Анализ усталостного ресурса резинометаллического амортизатора с учетом влияния температурной модели эксплуатации

Библиографический список

1. Манипуляционные системы роботов / А. И. Корендясев [и др.] ; под общ. ред. А. И. Корендясева. — М. : Машиностроение, 1989. — 472 с.

2. Глазунов, В. А. Пространственные механизмы параллельной структуры / В. А. Глазунов, А. Ш. Колискор, А. Ф. Крайнев. - М. : Наука, 1991. - 95 с.

3. Рыбак, Л. А. Управление технологическим процессом механической обработки с использованием роботов-станков параллельной структуры : моногр. / Л. А. Рыбак, А. В. Чичва-рин, В. В. Ержуков. — Белгород : БГТУ, 2008. — 151 с.

4. Зенкевич, С. Л. Основы управления манипуляционными роботами / С. Л. Зенкевич, А. С. Ющенко. — М. : МГТУ им. Баумана, 2004. — 480 с.

ХОМЧЕНКО Василий Герасимович, доктор технических наук, профессор (Россия), заведующий кафедрой «Автоматизация и робототехника». Адрес для переписки: v_khomchenko@mail.ru

Статья поступила в редакцию 06.03.2015 г. © В. Г. Хомченко

УДК 62.576.1

В. Г. ЦЫСС И. М. СТРОКОВ М. Ю. СЕРГАЕВА

Омский государственный технический университет

Научно-производственное предприятие «Прогресс»

АНАЛИЗ УСТАЛОСТНОГО РЕСУРСА

РЕЗИНОМЕТАЛЛИЧЕСКОГО

АМОРТИЗАТОРА

С УЧЕТОМ ВЛИЯНИЯ ТЕМПЕРАТУРНОЙ МОДЕЛИ ЭКСПЛУАТАЦИИ_

Целью работы является оценка меры накопления повреждений резинометаллического амортизатора с помощью пакетов конечно-элементного анализа ANSYS. Проведен анализ усталостного ресурса амортизатора, позволяющий определить суммарную меру его повреждения с учетом влияния температуры эксплуатации. Ключевые слова: резинометаллический амортизатор, накопление повреждений, усталостный ресурс, температурная модель эксплуатации, напряженно-деформиро-ванное состояние.

Накопление усталостных повреждений — достаточно сложное явление, для которого существенным оказывается влияние множества разнообразных факторов: вид нагружения, конструктивные и эксплуатационные факторы. Если рассматривать влияние эксплуатационных факторов, то в первую очередь к ним стоит отнести температуру окружающей среды. В общем случае повышение температуры окружающей среды воздуха при циклическом нагру-жении амортизатора приводит к увеличению меры повреждения. На графике предельная кривая усталости, построенная по результатам испытаний при повышенной температуре, располагается левее основной кривой усталости. Для того небольшого интервала температур окружающего воздуха, при котором эксплуатируются резинометаллические амортизаторы, показатель степени в формуле кривой усталости NFa=const, (где Р — параметр нагружения, N — ресурс) не зависит от условий нагружения и температуры. Это означает, что в системе координат lgF—lgN кривые усталости при различных температурах — параллельные прямые.

Влияние температуры окружающей среды в наибольшей степени сказывается на свойствах элементов конструкции, выполненных из полимерных высокоэластичных материалов. Этот момент имеет особый смысл для конструкций, изготовленных из резины, поскольку, как и большинство полимеров, резина сохраняет свои эксплуатационные характеристики в достаточно узком интервале температур. Диапазоны изменения температур и их длительность задаются в виде так называемой температурной модели эксплуатации конструкции, учет влияния которой на повреждаемость и представляет основную задачу выполнения настоящей работы.

Целью работы является оценка меры повреждения резинометаллического амортизатора при заданных амплитудной и температурной моделях эксплуатации с помощью современных пакетов конечно-элементного анализа, в частности АИБУБ.

Объектом исследования является резинометалли-ческий амортизатор, состоящий из резинового блока и двух металлических пластин, привулканизованных к нему.

Амплитудная модель эксплуатации амортизатора

Таблица 1

Блок нагружения Амплитуда перемещения, мм Количество циклов

1 ±4,5 1,5-105

2 ±0,03 14,5106

3 ±0,3 12106

Таблица 2

Температурная модель эксплуатации амортизатора

Диапазон температур T, °C Среднее значение температуры в диапазоне T, °C Длительность эксплуатации у, %

— 5...5 0 2

5...25 15 50

25.40 33 33

40.60 50 10

60.70 65 5

Рис. 1. Кривые усталости образцов резины амортизатора при различных температурах

Амплитудная модель эксплуатации амортизатора приведена в табл. 1.

