Разработка и применение конечно-элементных моделей в контактных задачах
РАЗРАБОТКА И ПРИМЕНЕНИЕ КОНЕЧНО-ЭЛЕМЕНТНЫХ
МОДЕЛЕЙ В КОНТАКТНЫХ ЗАДАЧАХ
DEVELOPMENT AND APPLICATION OF FINITE-ELEMENT
MODELS IN CONTACT PROBLEMS
- магистрант, – к. т.н., доцент
Самарский ГТУ
Теория контактного взаимодействия стала одним из первых и ведущих направлений трибологических исследований, развиваемым трудами отечественных и зарубежных ученых, однако часто аналитическое решение контактных задач даже в упрощенной постановке сопряжено с высокой трудоемкостью.
Современный уровень компьютерных технологий позволяет по-новому взглянуть на проблему создания моделей фрикционного контакта пар трения и дает возможность оперативно и качественно моделировать контактные взаимодействия при относительном перемещении рабочих поверхностей. Авторами предпринята попытка моделирования фрикционного контакта шероховатых поверхностей пары трения «втулка-цапфа» опоры бурового долота с применением программного комплекса ANSYS, позволяющего на основе конечно-элементного моделирования наглядно получать все существенные данные о распределении напряжений, деформаций и перемещений в поверхностных слоях. Анализ возможных путей описания реальных элементов пар трения их конечно-элементными моделями показал целесообразность использования метода последовательного приближения путем построения двухуровневой модели. На первом уровне (Рис.1а) учитывается макрогеометрия поверхностей и определяется распределение максимальных значений напряжений и деформаций в зоне контакта. На втором уровне задаются параметры микрогеометрии поверхностей трения и оценивается локализация диссипативной системы – т. н. debris-слоя, в котором происходит рассеивание энергии за счет процесса пластической деформации, что необходимо для выполнения расчетов на усталостное изнашивание материалов. Вид модельной поверхности, отображающей реальный геометрический профиль втулки, показан на Рис.1б (шероховатость Rz = 1), а поле деформаций в зоне контакта – на Рис.1в.
а б в
Рис.1. Результаты моделирования пары «цапфа-втулка»:
а - эквивалентные напряжения в контакте пары «втулка-цапфа» опоры бурового долота;
б - общий вид модельных поверхностей; в - распределение полей деформаций в зоне контакта
В результате проведенного расчета было выявлено, что максимальные напряжения локализуются в нижней части опоры на секторе ~70°. Их величина составляет около 40 МПа. Глубина слоя, запасающая энергию пластической деформации, составляет в среднем 4 мкм, что хорошо соответствует экспериментальным данным. Работа выполнялась в НТЦ «Надежность» СамГТУ при поддержке областного гранта дипломных проектов 2006 г.
