Контактное взаимодействие пластин на упругом основании с жесткими телами

Актуальность работы. Задачи контактного взаимодействия представляют одну из важнейших областей современной механики деформируемого твердого тела. Составные части любой реальной конструкции взаимодействуют друг с другом, а также с другими объектами. Это может быть непосредственный контакт тел в результате прижатия к опоре, сварочного, болтового или клеевого соединения и т. д. Учесть влияние таких взаимодействий, а также определить область контакта, если она неизвестна, позволяет решение соответствующих контактных задач, что является важным этапом проектирования различных узлов конструкций, тем более что концентрация контактных напряжений может привести к разрушению материала.

Особую актуальность исследование механики контактного взаимодействия имеет в случае контакта тонкостенных элементов конструкций с малыми элементами, нагружаемыми сосредоточенными силами. Ведь тонкостенные конструкции имеют высокую прочность и малый удельный вес, что делает их привлекательными для широкого использования в различных отраслях народного хозяйства. Однако они слабо сопротивляются сосредоточенным нагрузкам, поэтому их обычно подкрепляют ребрами или малыми накладками.

Начало теории контактных задач было положено в работах Г. Герца в конце XIX столетия. В них область контакта предполагается достаточно малой по сравнению с размерами контактирующих тел, что позволяет при построении ядер интегральных уравнений воспользоваться фундаментальным решением для полуплоскости или полупространства [78].

Существенное значение в развитии теории контактных задач имели работы Ф. П. Боудена и Д. Тейбора, в которых была отмечена важность учёта шероховатости поверхности контактирующих тел [112]. Среди зарубежных исследований в этом направлении также следует отметить работы Дж. Ф. Архарда, Дж. Г. Гринвуда, Дж. Б. П. Вильямсона [110, 113].

Большой вклад в развитие теории контактных взаимодействий внесли отечественные ученые, прежде всего, Л. А. Галин, И. Я. Штаерман, И. И. Ворович, В. М. Александров, В. И. Моссаковский, Ю. П. Артюхин, Э. И. Григолюк, В. М. Толкачев, Г .Я. Попов, М. В. Блох и др. [4, 14, 26, 29−31,76, 93, 107]. Подробный обзор основных результатов в развитии механики контактного взаимодействия в СССР содержится в книге Л. А. Галина [28].

Построение аналитического решения контактной задачи имеет большой теоретический и практический интерес, однако связано с серьезными математическими трудностями и не всегда представляется возможным. Зачастую условия контакта записываются в виде интегральных уравнений, которые могут быть разрешены аналитически лишь в ряде специальных случаев. Отметим работы [8, 14, 29], в которых представлены методы аналитического решения некоторых классов контактных задач.

С развитием информационных технологий приобрели актуальность численные методы, реализованные посредством компьютерных программ. Одними из наиболее мощных и широко распространенных методов приближенного решения задач теории пластин и оболочек являются метод конечных элементов (МКЭ) и метод граничных элементов (МГЭ).

В МКЭ физическая область разбивается на подобласти (конечные элементы), зависимая переменная аппроксимируется функцией специального вида на каждом элементе. Подстановка аппроксимаций в определяющие уравнения приводит к системе уравнений, решив которую можно получить приближенное решение задачи [84]. Метод конечных элементов в контактных задачах основан на методе вариационных неравенств [14]. При условии отсутствия взаимопроникновения тел, на истинной области контакта и истинных смещениях поверхности тела достигается минимум полной энергии деформации [40].

Популярность МКЭ чрезвычайно велика. Множество прикладных программ, предназначенных для решения задач механики, реализуют именно этот метод. Например, ANSYS, Impact, ПК Лира, LS-DYNA и др. По методу конечных элементов и его применению в задачах механики опубликовано огромное количество работ, например, [2, 32−34, 54, 56, 74, 84, 90, 94, 96, 99, 114, 117].