В табл. 2 приведена температурная модель эксплуатации амортизатора.

Для решения поставленной задачи можно выделить следующие основные этапы[1]:

1. Расчетное построение графических зависимостей усталостного ресурса от температуры для заданных температурной моделью эксплуатации диапазонах.

Поскольку температурные кривые зависимости усталостного ресурса образцов резины амортизатора получены для фиксированных значений температур окружающей среды (20, 60, 80 оС), то для каждого диапазона средних значений температур из температурной модели эксплуатации амортизатора (0, 15, 33, 50, 65 оС) построены соответствующие расчетные и графические зависимости усталостного ресурса от температуры.

2. Расчет напряженно-деформированного состояния амортизатора.

Для каждого блока нагружения, согласно модели эксплуатации (табл. 1), определяют с помощью прог-

раммного пакета ANSYS Mechanical [2] напряженное состояние амортизатора.

3. Определение опасной точки (участка) конструкции.

По результатам расчета напряженно-деформированного состояния амортизатора определяют наиболее нагруженный участок, который в последующем считаем подверженным усталостному разрушению. Расчет выполняется в программном пакете ANSYS Mechanical.

4. Расчет суммарной меры повреждения амортизатора с учетом температурной модели эксплуатации.

При помощи модуля Fatigue программного пакета ANSYS Mechanical определяем меру повреждения амортизатора согласно амплитудной модели эксплуатации (табл. 1) для средних значений температуры каждого из диапазона температур (0, 15, 33, 50, 65 оС). Повреждение, накопленное в опасной точке амортизатора при заданной в табл. 1 амплитудной модели эксплуатации, будет равно [3]:

n n k

D S =Z D =Z N- -

i=1 i=1 Ni

Рис. 2. Зависимость усталостного ресурса амортизатора от температуры при фиксированных значениях нагрузки

Рис. 3. Кривые усталости амортизатора с учетом температурной модели эксплуатации

Таблица 3

Расчетные значения усталостного ресурса амортизатора с учетом температурной модели эксплуатации

N(1), циклов

^^^^^ Т, °С Ств, Па^^^^^^ 0 15 33 50 65

3,9Е + 06 8,8Е + 05 7,0Е + 05 4,9Е + 05 2,9Е + 05 1,2Е + 05

2,5Е + 06 2,3Е + 06 1,9Е + 06 1,3Е + 06 8,0Е + 05 3,3Е + 05

1,6Е + 06 6,2Е + 06 5,0Е + 06 3,5Е + 06 2,1Е + 06 8,5Е + 05

1,0Е + 06 1,6Е + 07 1,3Е + 07 9,2Е + 06 5,5Е + 06 2,2Е + 06

6Е + 05 4,4Е + 07 3,5Е + 07 2,4Е + 07 1,4Е + 07 5,5Е + 06

4Е + 05 1,2Е + 08 9,4Е + 07 6,5Е + 07 3,8Е + 07 1,4Е + 07

Рис. 4. Конечно-элементная модель амортизатора

Таблица 4

Механические характеристики амортизатора АДП-2400

Резина Сталь Ст10

Модуль упругости Е, Па 6,2-106 2-1011

Модуль сдвига С, Па 2,07-106 6,6-1010

Коэффициент Пуассона, т 0,49 0,32

Предел прочности ав, Па 1,4-107 4,2-107

Плотность р, кг/м3 1200 7850

Рис. 5. Объемная эпюра напряжений по Мизесу при деформации 4,5 мм с наиболее нагруженным узлом

Таблица 5

Напряжения по Мизесу в выбранной точке

Деформация, мм Напряжение а по Мизесу, МПа

+ 4,5 1,6

-4,5 1,6

+ 0,03 0,01

-0,03 0,01

+ 0,3 0,10

-0,3 0,10

где — суммарная мера повреждения амортизатора;

к — число повторений нагружения амортизатора;

— число циклов до разрушения (ресурс) амортизатора.

Учитывая температурную модель эксплуатации суммарная мера повреждения будет равна

Таблица 6

Расчет меры повреждения амортизатора для средних значений интервала температур

D s

n p k

=I I Njg"

,=1 j=1N ij

где i — соответствует номеру температурного интервала;

j — соответствует режиму эксплуатации;

у,. — относительная продолжительность эксплуатации

в i-м температурном интервале.

