Напряженно-деформированное состояние упругого мягкого функционально-градиентного покрытия при внедрении сферического индентора

Автор: Волков С.С., Васильев А.С., Айзикович С.М., Селезнев Н.М., Леонтьева А.В.

Журнал: Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика @vestnik-pnrpu-mechanics

Статья в выпуске: 4, 2016 года.

Бесплатный доступ

Статья посвящена построению полей смещений, напряжений и деформаций, возникающих внутри линейно-упругого полупространства с функционально-градиентным покрытием, при внедрении в него индентора (штампа) со сферической формой наконечника. Вычисление значений смещений, напряжений и деформаций в некоторой точке внутри покрытия и полупространства сведено к вычислению интегралов на бесконечном интервале. Подынтегральная функция зависит от неизвестных заранее напряжений в области контакта штампа с покрытием. Контактные напряжения, возникающие при внедрении жесткого сферического штампа в упругое полупространство с функционально-градиентным покрытием, получены авторами в приближенном аналитическом виде ранее путем решения задачи со смещенными граничными условиями. Для этого, используя технику интегральных преобразований, задачу свели к решению парного интегрального уравнения. В общем случае произвольного изменения упругих модулей по глубине покрытия трансформанта ядра парного интегрального уравнения может быть построена лишь численно из решения задачи Коши для системы обыкновенных дифференциальных уравнений с переменными коэффициентами. Аппроксимируя трансформанту ядра произведением дробно-квадратичных функций, в аналитическом виде получены приближенные формулы для определения контактных напряжений и размера зоны контакта, которая также заранее неизвестна. Полученное решение является асимптотически точным для малых и больших значений относительной толщины покрытия и обладает высокой точностью для средних значений. Метод позволяет моделировать произвольный характер изменения упругих модулей по глубине покрытия и рассматривать значения модуля Юнга в подложке более чем на два порядка больше, чем в покрытии. Проведен ряд численных экспериментов по построению полей смещений и напряжений внутри мягкого функционально-градиентного слоя, лежащего на упругом полупространстве (основании). Модуль Юнга слоя постоянен или изменяется линейно (убывает или возрастает с глубиной). Модуль Юнга слоя и упругого основания в зоне их сопряжения отличаются в 100 раз. Такой подход позволяет избежать использования предположения о недеформируемости основания при моделировании мягкого однородного или функционально-градиентного слоя.

Еще

Контакт, внедрение, сферический индентор, напряженное состояние, функционально-градиентное покрытие, мягкий слой, поля смещений, аналитические методы

Короткий адрес: https://sciup.org/146211641

IDR: 146211641   |   УДК: 539.3   |   DOI: 10.15593/perm.mech/2016.4.02

Stress-strain state of an elastic soft functionally-graded coating subjected to indentation by a spherical punch

The article is devoted to the construction of fields of displacements, stresses and strainsarising in a linearly elastic half-space with a functionally-graded coating subjected to indentation by a punch with a spherical tip. Calculations of displacements, stresses and strains at the inner point of the coating andthe substrate is reduced to the integration on an infinite interval. The integrand is dependent on an unknown function of stresses distribution in the contact region. Contact stresses arising due to the indentation of a rigid spherical punch into an elastic half-space with a functionally-graded coating have earlier been constructed by the authors by solving the problem with mixed boundary conditions. For this purpose, the problem was reduced to the solution of a dual integral equation using the integral transformation technique. For a general case of independent arbitrary variation of Young’s modulus and Poison’sratioin the depth of the coating, the kernel transform of the integral equation can be calculated only numerically from the solution of a Cauchy problem for a system of ordinary differential equations with variable coefficients. Using approximations for the kernel transform of the integral equation by a product of fractional quadratic functions, approximated analytical expressions for the contact stresses and unknown radius of the contact area were constructed. The expressions obtained are asymptotically exact for both small and big values of relative coating thickness and high accuracy of intermediate values can be reached. The method is effective for an arbitrary variation of elastic properties and makes it possible to consider values of Young’s modulus of the substrate with more than two orders of magnitude higher than that in the coating. Series of numerical calculations of elastic displacements and stresses inside the coating and the substrate are provided for a case of soft homogeneous or functionally-graded layer lying on an elastic half-space (foundation). Young’s modulus of the layer is assumed to be constant or linearly varying (increasing or decreasing) in depth. At the layer-foundation interface Young’s modulus of the layer is 100 times as much as that of the foundation. This approach makes it possible to avoid the use of assumption about the non-deformability of the foundation for modeling soft homogenous or functionally-graded layers.

