CC BY
7
Изучение проблем фреттинг-повреждений механического узла
В.А. Кириллова, Л.Ю. Рыбакова Самарский государственный технический университет
Аннотация: Исследование проблемы фреттинг-повреждения механического узла, скрепленного болтами в трех измерениях, требует анализа полей напряжений в декартовых координатах по углу и радиусу контактных площадок. Это также требует определения положения зарождения и распространения трещины. В данном исследовании мы сосредоточимся на численном моделировании с использованием АКБУБ. Результаты, полученные в виде узловых решений, детально показывают положения концентраций напряжений и формирование болтового узла. Контактная поверхность между пластинами (или контактными элементами) характеризуется контактным давлением, сцеплением и зазором. Полученные результаты позволили определить напряжение, вызвавшее зарождение и распространение трещины, а также положение поврежденного участка фреттингом.
Ключевые слова: болтовой узел, контактное моделирование, зона повреждения, фреттинг, закон Рамберга-Осгуда, напряжения Фон Мизеса.
Введение: Фреттинг-усталость наблюдалась во многих промышленных механических компонентах, таких, как болтовые соединения, крепления дисков лопаток в турбинах, тросы и валы с термоусадкой. С недавних пор по работам над феноменом фреттинга, были реализованы существенные улучшения в испытаниях и стандартизации этого явления, экспериментальных наблюдениях, механизмах повреждения, моделировании, промышленных примерах, а также в использовании покрытий или смазки для сведения к минимуму явления истирания на границе раздела [1-3].
Нормальная контактная нагрузка и относительное смещение являются ключевыми факторами, определяющими фреттинг-износ или фреттинг-усталость [4-5]. Влияние геометрии контактной кромки на фреттинг-усталостное поведение полного контакта изучалось с использованием двумерной упругопластической конечно-элементной модели конфигурации контакта для расчета рисков растрескивания для полного контакта и почти полная контактная геометрия.
В исследовании была разработана трехмерная модель конечных элементов для прогнозирования механического поведения болтовых соединений. Результаты показали, что фреттинг-усталостная долговечность уменьшалась при увеличении объемного напряжения, а также при увеличении предварительного натяга. В данной работе исследуется положение концентрации напряжений, а также напряжений, вызывающих зарождение и распространение трещин при усталостном фреттинге. Кроме того, поврежденная зона фреттинга выявляется по полям деформаций и перемещений с помощью численного моделирования [6-8].
Конечно-элементное моделирование. Была создана трехмерная модель конструкции с соответствующими размерами с использованием ПК ANSYS для определения и проведения анализа поля напряжений в зоне контакта
Материал. Материал, используемый для моделирования плоского компонента двойного соединения внахлестку, представляет собой алюминиевый сплав 7075-T6. Материал для болта - высокопрочная и высококачественная легированная сталь (стальной болт AJAX класс 8.8 и стальной болт UNBRAKO класс 12.8). Типичные модуль Юнга и коэффициент Пуассона для этого материала составляют 210 000 МПа и 0,3 соответственно.
Предполагалось, что поведение материалов (алюминиевый сплав 7075-T6), используемых в этом исследовании, следует закону Рамберга-Осгуда.
Закон Рамберга-Осгуда [9]:
о = Ese + Ке£ ,
где а - предел текучести; Е - модуль упругости; ге, £р - компоненты нормальных и касательных деформаций; К - коэффициент прочности.
Геометрия модели. На рис.1 представлена геометрия болтового соединения, рассмотренного в этом численном анализе.
Рис. 1. - Геометрия соединения внахлестку из алюминиевого сплава
7075-Т6
Детали конечно-элементной модели и сборочной сетки на механическом соединении представлены на рис.2.
Рис. 2. - Детальная модель из конечных элементов: механического узла
Теория добавочной пластичности введена в моделирование нелинейности материала (упруго - пластический анализ). В качестве подхода к решению нелинейных уравнений с помощью конечных элементов используется итерационный метод Ньютона-Рафсона [10].
Стресс-анализ. Полярная координата выбрана для моделирования, чтобы хорошо определить различные положения и ориентации в зоне контакта.
Декартова координата: — 2 5 < х < 2 5 м м, и — 1 2 . 5 < у < 1 2 . 5
Заметим, что величина этого напряжения ст^ 0 п м¿5 е5 = 2 69. 3 1 М п а постоянна, а его распределение одинаково по всей поверхности контактной площадки, поэтому оно не локализовано в определенном положении между краем отверстия и краем контактной площадки.
Результаты и обсуждение
Распределение напряжений в зоне контакта. Эти результаты не могут точно предсказать положение начала. Следовательно, по результатам можно найти значение напряжения для локализации места зарождения трещины в зоне контакта. Был проведен детальный анализ каждой составляющей напряжения между отверстием и краями зоны контакта в численной модели с целью анализа 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 касательных напряжений в зоне контакта, представленных на рис.3, 4.
Из рис.3, 4 видно, что знак всех составляющих напряжения по лучу (аху; ау2; аж), приподнятый между краем отверстия и край контактной площадки положительный. Напряжения (аху; ау2) принимают постоянные значения аху = 200 МПа и ау2 = 95 МПа независимо от значения луча. Напряжение ах2 принимает максимальное значение ах2 =247 МПа на краю отверстия г = 2,5 мм и уменьшается до при г =7,5 мм. Затем она увеличивается до максимального значения ах2 = 248 МПа на краю контактной площадки г = 12,5 мм.
