Двовимірний скінченноелементний аналіз контактних задач із врахуванням теплообміну

3.Гармаш Н. Г. Моделирование термонапряженной посадки турбинного диска на вал. // Вестник Харьк. гос. политех. ун-та. Новые решения в современных технологиях. -Харьков: ХГПУ. -1999. -Вып. 47. -С. 13-15.

4.Гонтаровский П. П., Гармаш Н. Г. Расчет напряженно-деформированного состояния лопаток турбомашин с учетом термоконтактных взаимодействий // Тр. Межд. науч. -тех. конф. «Совершенствование турбоустановок методами математического и физического моделирования»: Харьков, 29 сент – 2 окт 1997г. -Харьков. -1997. – С. 533-536.

5.Гонтаровский П. П., Гармаш Н. Г. Компьютерное моделирование формоизменения тонкостенных осесимметричных конструкций при наличии односторонних ограничений // Мат. Межд. науч. -тех. конф. «Современные проблемы машиноведе-ния»: Гомель, 1-3 июля 1996г. -Гомель. -1996. – С. 117-118.

6.Гонтаровский П. П., Левтеров А. М., Гармаш Н. Г., Фомин А. Ю. Численное моделирование теплового и напряженно-деформированного состояния гильзы цилиндра форсированного транспортного дизеля // Сб. тр. Межд. науч. -тех. конф. «Информационные технологии», Вып. 7, Ч. 2, Харьков. -1999. -С. 255-259.

 

 

Гармаш Н. Г. Двовимірний скінченноелементний аналіз контактних задач із врахуванням теплообміну.  Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 01. 02. 04  механіка деформівного твердого тіла  Інститут проблем машинобудування ім. А. М. Підгорного НАН України, Харків, 1999.

Для аналізу термонапруженого стану конструкцій, які працюють під впливом температурних полів, на основі методу скінченних елементів розроблено методику розрахунку термоконтактних задач в плоских і осесиметричних постановках. Запропоновано новий одновимірний “термоконтактний” скінченний елемент, здатний моделювати реальні умови взаємодії тіл. Алгоритм методу реалізовано за допомогою комплексу програм, працездатність якого підтверджується рядом чисельних експериментів. Досліджується вплив величини та характеру розподілу контактного тиску на термонапружений стан конструкцій. Результати співставляються з чисельними і аналітичними результатами, відомими в літературі.

Розглянуто ряд практичних задач у нових термоконтактних постановках.

Ключові слова: термоконтактна взаємодія, метод скінченних елементів, термоконтактний елемент, контактний шар, тертя, термомеханічні процеси, напружено-деформований стан.

 

 

Garmash N. G. Two-dimensional finite element analysis of contact problems taking into account the heat interchange. – Manuscript.

Thesis for degree of Candidate of Technical Sciences by speciality 01. 02. 04. -Mechanics of deformable solid. -Institute for Problems in Machinery named by A. M. Podgornyi of National Academy of Sciences of Ukraine, Kharkiv, 1999.

The way of calculation of stress-strained state of structures in plane and axisymmetrical thermocontact problems on the base of the finite element method has been worked out in this work. A new one-dimensional “termocontact” finite element has been proposed. This element is able to model real conditions and parameters of the bodies’ interaction. The algorithm of the method has been realized by means of the program complex. Its efficiency is confirmed by numerical experiments. The influence of contact pressure and character of its distribution on termostress state of bodies are investigated. The results of calculation are compared with numerical and analytical results of other authors.

A number of practical problems in new termocontact formulations are considered in this work.

Key words: termocontact interaction, finite element method, termocontact element, contact lay, friction, termomechanics processes, stress-strain state.

 

 

Гармаш Н. Г. Двумерный конечноэлементный анализ контактных задач с учетом теплообмена.  Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 01. 02. 04  механика деформируемого твердого тела Институт проблем машиностроения им. А. Н. Подгорного НАН Украины, Харьков, 1999.

