Научная статья на тему 'ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПОВРЕЖДЕНИЙ БОЛТОВЫХ СОЕДИНЕНИЙ ПРИ ИСТИРАНИИ'

ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПОВРЕЖДЕНИЙ БОЛТОВЫХ СОЕДИНЕНИЙ ПРИ ИСТИРАНИИ Текст научной статьи по специальности «Физика»

CC BY
18
3
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Область наук
Ключевые слова
БОЛТОВОЙ УЗЕЛ / ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ / КОНТАКТНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ / ЗОНА ПОВРЕЖДЕНИЯ / КОНЕЧНЫЙ ЭЛЕМЕНТ / ИСТИРАНИЕ

Аннотация научной статьи по физике, автор научной работы — Кириллова В. А., Рыбакова Л. Ю.

Исследование повреждений болтовых соединений с помощью численного моделирования с использованием ANSYS требует анализа полей напряжений в декартовых координатах по углу и радиусу контактных площадок. Результаты детально показывают формирование болтового узла и положения концентраций напряжений. Поверхность между контактными элементами характеризуется контактным давлением, сцеплением и зазором. При помощи полученных результатов стало возможно определить напряжение, вызвавшее зарождение и распространение трещины, а также положение поврежденного участка болтового соединения.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

NUMERICAL MODELING OF DAMAGE TO BOLTED JOINTS DURING ABRASION

The study of damage to bolted connections using numerical simulation using ANSYS requires the analysis of stress fields in Cartesian coordinates along the angle and radius of the pads. The results show in detail the formation of the bolt assembly and the position of the stress concentrations. The surface between the contact elements is characterized by contact pressure, adhesion and clearance. With the help of the obtained results, it became possible to determine the stress that caused the initiation and propagation of a crack, as well as the position of the damaged section of the bolted joint.

Текст научной работы на тему «ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПОВРЕЖДЕНИЙ БОЛТОВЫХ СОЕДИНЕНИЙ ПРИ ИСТИРАНИИ»

Численное моделирование повреждений болтовых соединений

при истирании

В.А. Кириллова, Л.Ю. Рыбакова Самарский государственный технический университет

Аннотация: Исследование повреждений болтовых соединений с помощью численного моделирования с использованием ANSYS требует анализа полей напряжений в декартовых координатах по углу и радиусу контактных площадок. Результаты детально показывают формирование болтового узла и положения концентраций напряжений. Поверхность между контактными элементами характеризуется контактным давлением, сцеплением и зазором. При помощи полученных результатов стало возможно определить напряжение, вызвавшее зарождение и распространение трещины, а также положение поврежденного участка болтового соединения.

Ключевые слова: болтовой узел, численное моделирование, контактное моделирование, зона повреждения, конечный элемент, истирание.

Введение. Применение болтовых соединений представляют собой механические крепления, которые широко используются в инженерных конструкциях, таких, как автомобили и самолеты, поскольку они имеют более длительный срок службы, чем сварка, заклепочные и штифтовые соединения. Кроме того, расположение каждого крепежного отверстия по своей сути является локализованной концентрацией напряжения и потенциальным источником возникновения и распространения усталостной трещины при циклической нагрузке [1-3].

Истирание происходит на контактной поверхности соединительной детали за счет относительного повторного движения. Для обеспечения хорошей надежности контакта и повышения производительности необходимо изучить распределение сил на площадке контакта и создаваемое ими поле напряжений. Эта область очень чувствительна к повторяющимся напряжениям, которые приводят к зарождению трещины из-за высокой концентрации напряжений на краю отверстия [4-5].

В данном исследовании была разработана трехмерная модель конечных элементов для прогнозирования механического поведения болтовых

М Инженерный вестник Дона, №12 (2022) ¡vdon.ru/ru/magazine/a rch ive/ n 12у2022/8099

соединений. Влияние крутящего момента на усталостную характеристику и вид разрушения было исследовано в болтовых соединениях. Численные результаты были подтверждены экспериментально и показали, что величина момента смыкания и уровень циклического нагружения определяют режим разрушения болтовых узлов.

Конечно-элементное моделирование. Была создана трехмерная модель конструкции с соответствующими размерами с использованием ПК ANSYS для проведения анализа полей напряжений в зоне контакта.

Геометрия модели. В этом моделировании крепежные детали (винты, гайки, контргайки, диски) рассматриваются, как твердые тела в конечно-элементной модели. На рис. 1 показаны граничные условия и условия нагружения в статике.