В МГЭ, в отличие от МКЭ, дискретизации подвергается лишь граница исследуемой области. Производится переход от исходной краевой задачи для дифференциальных уравнений, описывающих некоторый процесс, к соотношениям, связывающим неизвестные функции на границе области. Эти соотношения могут представлять граничные интегральные уравнения, либо выражаться некоторыми функционалами [21]. МГЭ в последние годы приобретает большую популярность, и количество работ, посвященных его применению, также достаточно велико. Отметим работы К. Бреббия, Ю. П. Артюхина, А. П. Грибова и др. [11−13, 22, 23, 35, 60, 71, 111, 115, 116].

Дадим краткий обзор работ по механике контактного взаимодействия, выполненных за последние годы. Основное внимание уделено задачам контакта жестких и упругих тел. Особо отметим книгу [25] под редакцией И. И. Воровича и В. М. Александрова, которая содержит весьма полный обзор основных достижений российских ученых в области решения контактных задач за двадцатипятилетний период.

В работах Чумариной О. В. с соавторами [15−17, 36, 106] представлена разработанная автором на основе НМГЭ методика решения задач изгиба мембран сложной формы под действием равномерно распределенной нагрузки. Также на основе НМГЭ автором разработан и реализован алгоритм решения двумерных контактных задач для мембран произвольной формы с неизвестной областью примыкания. Рассмотрены задачи контакта мембраны произвольной формы с наклонной плоскостьюкруглой мембраны с параболическим штампоммембраны с четырехугольной пирамидой. Рассмотрена задача изгиба мембраны произвольной формы, являющейся дном сосуда с жидкостью, под действием гидростатической нагрузки. Изучено контактное взаимодействие мембраны с жидкостью и поршнем.

В работах Аргатова И. И. [9, 10] рассматриваются контактные задачи для систем штампов. Также обсуждаются проблемы контакта шероховатых поверхностей.

Александровым В.М. и Калякиным A.A. [6] представлено основное двумерное интегральное уравнение, к которому сводятся контактные задачи для слоистого упругого полпространства. Рассмотрены случаи, когда область контакта — круг или бесконечная полоса. Авторами установлено, что в этих частных случаях основное двумерное интегральное уравнение переходит в систему одномерных интегральных уравнений для гармоник контактного давления, когда область контакта — круг, и в одно одномерное интегральное уравнение, когда область контакта — полоса.

В работе Солодова Н. В., Шевченко А. В. и Аленикова М. В. [101] рассмотрено решение контактной задачи при полном соприкосновении основания и штампа методом теории пластичности.

В работах Папковской О. Б. с соавторами [83, 86−88] исследованы контактные задачи изгиба ортотропной пластины с различными видами подкреплений: полубесконечным упругим ребром, упругой опорой типа винклерового основания и жесткой полубесконечной опорой (случаи симметричного и антисимметричного изгиба).

В работе Никоновой E.H. [82] изучаются задачи о вдавливании различных штампов в идеально-пластические тела и рассматривается вопрос определения предельных усилий при контакте.

Радаевым С.Ю. [95] исследовано предельное состояние анизотропного идеально-пластического полупространства при давлении жестких штампов и пирамид. Пространственные задачи решены при условии полной пластичности. Получены расчетные формулы, позволяющие определить предельную нагрузку, которая, в силу анизотропии материала, зависит от ориентации тела относительно осей анизотропии.

Для решения задачи контактного взаимодействия жесткого штампа с упругим полупространством в условиях плоской деформации в работе [27] Галазюк В. А. и Сулим Г. Т. предложили новую модель этой задачи и доказали, что произвольное вертикальное перемещение штампа может быть реализовано распределенной по некоторому закону компонентой вектора локального жесткого поворота.

Щербина И.В., Кагадий Т. С. и Павленко A.B. в работе [108] рассмотрели задачу о контактном взаимодействии ортотропного прямоугольника и плоского штампа.

Контактная задача для неодносвязной анизотропной полуплоскости (при условии отсутствия трения под штампом) решена Мехтиевым А. И. [75].

