиностроения требует постоянного совершенствования параметров станков, качества изготавливаемых деталей, более высоких экономических показателей как механообработки в частности, так и отрасли в целом. Это ведёт к поиску и проведению исследований по применимости новых материалов, которые откроют возможности для реализации новых конструктивных решений и технологических процессов. Именно с разработкой и широким применением композиционных материалов связываются перспективы прогресса в машиностроении.
Композиционные материалы с армирующей фазой в виде сферических зерен могут сочетать в себе не только уникальные физико-механические свойства, но и являются значительно более технологичными, чем композиты на основе дробленых армирующих частиц. Сферические зерна позволяют в ряде случаев при создании заготовки либо готовой детали использовать раздельную подачу материала
матричной и армирующей фаз, что дает возможность автоматизации процесса. Яркими примерами являются плазмотроны, где транспортирующим газом в дугу постоянного тока, горящую в потоке плазмообразующего газа, подаются материал матрицы и наполнителя. Также перспективным направлением считается создание промышленных принтеров, способных воссоздавать по предварительно введенной трехмерной модели деталь либо сооружение. Подачу композиционного состава можно сравнить с работой картриджа струйного принтера, выдающего необходимое количество нужных цветов по заданному алгоритму. Сферическая форма зерна позволяет использовать сопла с диаметром, сопоставимым с диаметром наибольших зерен, что дает возможность точной дозировки материала и четкого соблюдения (а . также варьирования) пропорций.
Однако механика обработки таких материалов резанием изучена недостаточно. В отличие от подавляющего числа конструкционных материалов, в данном случае процесс обработки, как правило, проходит без образования стружки. Он больше похож на процесс поверхностного разрушения, который изучен в гораздо меньшей степени, чем стружкообразование. Поэтому представляет научный и практический интерес исследование напряженно-деформированного состояния в частности и механики процесса разрушения такого материала в целом в зоне, граничащей с режущим лезвием. Знание параметров этого процесса может помочь правильно выбирать параметры необходимого оборудования и оснастки, назначать режимы резания, обеспечивающие необходимые технические требования, шероховатость обрабатываемой поверхности, стойкость режущего инструмента.
Цель работы - исследование напряженно-деформированного состояния и установление рациональных режимов обработки структурно-неоднородных композиционных материалов со сферической формой армирующего зерна.
Для достижения указанной цели В диссертации были поставлены
- следующие задачи:
Разработать поляризационно-оптическую модель, имитирующую неоднородность структуры двухкомпонентного композиционного материала со сферической формой армирующего зерна;
Выполнить исследование поляризационно-оптическим методом напряжений в модели структурно-неоднородной среды;
3. Выполнить сравнение напряжений и деформаций, полученных на основе
метода фотомеханики и путем аналитического расчета структурно-неоднородной
среды, как многозвенной статически неопределимой системы;
4. Разработать методику и вспомогательные программы для
компьютерного моделирования полей напряжений и деформаций и выполнить
компьютерные эксперименты;
5. Разработать физические модели структурно-неоднородных сред и
провести экспериментальное исследование процесса стружкообразования при
варьировании гранулометрическим составом и выбираемыми режимами резания;
6. Провести оценку силовой неоднородности при физическом
моделировании резания структурно-неоднородной среды и построить
математическую модель.
Методика исследования. В работе использованы теоретические и экспериментальные методы исследования. Использованы основные положения теории резания, теории упругости, прочности и разрушения, фотомеханики, компьютерного моделирования и программирования, планирования эксперимента и математической обработки экспериментальных данных.
Научная новизна проведенной работы состоит в следующем:
Разработана методика поляризационно-оптического моделирования полей напряжений в структурно-неоднородных средах;
Разработаны поляризацнонно-рптические и компьютерные модели,
позволяющие проводить исследования напряженно-деформированного состояния
в двухкомпонентных композиционных материалах со сферической формой армирующего зерна, возникающего при механической обработке;
3. Построены математические модели, позволяющие прогнозировать
качество обработанной поверхности и величину силовой неоднородности при
обработке двухкомпонентных композиционных материалов со сферической
формой армирующего зерна;
4. Разработана методика изучения силовой неоднородности при
1 физическом моделировании процесса резания структурно неоднородной среды.
Практическая значимость работы определяется:
разработанными моделями, устройствами и методами для поляризационно-оптических исследований полей напряжений в ( двухкомпонентных структурно-неоднородных средах;
- разработанной программой генерации случайной двухкомпонентной
структуры композиционного материала со сферической формой армирующего
зерна;
- математическими моделями для определения величины шероховатости
(среднего арифметического отклонения профиля) и максимальной амплитуды
колебаний силы резания.
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка использованной литературы и приложений.
