Моделирование деформаций шарового индентора при упругом внедрении в образец

Контроль и испытания ракетно-космической техники

УДК 620.1.05

МОДЕЛИРОВАНИЕ ДЕФОРМАЦИЙ ШАРОВОГО ИНДЕНТОРА ПРИ УПРУГОМ ВНЕДРЕНИИ В ОБРАЗЕЦ

Н. Н. Автономов

Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева Россия, 660014, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

Методом конечных элементов моделируются деформации шарового индентора при внедрении в плоский образец для возможности уменьшения вклада его деформаций в регистрируемую диаграмму «нагрузка-глубина внедрения». Обнаружена возможность некоторого уточнения результатов измерений за счет переноса точки измерения с верхней точки шара на боковую поверхность нижней полусферы.

Ключевые слова: неразрушающий метод, шаровой индентор, метод конечных элементов, диаграмма вдавливания.

SPHERICALINDENTER DEFORMATION MODELLING AT ELASTIC PENETRATION

IN A SAMPLE

N. N. Avtonomov

Siberian State Aerospace University named after academician M. F. Reshetnev 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660014, Russia

The finite element method models spherical indenter deformations at penetration into a flat sample for possibility to reduce a contribution to its deformations for the registered chart of "penetration loading depth" type. Possibility of some specification of measurement results, at the expense of transfer of a measurement point from the sphere top point of a lateral surface of the bottom hemisphere is found.

Keywords: nondestructive method, spherical indenter, finite element method, cave-in chart.

Существующие схемы измерения перемещения шарового индентора относительно поверхности образца, как правило, не позволяют отследить момент начала пластического течения в малой зоне материала, поэтому был разработан и запатентован способ с базированием от верхней точки шара до поверхности образца [1]. Однако в размерную цепь все равно включен размер диаметра шара, который изменяется под нагрузкой в процессе испытания. Идеальным было бы измерение глубины внедрения точки шара, которая соприкасается с образцом, но это технически невозможно. Одним из способов повышения точности измерения может быть отсчет по боковой поверхности шара вблизи от точки касания.

Для исследования напряженно-деформированного состояния в зоне контакта шарового индентора и образца была использована прикладная программа MSO Nastran [2], реализующая численный метод конечных элементов. Материал шара - сталь ШХ15, образец -сталь 20К. Расчет выполнен для случая упругого поведения материалов. Контакт моделировали специальным элементов SLIDELINE. Расчетная схема показана на рис. 1, распределение интенсивности напряжений (по фон Мизесу) для одного из этапов нагру-жения - на рис. 2. На рис. 3 показаны зависимости перемещения точек шарового индентора в зависимости от уровня нагрузки.

Распределение напряжений на рис. 2 показывает, что область, в которой первоначально может наступать пластическое деформирование материала, находится под шаром и имеет малые размеры по сравнению с диаметром шара. Очевидно, что для регистрации

момента начала пластического течения в такой зоне необходима соответствующая точность измерительной системы.

Рис. 1. Расчетная схема

Решетневскуе чтения. 2013

Рис. 2. Контакт шара и образца под действием нагрузки 50 % от номинальной

мм

Нагрузка в частях от номинальной

Рис. 3. Зависимость глубины вдавливания от приложенной нагрузки: 1 - точка касания шара с образцом; 2 - верхняя точка шара; 3 - точка под углом в 47о от точки касания шара

Сравнение перемещений точек шарового инденто-ра под нагрузкой (рис. 3) показывает, что верхняя точка шара перемещается почти в два раза больше, чем точка соприкосновения шара и плоскости образца, а точка на боковой поверхности шара перемещается несколько меньше (на 10-12 %), чем верхняя.

Произведенный численный анализ совместного деформирования шарового индентора и плоского образца показал, что измерение глубины вдавливания можно производить более точно (хоть и в не очень значительной степени, на 10-12 %) по сравнению с измерением от верхней точки. Эта возможность реализована в новой конструкции измерительной головки, выполненной Н. В. Карповым при дипломном проектировании.

Библиографические ссылки

1. Измерительная головка к твердомеру Бринелля для регистрации нагрузки и глубины вдавливания. Пат. на изобр. №: 2320974 / Автономов Николай Николаевич, Тололо Александр Вячеславович. 27.03.2008..

2. Шимкович Д. Г. Расчет конструкций в М8С/ Nastaran for Windows. ДМК Пресс, 2001.

References

1. Izmeritel'naja golovka k tverdomeru Brinellja dlja registracii nagruzki i glubiny vdavlivanija Pat. na izobr. № 2320974. Avtonomov Nikolaj Nikolaevich (RU), Tololo Aleksandr Vjacheslavovich (RU). 2008. 27 marta.

2. Shimkovich D. G., Raschet konstrukcij v MSC/Nastaran for Windows. DMK Press, 2001.

© Автономов Н. Н., 2013