Мохель А. Н., Салганик Р. J1. и Федотов А. А. в работе [77] изучили задачу о контакте двух прижимаемых друг к другу полуограниченных тел, одно из которых абсолютно жёсткое. При этом граница одного из этих тел плоская, а граница другого шероховата и близка к плоской. Предполагается, что контакт между телами почти полный, сдвиговым взаимодействием между контактирующими телами пренебрегается.

В работах Манжирова A.B. [72] и Казакова К. Е. [52, 53] рассмотрены контактные задачи для тел с неоднородными покрытиями, а также задачи взаимодействия тел с покрытиями переменной толщины. Исследована проблема износа.

В работе Величко Е. В. и Приварникова А. К. [24] рассматривается задача вдавливания периодической системы одинаковых гладких штампов с плоскими подошвами в упругую многослойную плиту. Деформация плиты плоская. Интегральное уравнение решается приближенно.

На основе численной методики в работе Тарасова В. В. и Сивцева Н. С. [102] рассматривается способ определения площади и других параметров контакта шероховатых поверхностей упругих тел.

Кулиш Е.В. с соавторами в работах [66−68] исследовали контактные задачи прессовых полисоединений. Ими предложена методика численного расчета напряженно-деформированного состояния прессовых полисоединений на основе МКЭ, а также методика экспериментального исследования их нагрузочной способности. Получено решение многоконтактной задачи с учетом различных механических свойств материалов.

В работе [69], автором которой является Лукашевич A.A., представлена численная методика решения задач контактного взаимодействия сооружений с дискретными опорами, основанная на использовании контактных конечных элементов рамного типа. Модель учитывает кулоновское трение. Описанный в статье алгоритм применен для расчета реального сооружения.

В работе Ханян А. Г. [105] представлено решение плоских периодических контактных задач для упругой полосы методом коллокации по чебышевским узлам.

Работа Демкина Н. Б. и Измайлова В. В. [38] посвящена теоретическим и компьютерным моделям контакта поверхностей деталей машин. Учтено влияние качества материала и температурно-временного фактора на характеристики контакта.

В работе Колесникова В. И., Чебакова М. И. и Иваночкина П. Г. [57] рассматривается задача о контакте параболического штампа с двухслойной полосой, моделирующая фрикционный контакт тела с покрытием. Для решения интегрального уравнения использован специальный метод коллокаций. Получены распределения контактных напряжений внутри упругого покрытия и упругой подложки. Проанализировано влияние коэффициента трения и толщины покрытия.

В работах Кузнецова С. А. и Точкасовой М. А. [65, 104] на основе линейной теории пластин с учетом поперечного обжатия в области контакта дана постановка и решение задачи взаимодействия колеблющегося жесткого штампа с прямоугольной пластиной, находящейся в условиях цилиндрического изгиба. Функция влияния получена на основе уточненной теории пластин, учитывающей деформации поперечного сдвига и инерцию вращения.

В работе Сатаева В. Р. и Полякова А. А. [98] исследовалась проблема, возникающая при ремонте нефтегазопроводов, связанная с необходимостью устранения с наружной поверхности труб защитного изоляционного покрытия. Одним из эффективных методов очистки трубы от защитного покрытия является способ, основанный на предварительном охлаждении участка трубы до температуры хрупкости защитной пленки хладагентом и последующей механической обработке. Нанесение хладагента производится с помощью специальной спрейерной камеры, которая перемещается вдоль трубы на шасси, состоящих из 4 колес, имеющих форму диска. Таким образом, возникает задача контактного взаимодействия трубы и дисков, которая и рассмотрена в данной статье.

В работе Айзиковича С. М. с соавторами [3] исследуется внедрение осесимметричного штампа в неоднородное упругое полупространство. При решении контактной задачи используется двухсторонний асимптотический метод.

В работах Саламатовой В. Ю. с соавторами [5, 7, 97] изучены вопросы контактного взаимодействия упругих тел, нагруженных на бесконечности, с различными видами тонких накладок. Рассматривается применение полученных результатов к тензометрированию.

