Выбор критерия конструкционной прочности неоднородного кварцевого стержня на основе натурных и вычислительных экспериментов
Автор: Труфанов Александр Николаевич, Лесникова Юлия Игоревна, Труфанов Николай Александрович, Сметанников Олег Юрьевич
Журнал: Вычислительная механика сплошных сред @journal-icmm
Статья в выпуске: 1 т.9, 2016 года.
Бесплатный доступ
Рассматривается проблема оценки прочностных свойств конструкций из неоднородно легированных кварцевых стекол на примере силового цилиндрического стержня, являющегося элементом заготовки для вытяжки оптического волокна типа «Panda». Методика разработки критериев для этих целей основана на сочетании вычислительных и натурных экспериментов. В этом случае критериальные характеристики косвенно принимают во внимание множество факторов, сложно поддающихся описанию и влияющих на прочность; среди них: масштабный фактор, неоднородность легирования, разброс физико-механических свойств, влияние технологических операций на качество обработки поверхностей; формирование поверхностных и внутренних дефектов; технологические остаточные напряжения и другое. Для проверки прочности изделия последовательно решены следующие задачи: численно найдены технологические остаточные напряжения в готовых стержнях с учетом неоднородности термомеханических характеристик; проведены натурные испытания по нагружению серии стержней до разрушения по схеме трехточечного изгиба; выполнено численное прогнозирование напряженно-деформированного состояния стержней (включающего остаточные напряжения) в условиях эксперимента на разрушение; проанализированы расчетные поля напряжений и деформаций в стержне, соответствующие действию разрушающей нагрузки, замеренной в натурном эксперименте. В результате получено, что в качестве критерия конструкционной прочности неоднородно легированного кварцевого стержня можно использовать критерий максимальных главных деформаций, который дает достаточно хорошее согласование расчетных и экспериментальных данных. У заготовки для силового стержня оптического волокна определена конкретная величина предельной растягивающей деформации, а также внутри стержня установлена зона возникновения максимальных деформаций (на границе легированной области и области чистого кварца), которая служит источником начала и развития системы трещин в заготовке.
Критерии прочности, конструкционная прочность, натурный эксперимент, кварцевые стекла, метод конечных элементов
Короткий адрес: https://sciup.org/14320798
IDR: 14320798 | УДК: 539.3:539.4 | DOI: 10.7242/1999-6691/2016.9.1.9
Selection of a structural strength criterion for inhomogeneous silica rod on the basis of full-scale and computational experiments
We consider the problem of estimating the strength properties of heterogeneously doped silica glass structures by the example of a stress applying rod for preform of the Panda-type polarization-maintaining optical fiber. The methodology of structural strength criteria selection is based on a combination of computational and full-scale experiments. In this case, the criteria characteristics indirectly take into account many difficult-to-measure factors that affect the strength of structures: scale factor, doping inhomogeneity, dispersion of strength, influence of technological operations on the quality of surface treatment and formation of surface and internal defects, technological residual stresses, etc. To analyze the strength of the article consistently, we have solved the following problems. Residual stresses in the rods were determined numerically taking into account the heterogeneity of thermo-mechanical characteristics. Full-scale three-point bending experiments on loading rods to fracture were performed. The stress-strain state of rods (including residual stress) was predicted during the fracture experiment. The calculated stress and strain fields corresponding to the action of the fracture load measured in the experiment were analyzed. It has been found that, as a criterion of the structural strength of inhomogeneously doped silica rod, a criterion of maximum principal strains can be used which gives a fairly good agreement with experimental data. For preform of the stress applying rod for the Panda-type polarization-maintaining optical fiber, a specific value for ultimate tensile strain was determined, and the area of maximum deformation at the interface between doped area and pure silica, which is the source of initiation and formation of cracks, was identified.
Список литературы Выбор критерия конструкционной прочности неоднородного кварцевого стержня на основе натурных и вычислительных экспериментов
- Пух В.П., Байкова Л.Г., Киреенко М.Ф., Тихонова Л.В., Казанникова Т.П., Синани А.Б. Атомная структура и прочность неорганических стекол//ФТТ. -2005. -Т. 47, № 5. -С.850-855.
- Kurkjian С.R., Gupta P.K., Brow R.K., Lower N. The intrinsic strength and fatigue of oxide glasses//J. Non-Cryst. Solids. -2003. -Vol. 316, no. 1. -С. 114-124.
- Солнцев С.С., Морозов Е.М. Разрушение стекла. -M.: Изд-во ЛКИ, 2008. -152 с.
- Пух В.П. Прочность и разрушение стекла. -Л.: Наука, 1973. -155 с.
- Бартенев Г.М. Сверхпрочные и высокопрочные неорганические стекла. -М.: Стройиздат, 1974. -240 с.
- Хиллиг У.Б. Причины низкой прочности и предельная прочность аморфных хрупких тел//Прочность стекла/Под ред. В.А. Степанова. -М.: Мир, 1969. -С. 68-120
- Подстригач Я.С., Осадчук В.А., Марголин А.М. Остаточные напряжения, длительная прочность и надежность стеклоконструкций/АН УССР, Ин-т прикл. проблем механики и математики. -Киев: Наукова думка, 1991. -294 с.
- Бутаев А.М. Прочность стекла. Ионнообменное упрочнение. -Махачкала: Изд-во ДГУ, 1997. -253 с.
- Мазурин О.В., Стрельцина М.В., Швайко-Швайковская Т.П. Свойства стекол и стеклообразующих расплавов: Справочник, в 4-х т. -Л.: Наука, 1973-1987.
- http://www.sciglass.info (дата обращения: 04.03.2016).
- Trufanov A.N., Smetannikov O.Y., Trufanov N.A. Numerical analysis of residual stresses in preform of stress applying part for PANDA-type polarization maintaining optical fibers//Opt. Fiber Technol. -2010. -Vol. 16, no. 3. -P. 156-161.
- Труфанов А.Н., Наймушин И.Г. О модели термомеханического поведения кварцевых стекол и конструкций из них//Вестник ПГТУ. Механика. -2010. -№ 3. -С. 85-99.
- Бартенев Г.М. Строение и механические свойства неорганических стекол. -М.: Стройиздат, 1966. -216 с.
- Леко В.К., Мазурин О.В. Свойства кварцевого стекла. -Л.: Наука, 1985. -166 с.
- Бате К.-Ю. Методы конечных элементов. -М.: Физматлит, 2010. -1024 с.
- Тимошенко С.П., Гудьер Дж. Теория упругости. -М.: Наука, 1975. -576 с.