Рис. 3. - Распределение касательного напряжения в зоне контакта оху =
f(r,ey,oyz = f(r,e)
Рис. 4. - Распределение касательного напряжения в зоне контакта
°xz = fir, в)
Изо-значение распределения напряжения в контакте. Чтения этих графиков рис.5, 6 указывает на то, что знак всех напряжений по углу (а^; а^; аж), обнаруженных между край, а край контактной площадки положителен. Каждое напряжение (а^; а^) является постоянным независимо от 0 < 0 < 360°, а напряжение (аж) меняются в зависимости от угла.
М Инженерный вестник Дона, №9 (2022) ¡vdon.ru/ru/magazine/archive/n9y2022/7901
Рис. 5. - Изо-значения распределения касательного напряжения в зоне контакта аху = fir, в); ayz = fir, в)
¿жягез
Рис. 6. - Изо-величины распределения касательного напряжения в зоне
контакта axz = fir, в)
Однако напряжение сдвига принимает минимальное значение = 247 МПа для 0 = 178,81° при 180° и непрерывно увеличивается до максимального значения axz = 248 МПа для 0 = 0°. Можно заметить, что поле напряжений в зависимости от направления циклической нагрузки принимает значительную величину.
Заключение
Численное моделирование, выполненное в 3D, позволяет описать реальное поведение болтового соединения при фреттинг-усталости. Полученные результаты показывают, что момент затяжки играет важную роль в передаче нагрузки.
На распределение поля напряжений влияют несколько параметров, которые можно резюмировать ниже:
• Технологические параметры, связанные с конструкцией.
• Числовые параметры, представленные количеством элементов и шагом времени вычисления.
• Детали с высокой концентрацией напряжений фон Мизеса, как правило, находятся в крепежных деталях и дорожках трения, вызывая механические явления (трещины, износ, разрыв... и т.д.).
• Интенсивность крутящего момента вызывает увеличение эквивалентных напряжений фон Мизеса и увеличение касательных напряжений, а также увеличение нормальных напряжений в пластинах.
• Напряжения фон Мизеса в плитах заметно увеличиваются, когда поперечная циклическая нагрузка и крутящий момент сочетаются.
Литература
1. Голего Н.Л., Алябьев А.Я., Шевеля В.В. Фреттинг-коррозия металлов. Киев: Техника, 1974. 272 с.
2. Семин М.И., Стреляев Д.В. Расчеты соединений элементов конструкций из композитных материалов на прочность и долговечность. М.: Латмэс, 1996. 288 с.
3. Петухов А.Н. Прогнозирование характеристик сопротивления усталости конструкционных материалов с учётом влияния эксплуатационных повреждений фреттингом. Механическая усталость металлов. Киев: Наукова Думка, 1983. С. 381-386.
4. Гура Г.С. Качение тел с трением. Фреттинг: монография. Сочи: Дория, 2009. 294 с.
5. Гельфанд М.П., Ципенюк Я.И. Сборка резьбовых соединений. М.: Машиностроение, 1978. 109 с.
6. Биргер И.А., Иосилевич Г.Б. Резьбовые соединения. М.: Мащиностроение, 1973. 256 с.
7. Stolarski T.A. Rolling contacts. London: Professional Engineering Publishing Limited. 2000. 446 p.
8. Isaev M.S. Applications of Finite Element Analysis in Structural Engineering. Proceedings International Conference on Computer Aided Engineering. 2007. pp. 26-58.
9. 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
10. Устименко Е.Е., Скачков С.В. Метод конечных элементов // Инженерный вестник Дона. 2019. №4 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2019/5768
References
1. Golego N.L., Aljab'ev A.Ja., Shevelja V.V. Fretting-korrozija metallov. [Fretting-corrosion of metals]. Kiev: Tehnika, 1974. 272 p.
2. Semin M.I., Strelyayev D.V. Raschety soyedineniy elementov konstruktsiy iz kompozitnykh materialov na prochnost i dolgovechnost. [Calculations of joints of structural elements made of composite materials for strength and durability]. M.: Latmes. 1996. 288 p.
3. Petuhov A.N. Prognozirovanie harakteristik soprotivlenija ustalosti konstrukcionnyh materialov s uchjotom vlijanija jekspluatacionnyh povrezhdenij frettingom. Mehanicheskaja ustalost' metallov. [Prediction of fatigue resistance characteristics of structural materials taking into account the impact of operational damage by fretting. Mechanical fatigue of metals]. Kiev: Naukova Dumka, 1983. pp. 381-386.
4. Gura G.S. Kachenie tel s treniem. Fretting: monografija. [Rolling of bodies with friction. Fretting: a monograph]. Sochi: Dorija, 2009. 294 p.
5. Gel'fand M.P., Cipenjuk Ja.I. Sborka rez'bovyh soedinenij. [Assembly of threaded connections]. M.: Mashinostroenie, 1978. 109 p.
6. Birger I.A., Iosilevich G.B. Rez'bovye soedinenija. [Threaded connections]. M.: Mashhinostroenie, 1973. 256 p.
7. Stolarski T.A. Rolling contacts. London: Professional Engineering Publishing Limited. 2000. 446 p.
8. Isaev M.S. Applications of Finite Element Analysis in Structural Engineering. Proceedings International Conference on Computer Aided Engineering. 2007. pp. 26-58.
9. Lavygin D.S., Leontev V.L. Inzhenernyj vestnik Dona. 2013. №4 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2013/1910
10. Ustimenko E.E., Skachkov S.V. Inzhenernyj vestnik Dona. 2019. №4 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2019/5768
