Введение 4
1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ОБЪЕКТЕ ИССЛЕДОВАНИЯ 9
1.1. ИССЛЕДОВАНИЕ СПОСОБОВ УПРОЧНЕНИЯ ПОВЕРХНОСТНЫМ
ПЛАСТИЧЕСКИМ ДЕФОРМИРОВАНИЕМ 9
1.2. Способы обработки поверхностным пластическим деформированием . 11
1.2.1. Динамические методы отделочно-упрочняющей обработки
поверхностным пластическим деформированием 14
1.2.2. Статические методы отделочно-упрочняющей обработки
поверхностным пластическим деформированием 16
1.2.3. Комбинированные методы отделочно-упрочняющей обработки
поверхностным пластическим деформированием 18
1.3. Увеличение износостойкости и эксплуатационных возможностей изделий при обработке поверхностным пластическим деформированием .. 24
1.4. Повышение производительности обработки статическими методами
поверхностного пластического деформирования 28
1.5. Общие сведения о поверхностях и их контакте 29
1.6. Особенности микрогеометрии и её влияние поверхности находящиеся в
контакте 31
1.7. Методология исследования 32
2. ОСНОВЫ КОНТАКТНОЙ МЕХАНИКИ 34
2.1. Теории контактных явлений и их развитие 34
2.1.1. Упругий контакт 35
2.1.2. Пластичный контакт 37
2.1.3. Эластично-пластиковый контакт 40
2.2. Топография поверхности: текстура поверхности, шероховатость,
волнистость 41
2.3. Контактная проблема гладких поверхностей 43
2.4. Контактная проблема шероховатой поверхности 45
2.5. Моделирование шероховатой поверхности 47
2.6. Трехмерные модели грубой поверхности созданные в коммерческом
программном обеспечении методом конечных элементов 52
2.7. Метод конечных элементов 58
2.7.1. Основная теория метода конечных элементов 60
2.7.2 Спецификация и геометрия 64
3. Экспериментальные исследования формирования
математической модели микрорельефа для вдавливания индентора в тугоплавкое тело 68
3.1. Методология моделирования конечных элементов 68
3.2. Предварительная обработка данных в программных пакетах Matlab-SolidWorks 69
3.2.1. Определение геометрии поверхностного слоя в программном пакете
Matlab 69
3.2.2. Преобразование 2И-массив в трёхмерную поверхность в программной
среде SolidWorks 71
3.3. Предварительная обработка смоделированной поверхности в программных пакетах ABAQUS 75
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 87
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 89
На сегодняшний день построение моделей трехмерных объектов по средствам математических алгоритмов и наборов изображений является одной из наиболее актуальных тенденций развития во множестве областей, современного производства включая машиностроение. Применение возможностей современных математических теорий в прикладных задачах дают нам широчайшие возможности в осуществление эффективной и надежной автоматизации извлечения, обработки и представлении информации, а так же в формировании и развитии новых исследовательских методик. Вместо использования опытных экземпляров и материальных физических образцов с каждым днём всё большее применение находят компьютерные модели и цифровые трёхмерные графические объекты. Данная тенденция оправдывается тем, что работа с цифровыми моделями существенно экономит время, обеспечивает меньшие затраты материальных ресурсов, даёт большую гибкость, многократно увеличивает варианты использования и достигается быстрым вычислением критических характеристик. Думаю, любой специалист согласится с тем, что при нынешнем уровне развития вычислительной техники и стремительном развитии программного обеспечения проведение экспериментов при помощи математических моделей и проверки результатов на нескольких контрольных образцах в разы быстрее и эффективнее. Это обусловлено возможностью прогнозировать множество возможных результатов до проведения практических экспериментов.
Безусловно, формируемые модели, применяемые в исследованиях и разработках, должны быть максимально приближенны и аппроксимированы к реальным или создаваемым объектам. Существующие на сегодняшний день методы построения работоспособных моделей разнообразны и многочисленны. К ним относятся аналитические модели - служащие для построения теоретических моделей и экспериментальные - использующиеся в качестве инструмента формирования имитационных моделей, целиком определяемых замерами, проведёнными с использованием реальных испытаний. Как правило, на практике выступает промежуточный способ. Принцип метода заключается в аппроксимирование множества методов относительно небольшого количества измеренных параметров соответствующих имеющимся аналитическим структурам. Примером применения данного способа являются методы трёхмерной реконструкции [1, 2].
Создание трехмерных объектов с помощью математических моделей и двумерных данных (чертёж, изображение и т.п.) оказались весьма востребованы при визуализации и проведении анализа данных [3]. Формирование трехмерной структуры сопутствует её углубленному исследованию, обеспечивает возможность анализа её строения, функциональности и возможности модернизации, вплоть до мельчайшей детали.
Однако, в ряде случаев, когда исходные параметры представляют собой облако точек с заданным набором параллельных сечений, а задача сводится к формированию адекватного объемного тела, известные математические алгоритмы оказываются неэффективны. Однако они не гарантируют выявление ценной информации, использующейся при анализе. Возможно, что при их реализации понадобятся значительные вычислительные ресурсы [4].
Наиболее распространёнными подходами вычисления геометрии объекта исследования являются методы плотной и разрежённой стереофотограмметрии. Эти методы позволяют вычислить облако точек, составляющих "Каркас" объекта исследований. К несчастью эти алгоритмы вычисляют трехмерные координаты точек с существенной ошибкой: структура облака точек содержит значительное количество ложных точек, пересекающихся или не лежащих на поверхности объекта. Триангуляция облака точек с лишними координатами порождает очень неточную структуру модели [5].
