Термо-напружений стан в’язкопружних гумокордних елементів конструкцій з урахуванням розсіювання енергії при циклічному деформуванні
Вантажиться...
Дата
2021
Автори
ORCID
DOI
Науковий ступінь
кандидат технічних наук
Рівень дисертації
кандидатська дисертація
Шифр та назва спеціальності
05.02.09 – динаміка та міцність машин
Рада захисту
Спеціалізована вчена рада Д 64.050.10
Установа захисту
Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут"
Науковий керівник
Ларін Олексій Олександрович
Члени комітету
Львов Геннадій Іванович
Морачковський Олег Костянтинович
Ларін Олексій Олександрович
Морачковський Олег Костянтинович
Ларін Олексій Олександрович
Видавець
Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут"
Анотація
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.02.09 – динаміка та міцність машин. – Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", Міністерство освіти та науки Харків, 2021. Актуальність. Еластоміри та їхні композити широко використовуються в сучасній інноваційній техніці (таких галузей як автомобільна, авіаційна,
енергетична), в будівельній інженерії та технологічному машинобудуванні. Зокрема, армовані еластоміри використовують для виробництва авіаційних та автомобільних шин, антивібраційних елементів (гумові, гумо-металеві пружини), демпферів, еластомірних підшипників, застосовуються у підвісах валів, як
прокладки між деталями конструкцій, опорних частин та кріплень. Елементи конструкцій з гумокордних композитів в експлуатації проявляють широкий спектр особливостей, які потрібно враховувати при їх застосуванні, а саме: наявність гіперпружних і в’язкопружних властивостей, виникнення помірних
деформацій, температурна чутливість. Аналіз типових застосувань еластомірних елементів конструкцій дозволяє констатувати їх високу динамічну навантаженість, зокрема циклічного характеру, що супроводжується утворенням петель гістерезису та, як наслідок, виникнення явища самонагрівання. В свою чергу, підвищення температури у середині матеріалів викликає суттєві зміни у їхніх механічних
властивостях, знижує характеристики міцності, прискорює процеси старіння та деградації, завдає істотного впливу протіканню втомних процесів. Все це призводить до змін у показниках надійності і, як результат впливає на загальний ресурс як окремих елементів, так і відповідальних вузлів та конструкції в цілому. Цей факт робить актуальною задачею розробку ефективних розрахункових підходів вивчення закономірностей протікання циклічних деформаційних та теплових процесів, що супроводжують роботу елементів з в’язкопружних матеріалів, та оцінку їх впливу на термо-напружений стан елементів конструкцій, а також їх надійність в залежності від експлуатаційних умов. Метою роботи є розробка розрахункових методів аналізу процесів циклічного деформування та супроводжуючого дисипативного теплоутворення в гумокордних композитних елементах конструкцій, дослідження їх впливу на
термо-напружений стан та аналіз закономірностей протікання цих процесів в елементах конструкцій в умовах експлуатації. При розв’язанні сформульованих на основі вказаної мети завдань було
розроблено підхід до аналізу процесів дисипативного теплоутворення у гумокордних композитних елементів конструкцій при їх циклічному деформуванні, який дозволяє оцінити вплив температурного поля на термо- напружений стан, що має наступну наукову новизну: 1. Вперше запропоновано розрахунковий підхід аналізу термо- напруженого стану в’язкопружних гумокордних елементів, який викликаний та супроводжується накопиченням тепла, що формується в наслідок розсіювання
енергії за циклічного деформування; 2. Експериментально встановлено залежності параметрів
в’язкопружності гумокордних композитів від параметрів циклічного навантаження отримані вперше разом с характеристиками процесів самонагріву, які їх супроводжують, що дозволило здійснити зв’язану постановку задачі теоретичного моделювання Т-НС гумокордних елементів конструкцій; 3. Вперше запропоновано метод та алгоритм розрахунково- експериментальної ідентифікації параметрів в’язкопружності гумокордних елементів конструкції, що, на відміну в існуючих, використовує дані із розсіювання енергії при циклічному деформуванні зразків; 4. Набули подальшого розвитку підходи до комп’ютерного моделювання теплового та НДС пневматичних шин, які на відміну від існуючих, враховують складний цикл деформування в експлуатації та процес самонагріву. З використанням розробленого підходу до вивчення процесів теплоутворення у гумокордних елементах конструкцій були отримані прикладні результати, які мають практичне значення для галузі машинобудування, які
