Введение 8
1. Анализ современного состояния научных исследований о деформационном
поведении элементов опорных частей мостов 10
2. Математическая постановка 15
3. Анализ контактного взаимодействия сферического стального штампа с полупространством из современных антифрикционных полимерных материалов 18
3.1. Аналитическое решение задачи Г ерца 18
3.2. Численная реализация задачи Герца без учета фрикционных свойств в
рамках теории упругости 20
3.3. Численная реализация задачи Герца с учетом фрикционного контакта в
рамках теории упругости 22
3.4. Численная реализация задачи Герца с учетом фрикционного контакта в
рамках деформационной теории упругопластичности 24
3.5. Сравнение результатов численного моделирования задачи Герца в
упругой и упругопластической постановке задачи 25
3.6. Выводы по главе 256
4. Деформирование антифрикционного слоя скольжения опорной части из разных полимерных материалов и композитов на их основе 27
4.1. Постановка задачи контакта элементов сферической опорной части 27
4.2. Анализ параметров контактного взаимодействия 28
4.3. Анализ параметров контакта на относительно свободном торце
антифрикционной прослойки 34
4.4. Анализ осадки верхней плиты со сферическим сегментом и
интенсивности напряжений и пластических деформаций 37
4.5. Выводы по главе 41
5. Анализ влияния фрикционных свойств материалов на контакт элементов сферических опорных частей 43
5.1. Анализ параметров контактного взаимодействия для полимерной
прослойки стандартной толщины на основных поверхностях контакта 43
5.2. Анализ изменения параметров контактного взаимодействия при
увеличении толщины антифрикционной прослойки из разных материалов .. 45
5.2.1. СВМПЭ производства Германии 45
5.2.2. Антифрикционный композиционный материал на основе
фторопласта со сферическими бронзовыми включениями и дисульфидом молибдена 48
5.2.3. Модифицированный фторопласт 49
5.3. Анализ параметров контакта на относительно свободном торце прослойки 51
5.3.1. СВМПЭ производства Г ермания 53
5.3.2. Антифрикционный композиционный материал на основе
фторопласта со сферическими бронзовыми включениями и дисульфидом молибдена 56
5.3.3. Модифицированный фторопласт 59
5.4. Анализ интенсивности напряжения и пластических деформаций 62
5.5. Выводы по главе 66
Заключение 68
Список литературы
К транспортно-логистическим системам в целом и к опорным частям мостовых строений в частности предъявляют высокие требования относительно прочности, надежности, долговечности и устойчивости. Опорные части мостовых сооружений воспринимают широкий спектр температурно-силовых воздействий, связанных с нагрузками от транспортного потока, ветровой нагрузки, деформаций из-за перепада температур и т.д. При этом на работу конструкции опорных частей во многом влияют антифрикционные полимерные слои скольжения.
В настоящий момент существует большой выбор современных антифрикционных материалов, к которым относятся полимеры и композиты на их основе. Их в той или иной мере можно использовать в качестве антифрикционных слоев скольжения. В частности, ООО «АльфаТех» в рамках работ по оптимизации конструкций сферических опорных частей провел ряд исследований физико-механических, фрикционных и реологических свойств широкого набора полимерных материалов и композитов на их основе (более 30 материалов). Исследования проводились на базе Института механики сплошных сред УрО РАН д.ф.-м.н. Адамовым А.А. В результате серии натурных экспериментов был получен набор физико-механических характеристик материалов и ряд закономерностей их деформационного поведения. При этом требуется оценка работы материалов антифрикционных слоев скольжения в конструкциях сферических опорных частей.
Для расчета мостовых сооружений с новыми конструкционными и технологическими решениями требуются натурные эксперименты, но для их проведения нужно большое обилие ресурсов не только материальных, но и временных, а также уникальные экспериментальные установки. Для существенного сокращения продолжительности исследования и материальных расходов стали использовать математическое моделирование напряженно - деформированного состояния объектов механики, техники, строительства. Так, например, в современных задачах механики деформированного твердого тела одним из основных типов, являются задачи о контактном взаимодействии тел. Механика контактного взаимодействия занимается расчетом при статическом или динамическом контакте упругих, вязкоупругих и пластичных тел. Она является одним из актуальных и активно развивающихся направлений исследований в современной компьютерной инженерии.
Численное моделирование элементов мостостроительных конструкций позволяет выполнять качественную и количественную оценку напряженно- деформированного состояния (НДС) модели пролетных строений мостов с различной геометрической конфигурацией ее элементов для широкого набора материалов. Для удобства использования этих методов разработано множество инженерных прикладных пакетов ANSYS, Abaqus, Autodesk, AutoCAD и т.д., которые на современном уровне прочно связаны с решением задач механики деформируемого твердого тела (МДТТ).
