ИССЛЕДОВАНИЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ В ОБРАЗЦЕ ПРИ ВДАВЛИВАНИИ ШАРОВОГО ИНДЕНТОРА Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

УДК 620.1.05

ИССЛЕДОВАНИЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ В ОБРАЗЦЕ ПРИ ВДАВЛИВАНИИ ШАРОВОГО ИНДЕНТОРА

Н. Н. Автономов, А. В. Тололо

Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

E-mail: 8350474@gmail.com

Была рассмотрена задача вдавливания шарового индентора в упругопластический образец. С помощью метода конечных элементов были получены картины распределения интенсивности напряжения в образце под шаром и распределения нормального напряжения ay на поверхности образца при нагружении. Было установлено, что в процессе вдавливания зона максимальной интенсивности напряжения локализуется на некотором удалении от зоны контакта шара и образца, а затем расширяется с увеличением нагрузки.

Ключевые слова: вдавливание шарового индентора, метод конечных элементов, интенсивность напряжения.

EXPLORATION OF THE STRESS DISTRIBUTION IN THE SPECIMEN DURING INDENTATION OF THE INDENTER BALL

N. N. Avtonomov, A. V. Tololo

Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: 8350474@gmail.com

Was presents ball indentation numerical solution using finite elements method. The objects of this research is the specimen stress intensity distribution and normal stress ay behavior on the specimen surface. In process of investigation was reveal that during loading process stress intensity maximum localized in small area on the some distance of ball and specimen contact and expand when loading increase.

Keywords: automated ball indentation, finite elements method, stress intensity

Одним из методов получения механических свойств материала узлов и элементов конструкции является вдавливание в него шарового индентора. Особый интерес представляет поведение материала образца в процессе вдавливания шара. Для исследования контакта шара и образца была использована программа ANSYS Multiphysics 15.0 реализующая метод конечных элементов для решения задач теории упругости и пластичности с учетом контактного взаимодействия двух тел [1-5]. В расчетах смоделирован шар диаметром 10 мм со свойствами стали ШХ15. В качестве материалов для образца использованы сталь 20К и титан ВТ1. Максимальная нагрузка была установлена 10Н и 20Н.

При моделировании контакта шарового индентора и образца были получены картины распределения области максимальной интенсивности напряжения в образце под шаром. В процессе вдавливания шарового индентора максимум интенсивности напряжений находится не в лунке непосредственно под шаром, а на некоторой глубине под местом контакта шара и образца в так называемой линзе напряжений. С увеличением нагрузки область максимальной интенсивности напряжения расширяется, увеличивая свои размеры, и при некоторой нагрузке эта область может выходить на поверхность образца на некотором удалении от места контакта (рис. 1, а, б).

Актуальные проблемы авиации и космонавтики - 2018. Том 1

Также были получены зависимости распределения напряжения оу на поверхности материала образца для упругого и упругопластического случаев (рис. 2 и 3 соответственно). Для упругого случая закон распределения напряжения оу на поверхности материала образца близок к параболическому, что хорошо согласуется с аналитическим решением Герца для данной упругой задачи [6].

Рис. 1. Расширение зоны максимальной интенсивности напряжения: а - в материале сталь 20К под шаром для нагрузок 1-9: 0,05; 0,2; 0,5;1; 1,5; 3;5; 7,5; 10Н; б - Расширение зоны максимальной интенсивности напряжения в материале титан ВТ1 под шаром для нагрузок 1-9: 0,01;0,1; 0,2; 0,3; 0,4; 0,5; 0,7; 1; 7,5; 10Н

Рис. 2. Распределение напряжения су на поверхности образца для различных уровней нагружения при упругом контакте: 1 - 2 % от величины максимальной нагрузки в 20 Н; 2 - 10 %, 3 - 20 %,

4 - 50 %, 5 - 80 %, 6 - 100 %

0,02 0,(М 0,06 0,03 ОД 0,12 ОД 4 0,16 0,18 0,2

0

-100

-200

-ЛОЛ

С

к ■400

D

<У

-ЬОО

CJ

3

-вдо

с

nj

I

-im

-ВОО

-900

-1000

1 / —"—- .-_- i t 1 Iifc щ p ■

\ / Г 1 i

1 1 i i 1

2 \ / 3 / 1 / 1 1 .

у Г i ! 4 / t 5

/ Г ' 4

у // У г

. ■ / /

- — ". ч" - - . -

V ^

Рис. 3. Распределение напряжения су на поверхности образца для различных уровней нагружения при упругопластическом контакте: 1 - 2 % от величины максимальной нагрузки в 20Н; 2 - 10 %, 3 - 20 %, 4 - 50 %, 5 - 80 %, б - 100 %

Для упругопластического случая закономерность распределения напряжения oy на поверхности испытуемого образца изменяется и с переходом из упругого в упругопластическое состояние материала образца, уровень напряжений oy по сравнению с упругим случаем падает, а зона действия напряжения расширяется, приближаясь на площадке контакта к равномерному распределению (рис. 2 и 3 кривая 6). Это наглядно демонстрирует изменение характера распределения напряжения oy на поверхности образца при переходе от упругого к упругопластическому нагру-жению.

Библиографические ссылки

1. Автономов Н. Н., Тололо А. В. Влияние осевой деформации шара на величину измеряемой глубины вдаливания шара по перемещению верхней точки шара // Вестник СибГАУ. 2015. Т. 16, № 3. С. 638-644.

2. Басов К. А. ANSYS в руках инженера. М. : КомпьютерПресс, 2002. 224 с.

3. Чигарев А. В., Кравчук А. С., Смалюк А. Ф. ANSYS для инженеров : справ. пособие. М. : Машиностроение-1, 2004. 512 с.

4. Каплун А. Б., Морозов Е. М., Олферьева М. А. ANSYS в руках инженера : практ. руководство. М. : Едиториал УРСС, 2003. 272 с.

5. Решение контактных задач в Ansys 6.1. М.: Cadfem. 2003. 127 с.

6. Brinell I. A. Ein Verfahren zur Härtebestimmuning // Baumaterialinkunde, 1900. С. 18-26.

© Автономов Н. Н., Тололо А. В., 2018