Hey Строева Н. В. в работах [79−81] рассматривает контактные задачи для упругих тел разных размерностей, а также проблему жестких включений. Исследуются вопросы строгого обоснования разрешимости таких задач.

В статье Печорской С. А. с соавторами [89] представлено аналитическое решение задачи контакта несущей стены многоэтажного здания и фундаментной плиты на упругом основании. Разработана модель, учитывающая податливость стены в своей плоскости и особенности деформирования плиты в областях передачи значительных нагрузок по малым площадкам.

В работе Максименко A.A., Котеневой Н. В. и Перфильевой А. Д. [70] рассматриваются условия возникновения упругопластических деформаций при контакте твердых тел. Представлены зависимости, позволяющие определить диапазон внедрения в случае контакта сферы с плоской поверхностью, а также в случае контакта поверхностей.

Поповым B.C. с соавторами в работе [92] исследована задача гидроупругих колебаний применительно к круглой пластине, взаимодействующей с твердым диском. Построена математическая модель рассматриваемой механической системы.

Работа [18], автором которой является Баничук Н. В., посвящена задаче оптимизации распределения контактного давления под жестким штампом, взаимодействующим с упругой средой, заполняющей полупространство. В качестве искомого в задаче выступает форма штампа, а роль минимизируемого функционала играет среднеквадратичное отклонение возникающего под штампом распределения контактного давления от некоторого заданного распределения. При этом величины суммарных сил и моментов, прикладываемых к штампу, предполагаются заранее известными. Проведено исследование задачи оптимизации для различных форм штампов в аналитическом виде.

В работе Пожарского Д. А. и Чебакова М. И. [91] решается задача о движении штампа при учете тепловыделения от трения между ним и упругой полосой большой толщины. Задача сводится к системе интегрального и интегро-дифференциального уравнений относительно контактного давления и контактной температуры. Для учета трения использован закон Кулона, предполагается, что коэффициент трения не зависит от температуры. Проведены расчеты контактных давлений и температур в зависимости от различных коэффициентов трения, скорости движения, вдавливающей силы, относительной толщины слоя и форм основания штампа.

Огар П.М. и Горохов Д. Б. в работе [85] предложили математические модели фрактальной шероховатой поверхности и контакта жесткой шероховатой поверхности с упругим полупространством. Получено выражение для определения фрактальной размерности эквивалентной шероховатой поверхности в зависимости от фрактальных размерностей контактирующих поверхностей и максимальных высот неровностей.

В работе Авджиевой Т. Б., Георгиева М. Н. и Николова Н. М. [1] представлена разработанная на базе МКЭ трехмерная модель контакта колеса и рельса, а также проанализировано влияние твердости контактирующих объектов на величину контактного объема.

В работе Солдатенкова И. А. [100] изучается задача о взаимном изнашивании волнистого штампа и упругой полосы, связанной с недеформируемым основанием. Аналитическое выражение для контактного давления сводится к нелинейной системе дифференциальных уравнений (которая в случае малого износа полосы становится линейной и допускает решение в явном виде). Получены условия, обеспечивающие герметичность при наличии трения и износа.

Представленный выше материал иллюстрирует теоретическую и практическую актуальность постановки и решения задач контактного взаимодействия. Важную роль при этом играет разработка новых методик численного и численно-аналитического решения таких задач.

Цель работы. Разработка универсальной и достаточно простой в использовании численно-аналитической методики решения задач контактного взаимодействия пластин на упругом основании с жесткими телами (штампами) и применение данной методики к решению новых контактных задач.

Научная новизна. Разработан новый метод решения двумерных статических задач контактного взаимодействия. Данный метод реализован в виде компьютерной программы, и с помощью нее впервые получены решения задач взаимодействия пластины на упругом основании со штампами различных форм: сектор, сектор кольца, прямоугольный штамп с вырезами, крестообразный штамп и т. д.

