Повышение качества компьютерной модели изнашивания осесимметричной пары трения путем увеличения её адекватности

Автор: Журавлв Д.Н., Боровков А.И.

Журнал: Известия Самарского научного центра Российской академии наук @izvestiya-ssc

Статья в выпуске: 3 т.26, 2024 года.

Бесплатный доступ

В статье описан процесс повышения качества компьютерной модели изнашивания, основанной на законе Арчарда, для осесимметричной пары трения. Одними из распространенных представителей таких пар трения являются камневые опоры («игла-подпятник»), применяемые как в измерительных приборах, так и в различных роторных системах. За метрику качества рассматриваемой математической модели принята ее адекватность - уровень соответствия реальному процессу. В качестве мер по улучшению адекватности модели рассмотрены учет зависимостей параметров модели, изменяющихся в процессе изнашивания, а также предложен способ модификации исходной модели для возможности вычисления износа на оси вращения пары трения. Приведены примеры, основанные на численном моделировании износоконтактных задач для пар трения с известными аналитическими оценками величины износа, показывающие важность учета указанных выше параметров и явлений. Численное моделирование процесса изнашивания проводилось в CAE системе ANSYS Mechanical. Применение более адекватной компьютерной модели процесса изнашивания при проектировании ответственных узлов агрегатов позволит повысить качество конечного изделия.

Еще

Повышение качества, адекватность, компьютерная модель, износконтактная задача

Короткий адрес: https://sciup.org/148329379

IDR: 148329379 | DOI: 10.37313/1990-5378-2024-26-3-84-92

Список литературы Повышение качества компьютерной модели изнашивания осесимметричной пары трения путем увеличения её адекватности