Данная выпускная квалификационная работа является частью исследований, направленных на создание алгоритма, позволяющего не обладающему специализированным оборудованием и квалификацией пользователю, моделировать микрогеометрию поверхностного слоя по заданным габаритам с возможностью внесения необходимых параметров (материала, твёрдости, силы и т.п.) и моделирования процесса выглаживания индентором. Будет разработан инструментарий для применения современной методологии моделирования.
Необходимо учитывать, что на нынешнем уровне развития темы возможности моделирования имеет ряд ограничений по сравнению с практическими опытами. Поэтому в выпускной работе необходимо учитывать ряд ограничений:
— Параметры грубой поверхности извлекаются с использованием данных трехмерных координат из измерённой поверхности, однако случайная шероховатая поверхность, сгенерирована методом математического моделирования.
— Поверхностное моделирование производится только по отношению к тугоплавкой поверхности при статическом контакте.
— Все контактные взаимодействия будут сухими, что означает, что он не учитывает применения СОЖ (Смазочно-охлаждающая жидкость).
— Свойства материала сформированной поверхности соответствует алюминию.
— Тепловые связи от трения не учитываются.
— Поверхность сгенерирована в коммерческих системах MatLab, SolidWorks и ABAQUS, что в свою очередь не гарантирует получения достоверного результата при использовании другого программного пакета.
В данной работе будут рассмотрены основные этапы развития математических теорий и алгоритмов, методик моделирования объёмных объектов и разработана методика, отвечающая всем современным требованиям. В результате планируется получить работоспособную модель с широкими возможностями дальнейшей её модернизации.
Это исследование позволит сделать один шаг вперед к возможности прогнозирования результатов при контактном взаимодействии различных поверхностей во время обработки путем моделирования.
Цели настоящего исследования заключаются в следующем:
— Создание трехмерных моделей шероховатых поверхностей в программной среде MatLab получив числовое значение каждого элемента микрогеометрии поверхности.
— Сгенерировать в программной среде SolidWorks поверхность из полученных числовых значений микрогеометрии поверхности.
— Исследовать контакт генерируемой поверхности с поверхностью инструмента на ABAQUS.
— Нанесение сгенерированной поверхности в статическом случае упругого и упругого пластичного контакта.
— Сравнение модели конечных элементов с экспериментальной моделью. Научная новизна работы.
В диссертации представлен новый метод генерации детерминированных шероховатой поверхности в программной среде ABAQUS с предварительной обработкой в программной среде SolidWorks. Этот метод наиболее современный и практически не изучен нынешними специалистами в трибологии. Затем берется случайная геометрия реальной шероховатой поверхности и деформируемого гладкого шара (индентора) для моделирования реального шероховатого поверхностного контакта с использованием метода конечных элементов. Эти методы, в сочетании со способностью моделировать реальные поверхности в программной среде ABAQUS, могут быть использованы, чтобы помочь исследователям в материаловедении, машиностроении и за его пределами лучше понять микромасштабную механику поверхностного контакта.
Работа состоит из 4 пунктов:
Первой пункт описывает вопросы, касающиеся важности темы, целей, ограничений, методики исследования и методологии написания работы. Основное обсуждение этого тезиса - контакт шероховатой поверхности.
Во втором пункте представлена информация, охватывающая базовую теорию, которая описывает грубые поверхности, завершенные предыдущими работами многих исследователей в той же области.
В третьем пункте обсуждается процедура моделирования шероховатых поверхностей. Перед описанием процедуры моделирования представлено небольшое введение метода конечных элементов (МКЭ). В процессе генерации участвует несколько таких программных продуктов, как Matlab, SolidWorks и ABAQUS.
Четвёртый пункт включает экономическое обоснование выбранной темы.
По мере выполнения поставленных передо мной задач по выпускной квалификационной работе мной были сделаны выводы, выстроенные на основе изученных материалов и проведённых исследований.
Для подготовки диссертационной работы мной был проведён патентный и библиографический поиск на тему современных методов и оснастки для проведения упрочняющей обработки поверхностным пластическим деформированием. Впоследствии я изучил вопросы, касающиеся проблем и тенденций развития методов построения моделей трехмерных объектов посредством математических алгоритмов.
Актуальность развития методик моделирования объектов заключается в возможности применения современных математических теорий в решении прикладных задачах, что даёт нам широчайшие возможности в осуществление эффективной и надежной автоматизации извлечения, обработки и представлении информации. Так же мотивирует нас на формирование и развитие новых исследовательских методик. Данная тенденция оправдывается тем, что работа с цифровыми моделями существенно экономит время, обеспечивает меньшие затраты материальных ресурсов, даёт большую гибкость, многократно увеличивает варианты использования и достигается быстрым вычислением критических характеристик.
В ходе выполнения диссертационной работы мной были сделаны следующие выводы и результаты:
1. Бала спроектирована математическая модель микрорельефа поверхностного слоя, отвечающая всем требованиям для проведения симуляции. Стоит отметить, что был применён новый, малоизученный метод моделирования.
2. Получена модель с относительно скромными требованиями к вычислительным ресурсам. Этого удалось добиться за счёт снижения суммарного значения элементарных операций во время алгоритмической обработки данных, прежде всего благодаря сведению к минимуму задействованных параметров на этапе моделирования. Так же к сильным сторонам предложенного метода можно отнести простоту реализации. Благодаря выстроенному алгоритму проектирования. Даже неопытный пользователь со скромными навыками в программировании и проведении математических исследований может развивать тему.
Библиографические взыскания, описанные во второй главе выстраивают, чёткую картину того в каком направлении должна развиваться тема. Благодаря приведению полученных результатов к общему, нейтральному формату среди всех CAD систем к модели может применяться наработки прошлых лет и программные возможности сегодняшнего дня.
Результаты выпускной квалификационной работы могут иметь практическую ценность для решения широкого класса задач, для которых необходимо аппроксимация функций плотности распределений.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