Практическая значимость. Представленная в работе численно-аналитическая методика может быть применена для решения задач контактного взаимодействия упругих и жестких тел, возникающих при моделировании реальных тонкостенных конструкций.

Достоверность полученных результатов. Достоверность полученных результатов обеспечивается: корректной математической постановкой задачииспользованием при численном решении интегрального уравнения точного аналитического представления функции влияниятщательным тестированием отдельных вычислительных модулей, реализующих алгоритм численного решения- - и подтверждается физической непротиворечивостью: поля распределения напряжений в каждой конкретной решенной задаче не содержат необъяснимых механических эффектов, а также совпадением картин распределения контактных напряжений в задаче для круглого штампа с полями, полученными ранее С. А. Кузнецовым на основе аналитического решения уравнения контакта.

Личный' вклад автора. Автор диссертации участвовал в разработке представленной в работе численной методики решения контактных задач, а также самостоятельно реализовал эту методику в виде компьютерной программы. Автору принадлежит постановка ряда новых контактных задач, их решение и анализ полученных результатов.

Апробация работы. Результаты диссертации были представлены на итоговых конференциях Казанского (Приволжского) федерального университета (Казань, 2006;2011 гг.) — международном семинаре, посвященном памяти заслуженного деятеля науки ТАССР проф. A.B. Саченкова «Актуальные проблемы нелинейной механики оболочек» (Казань, 2008 г.) — Х-м, ХП-м и ХШ-м международных семинарах «Супервычисления и математическое моделирование» (РФЯЦ-ВНИИЭФ, г. Саров, 2008 г., 2010 г., 2011 г.) — Второй международной конференции «Проблемы нелинейной механики деформируемого твердого тела» (Казань, 2009 г.) — молодежной научной школе-конференции «Лобачевские чтения» (Казань, 2007 г., 2010 г.) — международных студенческо-аспирантских форумах «Актуализация социально-экономического и естественно-научного образования в науке и предпринимательстве» (Казань,.

2009 г., 2010 г.) и «Научная и информационно-аналитическая база инновационного предпринимательства» (Казань, 2011 г.) — объединенном семинаре кафедры теоретической механики Казанского (Приволжского) федерального университета и Лаборатории механики оболочек НИИММ им. Н. Г. Чеботарева КФУ (Казань, 2011) — международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы естественных и гуманитарных наук» (Зеленодольск, 2011 г.).

Публикации. По материалам диссертационной работы имеются 11 публикаций, в том числе 2 статьи в журналах, входящих в перечень ВАК Министерства образования и науки РФ: 1 статья в «Ученых записках Казанского университета» [41] и 1 статья в «Научно-техническом вестнике Поволжья» [42], а также 6 других статей [46−51] и 3 информативных тезисов докладов на международных и Всероссийских конференциях [43−45].

Структура диссертационной работы. Диссертация изложена на 101 странице, содержит 9 таблиц, 72 рисунка, список литературы включает 117 наименований. Работа содержит введение, 2 главы, раздел «Заключение» и список литературы. В главе I представлена постановка задачи и основное разрешающее уравнение. Проведено построение функции влияния для решения уравнения изгиба круглой пластины. Подробно описана численно-аналитическая методика решения двумерных статических контактных задач, а также ее применение в различных частных случаях. Приведены результаты численных экспериментов на сходимость расчетной схемы.

Заключение

.

Сформулируем основные результаты и выводы данного диссертационного исследования.

1. Разработан метод численно-аналитического решения статических двумерных задач контактного взаимодействия пластин на упругом основании с жесткими штампами.

2. Метод реализован в виде компьютерной программы и применен к решению задач взаимодействия круглых пластин на упругом основании с жесткими штампами различных форм.

3. Получены поля распределения контактных напряжений для широкого спектра частных случаев и исследована их зависимость от формы штампа, эксцентриситета его положения и угла поворота, а также от условий на границе пластины.