Таким образом, можно сделать заключение, что рассматриваемая тема о деформировании антифрикционного слоя скольжения опорной части из различных полимерных материалов и композитов на их основе является актуальной. И рассматривает использование современных антифрикционных материалов в качестве прослойки опорной части, а также НДС возникающее в опорных частях пролетов мостов.
Целью дипломной работы является анализ деформационного поведения антифрикционного слоя скольжения опорной части; исследование контактных параметров антифрикционной прослойки, выполненной из разнообразного набора современных антифрикционных материалов; исследование влияния толщины полимерной прослойки опорной части и учета фрикционных свойств материала на контактные параметры и характер деформационного поведения контактного узла.
Рассмотрено 6 материалов прослойки (3 - СВМПЭ разных фирм, 2 - композиционных материала и модифицированный фторопласт).
Выполнена численная реализация задачи Герца о деформировании полупространства из полимерных материалов и композитов на их основе жестким стальным сферическим штампом:
- Установлено хорошее количественное и качественное соответствие результатов решения контактной задачи в программном комплексе ANSYS с аналитическим решением задачи (не более 4 %).
- Выполнена оценка деформационного поведения контактного узла по максимальному уровню интенсивностей напряжений и деформаций.
- Провели сравнение упругой и упругопластической постановки задачи. Вывели, что в упругой постановке задачи зона контакта меньше, чем в упругопластической, а это ведет к тому, что средний уровень контактного давления выше, чем в упругопластической постановке, примерно ~ на 45%.
Выполнен численный анализ деформационного поведения элементов сферической опорной части в рамках реализации фрикционного контактного взаимодействия верхней плиты со сферическим сегментом и нижней плиты со сферическим вырезом опорной части через упругопластическую полимерную прослойку:
- Провели анализ контактных параметров для стандартной толщины полимерной антифрикционной прослойки и деформирование относительно свободного края антифрикционной прослойки. Для большинства прослоек из рассматриваемых материалов расхождения контактных поверхностей не наблюдается, снижение площади контактной поверхности, связанное с расхождением контактных поверхностей, наблюдается у прослоек из материалов 4 - 5 и составляет 4-5 % от первоначальной площади контакта. На поверхности относительно свободного края прослойки наименьшие значения контактного давления наблюдаются в прослойках из материалов 3, 6.
- Провели сравнение контактных характеристик при изменении толщины полимерной антифрикционной прослойки и выявили, что наибольшее влияние толщина полимерной прослойки оказывает на композиционные материалы.
- Выполнили анализ осадки сферической опорной части, рассмотрели интенсивность напряжений и пластических деформаций. Наименьшая осадка сферической опорной части наблюдаются у опорных частей с антифрикционными прослойками из материалов 1 - 3, 6, осадка опор с антифрикционными прослойками из композиционных материалов приблизительно в 1,5-2 раза больше.
Выполнен анализ влияния фрикционных свойств в отдельности и в совокупности с изменением толщины полимерной прослойки для данной численной реализации фрикционного контактного взаимодействия:
- В рамках реализации задачи рассмотрено три материала (СВМПЭ производства Германии, МАК со сферическими бронзовыми включениями, модифицированный фторопласт).
- На основных поверхностях контакта SK и SK минимальные значения контактных параметров наблюдается при фрикционных свойствах материала (СВМПЭ, модифицированный фторопласт) со смазкой, полученных экспериментально. Набольшие значения параметров наблюдаются у композиционного материала при табличном коэффициенте трения.
- Выявлено снижение площади контакта, связанное с расхождением
контактных поверхностей: для СВМПЭ производства Германии при ц3 - 2,55 % от первоначальной площади контакта; для композитного материала при , р2 - на 2,18 %, ц3 - 2,91 % от первоначальной площади контакта; для
модифицированного фторопласта при р2 - на 1,45 %, ц3 - 2,55 % от
первоначальной площади контакта.
- Для каждой толщины прослойки происходит уменьшение контактных параметров при экспериментально полученным коэффициенте трения со смазкой, относительно табличного коэффициента трения.
- На относительно свободной от контакта поверхности SK при наименьшем уровне контактного касательного напряжения возникает наибольший уровень контактного давления при полученных экспериментально фрикционных свойствах материала со смазкой.
- Выявлено, что при фрикционных свойствах полученных экспериментально относительно табличного коэффициента трения увеличилась площадь распределения максимальных значений интенсивности напряжений/пластических деформаций.
- Прослойки из композиционных материалов обладают наименьшим уровнем пластических деформаций и интенсивности напряжений. При этом по сравнению с другими материалами они испытывают больший уровень деформации при меньшем уровне напряжений.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