Еще

Список литературы Напряженно-деформированное состояние упругого мягкого функционально-градиентного покрытия при внедрении сферического индентора

  • Niino M., Maeda S. Recent development status of functionally gradient materials//Transactions of the Iron and Steel Institute of Japan. -1990. -Vol. 30. -No. 9. -P. 699-703.
  • Analytical solution of the spherical indentation problem for a half-space with gradients with the depth elastic properties/S. Aizikovich, V. Alexandrov, J. Kalker, L. Krenev//International Journal of Solids and Structures. -2002. -Vol. 39. -P. 2745-2772.
  • Axisymmetric contact problems of the theory of elasticity for inhomogeneous layers/A.S. Vasiliev, S.S. Volkov, S.M. Aizikovich, Y.-R. Jeng//ZAMM -Zeitschrift für Angewandte Mathematik und Mechanik. -2014. -Vol. 94. -No. 9. -P. 705-712.
  • Thermoelastic frictional contact of functionally graded materials with arbitrarily varying properties/J. Liu, L.-L. Ke, Y.-S. Wang, J. Yang, F. Alam//International Journal of Mechanical Sciences. -2012. -Vol. 63. -P. 86-98.
  • Liu T.J., Wang Y.S., Zhang C.Z. Axisymmetric frictionless contact of functionally graded materials//Archive of Applied Mechanics. -2008. -Vol. 78. -P. 267-282.
  • Ma J., Ke L.-L., Wang Y.-S. Frictionless contact of a functionally graded magneto-electro-elastic layered half-plane under a conducting punch//International Journal of Solids and Structures. -2014. -Vol. 51. -P. 2791-2806.
  • Kucuksucu A., Guler M.A., Avci A. Mechanics of sliding frictional contact for a graded orthotropic half-plane//Acta Mechanica. -2015. -Vol. 226. -P. 3333-3374.
  • Sliding contact analysis of functionally graded coating/substrate system/Y. Alinia, A. Beheshti, M.A. Guler, S. El-Borgi, A.A. Polycarpouc//Mechanics of Materials. -2016. -Vol. 94. -P. 142-155.
  • Suresh S., Giannakopoulos A.E., Alcala J. Spherical indentation of compositionally graded materials: theory and experiments//Acta Materialia. -1997. -Vol. 45. -P. 1307-1321.
  • Awojobi A.O. On the hyperbolic variation of elastic modulus in a non-homogeneous stratum//International Journal of Solids and Structures. -1976. -Vol. 12. -No. 11. -P. 639-748.
  • Glushkov E., Glushkova N., Eremin A. Forced wave propagation and energy distribution in anisotropic laminate composites//Journal of the Acoustical Society of America. -2011. -Vol. 129. -No. 5. -P. 2923-2934.
  • Altenbach H., Eremeyev V.A. Direct approach-based analysis of plates composed of functionally graded materials//Archive of Applied Mechanics. -2008. -Vol. 78. -No. 10. -P. 775-794.
  • Hertzian contact response of single-layer, functionally graded and sandwich coatings/X.C. Zhang, B.S. Xu, H.D. Wang, Y.X. Wu, Y. Jiang//Materials and Design. -2007. -Vol. 28. -P. 47-54.
  • Schwarzer N., Richter F., Hecht G. The elastic field in a coated half-space under Hertzian pressure distribution//Surface and Coatings Technology. -1999. -Vol. 114. -P. 292-304.
  • Some criteria for coating effectiveness in heavily loaded line elastohydrodynamically lubricated contacts. -Part I: Dry contacts/I.I. Kudish, S.S. Volkov, A.S. Vasiliev, S.M. Aizikovich//Journal of Tribology. -2016. -Vol. 138, No. 2. -Article number 21504 DOI: 10.1115/1.4030956
  • Torsion of a circular punch attached to an elastic half-space with a coating with periodically depth-varying elastic properties/A.S. Vasiliev, M.V. Swain, S.M. Aizikovich, E.V. Sadyrin//Archive of Applied Mechanics. -2016. -Vol. 86. -pp. 1247-1254.
  • Kulchytsky-Zhyhailo R., Rogowski G. Stresses in hard coating due to a rigid spherical indenter on a layered elastic half-space//Tribology International. -2010. -Vol. 43. -No. 9. -P. 1592-1601.
  • Aizikovich S.M, Alexandrov, V.M., Trubchik, I.S. Bilateral asymptotic solution of one class of dual integral equations of the static contact problems for the foundations inhomogeneous in depth//Operator Theory: Advanced Applications. -2009. -Vol. 191. -P. 3-17.
  • Ворович И.И., Устинов Ю.А. О давлении штампа на слой конечной толщины//Прикладная математика и механика. -1959. -Т. 23, № 3 -С. 445-455.
  • Александров В.М., Ворович И.И. Контактные задачи для упругого слоя малой толщины//Прикладная математика и механика. -1964. -Т. 30, № 2. -С. 350-351.
  • Yoffe E.H. Modified Hertz theory for spherical indentation//Philosophical magazine A: Physics of Condensed Matter, Structure, Defects and Mechanical Properties. -1984. -Vol. 50. -No. 6. -Р. 813-828.
  • Ворович И.И., Александров В.М., Бабешко В.А. Неклассические смешанные задачи теории упругости. -М.: Наука, 1974. -456 с.
  • Александров В.М. О приближенном решении некоторых интегральных уравнений теории упругости и математической физики//Прикладная математика и механика. -1967. -№. 6. -С. 1117-1131.
  • Айзикович С.М., Васильев А.С. Двухсторонний асимптотический метод решения интегрального уравнения контактной задачи о кручении неоднородного по глубине упругого полупространства//Прикладная математика и механика. -2013. -Т. 77, № 1. -С. 129-137.
Еще