Двовимірний скінченноелементний аналіз контактних задач із врахуванням теплообміну

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ПРОБЛЕМ МАШИНОБУДУВАННЯ

імені А. М. ПІДГОРНОГО

 

 

 

01. 02. 04  механіка деформівного твердого тіла

 

Гармаш Наталія Григорівна

 

УДК 539. 3

 

Харків 1999

 

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у відділі вібраційних та термоміцнісних досліджень Інституту проблем машинобудування ім. А. М. Підгорного НАН України (ІПМаш НАН України).

Наукові керівники  доктор технічних наук, академік НАН України, Підгорний Анатолій Миколайович, директор Інституту проблем машинобудування НАН України; кандидат технічних наук, старший науковий співробітник Гонтаровський Павло Петрович, Інститут проблем машинобудування ім. А. М. Підгорного НАН України, провідний науковий співробітник.

Офіційні опоненти  доктор технічних наук, професор Синєкоп Микола Сергійович, Харківська державна академія технології та організації харчування, завідувач кафедрою вищої математики; кандидат технічних наук, доцент Хавін Геннадій Львович, Харківський державний політехнічний університет, доцент кафедри технології машинобудування та металорізальних верстатів.

Провідна установа  Інститут проблем міцності НАН України, відділ математичного моделювання і аналітичного аналізу розв'язання задач механіки деформівного твердого тіла, м. Київ

Захист відбудеться “ 30 “ березня 2000 р. о 14 годині на засіданні вченої ради Д 64. 180. 01 в Інституті проблем машинобудування ім. А. М. Підгорного НАН України за адресою: 61046, Харків-46, вул. Дм. Пожарського, 2/10.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту проблем машинобудування ім. А. М. Підгорного НАН України за адресою: 61046, Харків, вул. Дм. Пожарського, 2/10.

 

 

Актуальність теми. З розвитком техніки підвищуються вимоги до надійності конструкцій, що проектуються. В зв’язку з цим зростає значення правильної оцінки їх термонапруженого стану. Оскільки у більшості механізмів передача зусиль між деталями здійснюється за допомогою контакту, а їх температура і міцність визначається характером розподілу контактного тиску, стає актуальною побудова уточнених моделей і методів розрахунку конструкцій в термоконтактній постановці.

Серед різноманітних постановок та результатів дослідження задач взаємодії, термоконтактні задачі є одними з найбільш складних і найменш вивчених, а тому очевидна необхідність створення ефективних методів їх розв’язання. Головна складність розрахунків полягає в тому, що температурна задача зв’язана з задачею механіки через спочатку невідомі умови контакту, оскільки напружено-деформований стан (НДС) деталей і характер їх взаємодії залежать від розподілу температур, а температурне поле, в свою чергу, визначається умовами контакту. Додаткові труднощі вносять фізична і геометрична нелінійність, а також нестаціонарність контактних задач із змінними областями контакту й просковзування.

Дисертаційна робота присвячена розробці методики розрахунку двовимірних контактних задач із врахуванням теплообміну між співдотичними поверхнями. Запропонований метод базується на застосуванні нової моделі контактного шару, яка дозволяє враховувати вплив термічної провідності контакту, контактного тиску та чистоти обробки поверхні (висоти мікронерівностей) на характер термонапруженого стану конструкцій при розв’язанні задач за допомогою методу скінченних елементів (МСЕ). Розроблений підхід використаний для аналізу напруженого стану ряду технічних з’єднань.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Роботу виконано у відділі вібраційних та термоміцносних досліджень ІПМаш ім. А. М. Підгорного НАН України в 1994-1999 р. р. у відповідності з державними темами: №119 «Розробка теоретичних моделей і обчислювальних засобів аналізу динамічної і тривалої міцності енергомашинобудівних конструкцій», №207 «Розробка фундаментальних основ і комплексу прикладних програм забезпечення статичної і динамічної міцності, оптимального проектування, довговічності і діагностики залишкового ресурсу енергомашин з врахуванням початкових і придбаних дефектів» та пошуковою темою «Комплексна оцінка ресурсу елементів машин при втомі».

Метою дисертаційної роботи являється створення ефективного методу скінченноелементного аналізу двовимірних контактних задач із врахуванням теплообміну між поверхнями, що взаємодіють, розробка програмного забезпечення, а також розв’язання ряду важливих для інженерної практики задач щодо визначення термонапруженого стану конструкцій.

Задачі дослідження включають в себе розробку моделі термоконтактного шару, що дозволяє враховувати реальні умови взаємодії тіл; отримання основних співвідношень для термоконтактного скінченного елементу; одержання системи розв’язуючих рівнянь МСЕ для розрахунку двовимірних задач теплопровідності і механіки при наявності контактної взаємодії між елементами; дослідження характеру термонапруженого стану плоских і осесиметричних конструкцій на основі запропонованого підходу; розробку методики розрахунку НДС деталей і вузлів циліндропоршневої групи двигуна внутрішнього згоряння і елементів роторів парових турбін в нових уточнених постановках.

Наукова новизна отриманих результатів заключається у наступному:

–запропоновано модель нового “термоконтактного” одновимірного скінченного елементу, який здатний моделювати реальні умови і особливості взаємодії тіл із врахуванням теплообміну між співдотичними поверхнями;

–на основі МСЕ розроблено нову методику розв’язання термоконтактних задач у плоских і осесиметричних постановках;

–отримані нові чисельні результати для відомих в літературі контактних задач в уточнених постановках з врахуванням теплообміну між дотичними поверхнями;

–на основі сформульованого підходу розроблені моделі та методики розрахунку НДС у нових уточнених постановках конструктивних вузлів циліндропоршневої групи двигуна внутрішнього згоряння, замкових з'єднань та інших конструкцій;

–проведено чисельний аналіз напруженого стану реальних конструкцій в умовах термоконтактної взаємодії їх елементів.

Практичне значення одержаних результатів полягає в тому, що розроблена методика, програма розрахунку і результати дослідження НДС конструктивних елементів машин можуть бути використані для