полягають у запропонованих методиках побудови моделей багатошарових елементів конструкцій з урахуванням їх основних особливостей та оцінки процесів теплогенерації та Т-НС у них, що формуються під дією циклічних навантажень, а також пакети скрипкових програм, що їх реалізують. Створені розрахункові моделі та визначені основні закономірності формування термо-НДС пневматичних шин в
умовах експлуатації, які дають можливість діагностувати небезпечні ділянки конструкції та планувати конструктивні зміни, що в цілому спрямовано на покращення надійності та подовження експлуатаційного ресурсу. Окрему корисно- практичну цінність мають створені алгоритми та програмні застосунки, які
реалізують методи визначення дисипативних та в’язкопружних характеристик еластомірних композитів та можуть бути використані для вивчення відповідних характеристик інших матеріалів цього типу.
Об’єктом дослідження є процеси формування термо-напруженого стану в гумокордних елементах конструкцій, що працюють в умовах циклічного деформування з урахуванням розсіювання енергії.
Предмет дослідження – характеристики в’язкопружності гумокордних матеріалів конструкцій, показники НДС та Т-НС елементів конструкцій з гумокордних композитів. Методи дослідження. Основні теоретичні положення дисертаційної роботи базуються на фундаментальних підходах теорій пружності та в’язкопружності, теплопровідності та термо-пружності. Оцінка циклів НДС проводилась в рамках
сучасних засобів комп’ютерного моделювання з використанням методу скінчених елементів (МСЕ), багатошарова структура в них моделювались явно в тривимірній постановці. Експериментальні дослідження матеріалу здійснювалась на установці INSTRON ElectroPuls E3000 Test System. Ідентифікація дисипативних та в’язкопружних характеристик проводилась шляхом обробки експериментальних даних з залученням чисельного моделювання та методу стохастичної оптимізації "0" порядку. Основна частина дисертації включає Вступ, Розділ 1 – "Сучасний стан проблеми", Розділ 2 – "Математична постановка задачі", Розділ 3 – "Експериментальне визначення в’язкопружних характеристик та дослідження процесу самонагріву", Розділ 4 – "Прогнозування самонагріву елементів
пневматичних шин" та Висновки, а також містить 72 рисунки та 18 таблиць. У Вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації, сформульовано її мету і задачі, визначено об’єкт, предмет і методи дослідження, наукову новизну та практичну значущість роботи. У Розділі 1 проведено аналіз науково-технічної літератури щодо дослідження підходів до аналізу особливостей роботи в’язкопружних гумокордних елементів конструкцій, протікання у них теплових та деформаційних процесів та їх
впливу на термо-напружений стан, міцність та надійність, що стосувались досліджень прикладного та фундаментального характеру по роботі гумокордних композитів та машинобудівних конструкцій з ними. Проаналізовані дослідження, що стосуються в’язкопружної поведінки матеріалів та супроводжуються
дисипацією енергії, відмічені факти істотного впливу теплових процесів на пружні та міцнісні характеристики. У розділі окремо представлено аналіз сучасного стану питань дослідження процесів самонагріву, теплопровідності та термопружності. У Розділі 2 Запропоновано єдиний методологічний підхід до розрахункової оцінки Т-НС в’язкопружних гумокордних елементів конструкцій, який викликаний
та супроводжується накопиченням тепла в наслідок розсіювання енергії під час циклічного деформування, що дозволяє визначити розподіл температурного поля в елементах конструкцій за складного експлуатаційного циклу навантаження. У Розділі 3 представлено результати проведення та обробки власних експериментальних досліджень з визначення дисипативних та в’язкопружних
характеристик зразків матеріалу на різних режимах циклічного навантаження. Встановлені залежності цих параметрів від характеру навантаження. Проведено чисельно-розрахункові дослідження з уточнення знайдених параметрів використовуючи оптимізаційну процедуру. Вивчено закономірності протікання процесів самонагріву гумокордних композитів на прикладі зразків армованих текстильним кордом. Протестовано ефективність запропонованого підходу на прикладі циклічного деформування зразків.