Моменту повреждения (разрушения) резино-металлического амортизатора будет соответствовать значение суммарной меры повреждения DS.

По результатам испытаний образцов резины амортизатора на усталостную прочность при различных температурах были построены кривые усталости, изображенные на рис. 1.

Для анализа зависимости усталостного ресурса амортизатора от температуры при фиксированных значениях нагрузки построены соответствующие кривые (рис. 2).

Из рис. 2 видно, что зависимость усталостного ресурса амортизатора от температуры является нелинейной. Поскольку температурные интервалы эксплуатации амортизатора (табл. 2) находятся вблизи линейных значений температур (20...60 оС), то примем зависимость линейной вида:

N(T) = a+b-T,

где T — температура окружающей среды; a, b — коэффициенты (находятся эмпирически).

В табл. 3 приведены расчетные значения усталостного ресурса амортизатора для средних значений температур температурной модели эксплуатации.

На рис. 3 приведены кривые усталости амортизатора с учетом температурной модели эксплуатации.

Следующим шагом в соответствии с методикой, приведенной выше, является расчет напряженно-деформированного состояния амортизатора.

С этой целью создана конечно-элементная модель (рис. 4), которая интерполирована 6480-ю гексагональными 4-узловыми элементами [4].

Механические характеристики материалов амортизатора были приняты согласно табл. 4.

Проведены расчеты напряженно-деформированного состояния амортизатора для шести значений деформаций из табл. 1 и все шесть результатов были записаны в один расчетный файл. В качестве наиболее нагруженной точки выбран узел № 2819.

На рис. 5 изображена объемная эпюра напряжений по Мизесу при деформации сжатия, равной 4,5 мм, и выделен наиболее нагруженный узел № 2819.

В табл. 5 приведены напряжения по Мизесу в выбранной точке при деформациях из табл. 1.

Далее, в соответствии с приведенной методикой, производится расчет меры повреждения конструкции по приведенным нагрузкам при средних значениях температур (табл. 2). Результаты расчетов приведены в табл. 6.

Температура T, °C Повреждение D,

0 0,25627

15 0,32214

33 0,46444

50 0,79581

65 2,15822

Умножив полученные значения повреждения на коэффициент длительности эксплуатации у( из табл. 2 и суммировав их по формуле (2), получим суммарную меру повреждения амортизатора с учетом температурной модели эксплуатации:

Б Е = 0,25627-0,2 + 0,32214-0,5 + 0,46444-0,33 + + 0,79581-0,1 + 2,15822-0,05 = 0,50695.

Полученное в результате расчетов значение суммарной меры повреждения не превышает единицы, что позволяет сделать вывод об обеспечении усталостного ресурса исследуемого резинометалличе-ского амортизатора при заданных амплитудной и температурной моделях эксплуатации.

Таким образом, проведенный в работе анализ усталостного ресурса резинометаллического амортизатора позволяет определить суммарную меру повреждения с учетом влияния температурной модели его эксплуатации.

Библиографический список

1. Берендеев, Н. Н. Применение системы к оценке усталостной долговечности : учеб.-метод. материалы / Н. Н. Берендеев. — Н. Новгород, 2006. — 84 с.

2. Кравчук, А. С. Электронная библиотека механики и физики. Лекции по ЛН8У8 с примерами решения задач в пяти частях / А. С. Кравчук, А. Ф. Смалюк, А. И. Кравчук. — Минск : БГУ, 2013. — 193 с.

3. Когаев, В. П. Расчеты на прочность при напряжениях переменных во времени / В. П. Когаев. — М. : Машиностроение, 1993. — 364 с.

4. Каплун, А. Б. ЛН8У8 в руках инженера. Практическое руководство / А. Б. Каплун, Е. М. Морозов, М. А. Олферьева. — М. : Кн. дом ЛИБРОКОМ, 2007. — 272 с.

ЦЫСС Валерий Георгиевич, доктор технических наук, профессор (Россия), профессор кафедры нефтегазового дела Омского государственного технического университета (ОмГТУ).

СТРОКОВ Игорь Михайлович, инженер-конструктор лаборатории расчета резинокордных изделий научно-производственного предприятия «Прогресс». СЕРГАЕВА Марина Юрьевна, кандидат технических наук, доцент кафедры нефтегазового дела ОмГТУ. Адрес для переписки: mjsergaewa@mail.ru.

Статья поступила в редакцию 20.03.15 г. © В. Г. Цысс, И. М. Строков, М. Ю. Сергаева