Приведен обзор исследований, посвященных различным методам решения задач контактного взаимодействия между элементами конструкций. Особое внимание в обзоре уделено моделям, применяемым для описания исследуемых объектов, методам и результатам исследования термомеханических процессов с учетом контактных явлений.

Для анализа напряженно-деформированного состояния конструкций, работающих при воздействии температурных полей, на базе метода конечных элементов разработана методика расчета двумерных термоконтактных задач в плоских и осесимметричных постановках.

Предложен новый “термоконтактный” одномерный конечный элемент, позволяющий моделировать реальные условия взаимодействия тел (сцепление, проскальзывание, сухое трение, одностороннее взаимодействие, тепловыделение в зоне контакта и т. д.), учитывать влияние контактного давления, чистоты обработки поверхности (высоты микронеровностей), прочностных свойств материалов, теплопроводности среды между контактирующими телами на величину и характер распределения термического сопротивления. Для этого элемента были выведены основные соотношения для решения с помощью МКЭ задач теплопроводности и термомеханики.

Проведено исследование зависимости получаемого значения контактной теплопроводности и перепада температур на взаимодействующих поверхностях от величины прилагаемой нагрузки, высоты микрошероховатостей и теплопроводности среды.

Проведены численные исследования достоверности результатов, получаемых с помощью созданных на базе программного комплекса KROK, разработанного в Институте проблем машиностроения им. А. Н. Подгорного НАН Украины, алгоритма и программы расчета двумерных термоконтактных задач с учетом теплообмена между взаимодействующими поверхностями. Дан сравнительный анализ результатов и известных в литературе аналитических и численных решений.

Достоверность полученных результатов подтверждается также корректностью постановок задач, обоснованностью допущений, положенных в основу работы, строгостью математических преобразований, анализом сходимости решений на основе численных экспериментов при различных уровнях дискретизации по пространству и времени.

Разработана методика анализа термонапряженного состояния узлов и деталей цилиндропоршневой группы двигателя внутреннего сгорания, замковых соединений элементов турбомашин. Получена картина распределения температурного поля и напряженно-деформированного состояния конструктивных элементов составного поршня. Расчет выполнен с использованием осесимметричной модели с корректными граничными условиями теплообмена между деталями и с окружающей средой.

Способ оценки и анализа напряженно-деформированного состояния и распределения температурных полей конструкций с трехмерным полем напряжений с помощью комбинации плоских и осесимметричных расчетных схем представлен на примере расчета гильзы цилиндра двухтактного дизеля.

В новой термоконтактной постановке проведены исследования влияния монтажного зазора на напряженное состояние жарового кольца двигателя внутреннего сгорания. Учет практически всех важных факторов, определяющих условия работы кольца, корректно поставленные условия теплообмена на участке возможного контакта с гильзой, которые определяются в процессе решения и зависят от распределения контактного давления, позволил использовать полученные результаты на этапе проектирования и доводки двухтактного дизеля.

На примере термонапряженной посадки турбинного диска на вал, которая выполняется его нагревом до температуры тепловой сборки, показана возможность моделирования с помощью разработанной методики различных технологических процессов.

Проведены исследования влияния величины и характера распределения контактного давления на термонапряженное состояние конструкций. В новой постановке рассмотрен расчет замкового соединения грибовидного типа первой ступени низкого давления паровой турбины К-300-240-2, с помощью которого показано, что в ряде случаев учет температурных деформаций и взаимного влияния деталей друг на друга, почти не меняя уровня контактных напряжений в конструкции, существенно изменяет характер их распределения.

Решение задач в новых термоконтактных постановках, отражающих реальные условия взаимодействия между деталями и учитывающих особенности эксплуатационных нагрузок, существенно повышает практическую ценность получаемых результатов, а также дает возможность анализировать термомеханические процессы, которые происходят во время работы конструкций.

Ключевые слова: термоконтактное взаимодействие, метод конечных элементов, термоконтактный элемент, контактный слой, трение, термомеханические процессы, напряженно-деформированное состояние.