Боровков, А.И. Новая парадигма цифрового проектирования и моделирования глобально конкурентноспособной продукции нового поколения. Цифровое производство: методы, экосистемы, технологии. Рабочий доклад департамента корпоративного обучения Московской школы управления Сколково / А.И. Боровков, Ю.А. Рябов, В.М. Марусева. – 2018. – С.24-44,
N. S. Rodionov and L. I. Tatarnikova, “Digital twin technology as a modern approach to quality management,” E3S Web of Conferences, vol. 284, p. 04013, Jan. 2021, doi: 10.1051/e3sconf/202128404013.
ISO 9000:2015. Quality management systems. Fundamentals and vocabulary
H. Scholten and A. J. U. T. Cate, “Quality assessment of the simulation modeling process,” Computers and Electronics in Agriculture, vol. 22, no. 2–3, pp. 199–208, Apr. 1999, doi: 10.1016/s0168-1699(99)00018-6.
ГОСТ Р 57700.37-2021. Компьютерные модели и моделирование. Цифровые двойники изделий. Общие положения
J. F. Archard, “Contact and rubbing of fl at surfaces,” Journal of Applied Physics, vol. 24, no. 8, pp. 981–988, Aug. 1953, doi: 10.1063/1.1721448.
J. F. Archard and W. P. Hirst, “The wear of metals under unlubricated conditions,” Proceedings of the Royal Society of London, vol. 236, no. 1206, pp. 397–410, Aug. 1956, doi: 10.1098/rspa.1956.0144.
Theory Reference. ANSYS Inc. 2020
V. Hegadekatte, S. Kurzenhauser, N. Huber, and O. Kraft, “A predictive modeling scheme for wear in tribometers,” Tribology International, vol. 41, no. 11, pp. 1020–1031, Nov. 2008, doi: 10.1016/j.triboint.2008.02.020.
P. Podra and S. Andersson, “Simulating sliding wear with fi nite element method,” Tribology International, vol. 32, no. 2, pp. 71–81, Feb. 1999, doi: 10.1016/s0301-679x(99)00012-2.
A. Soderberg and S. Andersson, “Simulation of wear and contact pressure distribution at the pad-torotor interface in a disc brake using general purpose fi nite element analysis software,” Wear, vol. 267, no. 12, pp. 2243–2251, Dec. 2009, doi: 10.1016/j.wear.2009.09.004.
X. Dai, K. Zhang, and C. Tang, “Friction and wear of pivot jewel bearing in oil-bath lubrication for high rotational speed application,” Wear, vol. 302, no. 1–2, pp. 1506–1513, Apr. 2013, doi: 10.1016/j.wear.2013.01.032.
A. Bastola, D. Stewart, and D. Dini, “Three-dimensional fi nite element simulation and experimental validation of sliding wear,” Wear, vol. 504–505, p. 204402, Sep. 2022, doi: 10.1016/j.wear.2022.204402.
A. Amini, W. Yan, and Q. Sun, “Depth dependency of indentation hardness during solid-state phase transition of shape memory alloys,” Applied Physics Letters, vol. 99, no. 2, Jul. 2011, doi: 10.1063/1.3603933.
F. Alisafaei and C. E. Han, “Indentation depth dependent mechanical behavior in polymers,” Advances in Condensed Matter Physics, vol. 2015, pp. 1–20, Jan. 2015, doi: 10.1155/2015/391579.
F. Alisafaei, C. E. Han, and S. H. R. Sanei, “On the time and indentation depth dependence of hardness, dissipation and stiffness in polydimethylsiloxane,” Polymer Testing, vol. 32, no. 7, pp. 1220–1228, Oct. 2013, doi: 10.1016/j.polymertesting.2013.07.013.
H. Gao, Y. Huang, and W. D. Nix, “Modeling plasticity at the micrometer scale,” The Science of Nature, vol. 86, no. 11, pp. 507–515, Nov. 1999, doi: 10.1007/s001140050665.
S. Kucharski, D. M. Jarzabek, P. Anna, and S. Wozniacka, “Decrease of nano-hardness at ultra-low indentation depths in copper single crystal,” Experimental Mechanics, Nov. 2015, doi: 10.1007/s11340-015-0105-2.
Y. Liu and A. H. W. Ngan, “Depth dependence of hardness in copper single crystals measured by nanoindentation,” Scripta Materialia, vol. 44, no. 2, pp. 237–241, Feb. 2001, doi: 10.1016/s1359-6462(00)00598-4.
P. Zhu, Y. Zhao, S. Agarwal, J. Henry, and S. J. Zinkle, “Toward accurate evaluation of bulk hardness from nanoindentation testing at low indent depths,” Materials & Design, vol. 213, p. 110317, Jan. 2022, doi: 10.1016/j.matdes.2021.110317.
X. Xiao, Q. Chen, H. Yang, H. Duan, and J. Qu, “A mechanistic model for depth-dependent hardness of ion irradiated metals,” Journal of Nuclear Materials, vol. 485, pp. 80–89, Mar. 2017, doi: 10.1016/j.jnucmat.2016.12.039.
Terent’ev V.F., Мichugina М.S., Kolmakov A.G., Kvedaras V., Ciuplys V., Ciuplys A., Vilys J. The effect of nitriding on fatigue strength of structural alloys. Mechanika, 64 (2), 2007.
R. Sagaro, J. S. Ceballos, A. B. Ortega, and J. Mascarell, “Tribological behaviour of line hardening of steel U13A with Nd:YAG laser,” Wear, vol. 225–229, pp. 575–580, Apr. 1999, doi: 10.1016/s0043-1648(99)00080-0.
L. Veleva, P. Hahner, A. Dubinko, T. Khvan, D. Terentyev, and A. Ruiz, “Depth-Sensing Hardness Measurements to Probe Hardening Behaviour and Dynamic Strain Ageing Effects of Iron during Tensile Pre-Deformation,” Nanomaterials, vol. 11, no. 1, p. 71, Dec. 2020, doi: 10.3390/nano11010071.