Фиксированная поддержка

Рис. 1.- Граничные условия и режим нагружения

Трехмерные кирпичные элементы (SOLID45) используются для моделирования болтового соединения, этот элемент определяется восемью узлами, каждый из которых имеет три степени свободы. Кроме того, элемент контакта «поверхность-поверхность», состоящий из контактных элементов (СОЭТАС173) и элементов целевой поверхности (TARGE169), используется

на границах между всеми соединенными частями болтового соединения для численного моделирования контактных задач.

Трение между контактными поверхностями в месте соединения моделируется с помощью классической кулоновской модели, где коэффициент трения был установлен равным 0,2.

Величина момента затяжки. Метод, используемый в этом моделировании для выполнения момента затяжки, представляет собой метод поворота гайки. Этот метод основан на заданном вращении гайки [6-8].

Затяжка может быть достигнута двумя способами:

• Болт сначала затягивается вручную, а затем закручивается на указанную величину. Перед затяжкой болтов контактные поверхности должны плотно прилегать.

• Ударным ключом сначала затягивают болт до плотного прилегания слоев соединения (когда ударный ключ переходит к забиванию), после чего гайку доворачивают на величину:

в = 9 0 °с + £ г + а,

где в - вращение в градусах; X - общая толщина плит в сборе, мм; D -диаметр болта в «мм».

Цель этого метода состоит в том, чтобы повернуть гайку достаточно, чтобы хорошо перевести болт в пластическое состояние. В этом случае натяжение хвостовика сравнительно нечувствительно к изменению вращения гайки, в то время как существует большой запас до того, как произойдет разрыв [9].

Детальный анализ был проведен для каждой составляющей напряжения между отверстием и краями контактной площадки в численной модели, чтобы проанализировать совместное влияние момента затяжки и циклической нагрузки на распределение поля напряжений и правильно

М Инженерный вестник Дона, №12 (2022) ¡vdon.ru/ru/magazine/a rch ive/ n 12у2022/8099

локализовать место зарождения трещины в зоне контакта [10]. Предварительное натяжение проводилось методом поворота гайки, изображенным на рис.2.

Рис. 2. - Предварительное натяжение методом поворота гайки

Результаты и обсуждение

Распределение напряжений в зоне контакта. По полученным результатам можно найти значение напряжения для локализации места зарождения трещины в зоне контакта, но предсказать точное положение начала невозможно. Был проведен детальный анализ каждой составляющей напряжения между отверстием и краями зоны контакта в численной модели. Необходимо проанализировать совместное влияние момента затяжки 0 = 106,6° и циклической нагрузки ^=12 кН) на распределение поля напряжений и правильное определение места зарождения трещины в зоне контакта.

Рассмотрим распределение нормальных напряжений в зоне контакта, представленных на рис.3, 4.

ту г (mm)

Рис. 3. - Распределение нормального напряжения в зоне контакта

<?хх = fir, в)

Рис. 4. - Распределение касательного напряжения в зоне контакта °уу = f(r,9)-,azz = f(r,e)

Из рис.3, 4 видно, что знак всех составляющих напряжения по лучу (аж; ауу; а22) положительный. Напряжения (ауу; а22) принимают постоянные значения ауу = 100 МПа; а22 = 219,23 МПа независимо от значения луча. На краю отверстия г = 2,5 мм напряжение ахх принимает минимальное значение

ахх = 282 МПа и возрастает до максимального значения при ахх = 288,87 МПа при г = 7,5 мм, затем ахх симметрично уменьшается до своего минимального значения = 279,5 МПа на площади контакта г = 12,5 мм.

Изо-значение распределения напряжения в контакте. Анализ графиков на рис.5, 6 указывает на то, что знак всех напряжений по углу (ахх; ауу) положителен. Каждое напряжение (ауу; а22) является постоянным независимо от 0 < 0 < 360°, а напряжение (ахх) меняются в зависимости от угла.

В положении 0 = 178,81° нормальное напряжение ахх принимает максимальное значение ахх = 288,87 МПа, затем непрерывно уменьшается, пока не достигнет своего минимального значения ахх = 279,43 МПа до положения, определяемого 0 = 0°.

В соответствии с направлением момента затяжки, напряжение принимает значение а22 = 219,23 МПа.

Рис. 5. - Изо-значения распределения нормального напряжения в зоне

контакта ахх = /(г, в)

wo

Рис. 6. - Изо-величины распределения нормального напряжения в зоне

контакта ауу = /(г, в)

Можно сделать вывод, что механизм зарождения трещины контролируется составляющей ограничения в направлении действия циклической нагрузки.