J. R. Bowler, Y. Huang, H. Sun, J. M. Brown, and N. Bowler, “Alternating current potential-drop measurement of the depth of case hardening in steel rods,” Measurement Science and Technology, vol. 19, no. 7, p. 075204, Jun. 2008, doi: 10.1088/0957-0233/19/7/075204.
J. Zhao, W. Fei, P. Huang, T. Lu, and K. W. Xu, “Depth dependent strain rate sensitivity and inverse indentation size effect of hardness in body-centered cubic nanocrystalline metals,” Materials Science and Engineering: A, vol. 615, pp. 87–91, Oct. 2014, doi: 10.1016/j.msea.2014.07.057.
W. Yan, A. Amini, and Q. Sun, “On anomalous depthdependency of the hardness of NiTi shape memory alloys in spherical nanoindentation,” Journal of Materials Research, vol. 28, no. 15, pp. 2031–2039, Jul. 2013, doi: 10.1557/jmr.2013.184.
M. Hebbache, “Nanoindentation: Depth dependence of silicon hardness studied within contact theory,” Physical Review, vol. 68, no. 12, Sep. 2003, doi: 10.1103/physrevb.68.125310.
Гуляев А. П. Металловедение. Учебник для втузов. 6-е изд., перераб. и доп. / А.П Гуляев. – М.: Металлургия, 1986. – 544 с.
Schneider G. Cutting Tool Applications. ASM International, 2002. 234 p.
S. Nestorovic, D. Markovic, and L. Ivanic, “Infl uence of degree of deformation in rolling on anneal hardening effect of a cast copper alloy,” Bulletin of Materials Science, vol. 26, no. 6, pp. 601–604, Oct. 2003, doi: 10.1007/bf02704322.
P. Hidalgo-Manrique, X. Lei, R. Xu, M. Zhou, I. A. Kinloch, and R. J. Young, “Copper/graphene composites: a review,” Journal of Materials Science, vol. 54, no. 19, pp. 12236–12289, Jun. 2019, doi: 10.1007/s10853-019-03703-5.
S. H. De Souza, A. F. Padilha, and A. M. Kliauga, “Softening behavior during annealing of overaged and cold-rolled aluminum alloy 7075,” Materials Research-ibero-american Journal of Materials, vol. 22, no. 3, Jan. 2019, doi: 10.1590/1980-5373-mr-2018-0666.
R. Chen, H.-Y. Chu, C.-C. Lai, and C.-T. Wu, “Effects of annealing temperature on the mechanical properties and sensitization of 5083-H116 aluminum alloy,” Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part L: Journal of Materials: Design and Applications, vol. 229, no. 4, pp. 339–346, Nov. 2013, doi: 10.1177/1464420713512249.
Z. Dugar et al., “Determination of recrystallization temperature of varying degrees formed aluminium, by DMTA technique,” International Journal of Mechanical and Mechatronics Engineering, vol. 9, no. 3, pp. 253–256, May 2015, [Online]. Available: https://waset.org/Publication/determination-ofrecrystallization-temperature-of-varying-degreesformed-aluminium-by-dmta-technique/10001334
B. Evans and C. Gotze, “The temperature variation of hardness of olivine and its implication for polycrystalline yield stress,” Journal of Geophysical Research, vol. 84, no. B10, pp. 5505–5524, Sep. 1979, doi: 10.1029/jb084ib10p05505.
Маслов Е.Н. Теория шлифования материалов/ Е.Н. Маслов. – М.: Машиностроение, 1974. – 320 с.
L. Konya and K. Varadi, “Wear simulation of a polymer–steel sliding pair considering temperatureand time-dependent material properties,” in Tribology and Interface Engineering Series, 2008, pp. 130–145. doi: 10.1016/s1572-3364(08)55007-5.
H. Wang, S. Jiang, and Z. Shen, “The dynamic analysis of an energy storage fl ywheel system with hybrid bearing support,” Journal of Vibration and Acoustics, vol. 131, no. 5, Sep. 2009, doi: 10.1115/1.3147128.
C. Tang, X. Dai, X.-Z. Zhang, and L. Jiang, “Rotor dynamics analysis and experiment study of the flywheel spin test system,” Journal of Mechanical Science and Technology, vol. 26, no. 9, pp. 2669–2677, Sep. 2012, doi: 10.1007/s12206-012-0717-8.
C. Tang, D. Han, and J. Yang, “Rubbing dynamics behavior of a fl ywheel shafting with a single point fl exible support,” Journal of Vibroengineering, vol. 19, no. 6, pp. 4138–4154, Sep. 2017, doi: 10.21595/jve.2017.18480.
C. Tang, B. Su, and X. Liu, “Dynamics research of a fl ywheel shafting with PMB and a single point fl exible support,” Journal of Vibroengineering, vol. 21, no. 7, pp. 1819–1835, Nov. 2019, doi: 10.21595/jve.2019.20675.
Q. Liu, C. Tang, T.-W. Wu, and Y. Bai, “Infl uence of pivot support stiffness on dynamic characteristics of vertical rotor system,” Journal of Vibroengineering, vol. 25, no. 6, pp. 1040–1052, Aug. 2023, doi: 10.21595/jve.2023.23136.
Byrd P.F., Friedman M.D. Handbook of Elliptic Integrals for Engineers and Scientists. Springer-Verlag, Berlin, 1971
Хебда М., Чичинадзе А.В. Справочник по триботехнике. Том 1. Теоретические основы / М. Хебда, А.В. Чичинадзе. – М.: Машиностроение, 1989.
J. J. Kauzlarich, K. G. Bhatia, and H. W. Streitman, “Effect of wear on pivot thrust bearings,” A S L E Transactions, vol. 9, no. 3, pp. 257–263, Jan. 1966, doi: 10.1080/05698196608972142.

Еще

Статья научная