Ввиду явления концентрации напряжений в механике, узел, соответствующий определенному положению, на угол 0 = 178,81°, является более опасным в зоне контакта, так как составляющая напряжения, которая запускает зарождение трещины и распространение истирания в плоскости достигает максимального значения.

Следовательно, узел, соответствующий положению, определяемому углом г = 7,5 мм, более опасен в зоне контакта. Это положение соответствует предыдущему положению 0 = 178,81° по проекции с геометрией моделирования. Мы находим, что это положение соответствует наклонной плоскости под углом 0 = 90° по сравнению с планом приложения циклической нагрузки.

Заключение

Численное моделирование, выполненное в 3D, позволяет описать реальное поведение болтового соединения при истирании. Результаты, полученные при помощи численного моделирования, позволяют описать реальное поведение болтового соединения при истирании. Анализ показал, насколько важную роль играет момент затяжки в передаче нагрузки.

Технологические, числовые параметры влияют на распределение поля напряжений. Так же было отмечено, что детали, у которых высокая концентрация напряжений Фон Мизеса, как правило, находятся в крепежных деталях и дорожках трения, вызывая трещины, разрывы и другие механические повреждения.

Литература

1. Биргер И.А., Иосилевич Г.Б. Резьбовые соединения. М.: Машиностроение, 1973. 256 с.

2. Isaev M.S. Applications of Finite Element Analysis in Structural Engineering. Proceedings International Conference on Computer Aided Engineering. 2007. pp. 26-58.

3. Каратушин С.И., Храмова Д.А., Бокучава П.Н. Моделирование напряженно-деформированного состояния болтовых соединений в среде ANSYS // Известия вузов. Машиностроение. 2018. №8 (701). С. 11-18.

4. Гельфанд М.П., Ципенюк Я.И. Сборка резьбовых соединений. М.: Машиностроение, 1978. 109 с.

5. Stolarski T.A. Rolling contacts. London: Professional Engineering Publishing Limited, 2000. 446 p.

6. Гучинский Р.В., Петинов С.В. Прогнозирование развития четвертьэллиптической трещины усталости с помощью конечно-элементного моделирования накопления повреждений // Журнал Сибирского федерального университета. Серия: техника и технологии. 2015. Т.8. №7. С. 890-900.

7. Коротких А.В., Просяников Б.Д., Крылов И.И. Особенности работы болтовых соединений с взаимным продавливанием соединяемых тонкостенных оцинкованных профилей // Известия вузов. Строительство. 2014. №3. С. 93-102.

8. Лавыгин Д.С., Леонтьев В.Л. Алгоритм смешанного метода конечных элементов решения задач теории отказов // Инженерный вестник Дона, 2013. №4. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2013/1910

9. Устименко Е.Е., Скачков С.В. Метод конечных элементов // Инженерный вестник Дона, 2019. №4. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2019/5768

10. Каленов В.В. Расчет болтовых соединений, работающих на сдвиг, по деформационным критериям // Монтажные и специальные конструкции. Изготовление металлических и монтажных строительных конструкций. 1989. №2. С. 12-17.

References

1. Birger I.A., Iosilevich G.B. Rez'bovye soedinenija. [Threaded connections]. M.: Mashhinostroenie, 1973. 256 p.

2. Isaev M.S. Applications of Finite Element Analysis in Structural Engineering. Proceedings International Conference on Computer Aided Engineering. 2007. pp. 26-58.

3. Karatushin S.I., Khramova D.A., Bokuchava P.N. Izvestiya vuzov. Mashinostroyeniye. 2018. №8 (701). pp. 11-18.

4. Gel'fand M.P., Cipenjuk Ja.I. Sborka rez'bovyh soedinenij. [Assembly of threaded connections]. M.: Mashinostroenie, 1978. 109 p.

5. Stolarski T.A. Rolling contacts. London: Professional Engineering Publishing Limited, 2000. 446 p.

6. Guchinskiy R.V., Petinov S.V. Zhurnal Sibirskogo federal'nogo universiteta. Seriya: tekhnika i tekhnologii. 2015. T.8. №7. pp. 890-900.

7. Korotkikh A.V., Prosyanikov B.D., Krylov I.I. Izvestiya vuzov. Stroitel'stvo. 2014. №3. pp. 93-102.

8. Lavygin D.S., Leontev V.L. Inzhenernyj vestnik Dona, 2013. №4. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2013/1910

9. Ustimenko E.E., Skachkov S.V. Inzhenernyj vestnik Dona, 2019. №4. URL : ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2019/5768

10. Kalenov V.V. Izgotovleniye metallicheskikh i montazhnykh stroitel'nykh konstruktsiy. 1989. №2. pp. 12-17.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.