У Розділі 4 проведено дослідження теплових процесів конструкції в експлуатації на прикладі пневматичної шини марки 205/55R16, вирішено практичну задачу оцінки термо-напруженого стану у шині. Досліджено НДС шини на різних режимах навантаження. Визначено рівні теплогенерації в залежності від характеру навантаження. Проведено дослідження протікання теплових процесів у
конструкції в експлуатації внаслідок розсіювання енергії. Виявлено ступінь впливу наявного температурного поля на НДС конструкції. У Висновках зазначено науково-практичні задачі, що були розв’язані в роботі, викладені найбільш важливі наукові та практичні результати, надані рекомендації щодо впровадження результатів дослідження.
Thesis is presented for Scientific Degree Candidate of Technical Sciences, speciality 05.02.09 – Dynamics and Strength of Machines. – National Technical University, "Kharkiv Polytechnic Institute", Kharkiv, 2021. The thesis deals with a solution to the applied problem of the development of computational approaches to study the peculiarities of thermal and deformation processes that accompany the work of viscoelastic materials in mechanical engineering elements with reinforced rubber composites. The aim of the work is developing of calculation methods for analysis of cyclic deformation processes and accompanying dissipative heat generation in rubber-cord composite structural elements, study of their influence on thermal stress and analysis of patterns of these processes in structural elements under operating conditions. In solving the problems formulated on the basis of this goal, an approach to the analysis of dissipative heat generation processes in rubber-cord composite structural elements during their cyclic deformation was developed, which allows estimate the influence of temperature field on thermo-stress state, which has the following scientific novelty: 1. For the first time, a computational approach to the analysis of the thermo-stress state of viscoelastic rubber-cord elements is proposed, which is caused and accompanied by the accumulation of heat formed as a result of energy dissipation during cyclic deformation; 2. The dependences of viscoelasticity parameters of rubber-cord composites on the parameters of cyclic loading coupled with the self-heating processes characteristics, that accompany them were experimentally established are obtained for the first time 3. For the first time the method and algorithm of calculation-experimental identification of viscoelastic parameters rubber-cord elements which are too little in existing sources, uses data on energy dissipation at cyclic deformation of specimen are offered; 4. Approaches to computer modeling of thermal and strain-stress states of pneumatic tires have been further developed, which, unlike the existing ones, take into account the complex deformation cycle in operation and self-heating process . Based on the developed computational approach to the study of heat generation processes in rubber-cord structural elements, applied results, which has practical importance for the mechanical engineering industry, were obtained. The practical value has techniques for the creation of the computational models of multi-layers rubbercord mechanical engineering elements under the action of cyclic loads, as well as scriptbased software that implements them. The models and main regularities of thermodeformed states of pneumatic tires in operation, that has been determined allow diagnosing dangerous parts of the structure and planning designing modifications and, in principle, aimed at improving reliability and extending service life. Algorithms and software applications that implement methods for determining the dissipative and viscoelastic characteristics of elastomeric composites have special practical meaning and can be used to study the corresponding characteristics of other materials of this type. The object of research is the processes of formation of the thermo-stress state in rubber-cord elements of mechanical engineering elements operating in the conditions of cyclic deformation taking into account energy dissipation. The subject of investigation is the characteristics of viscoelasticity of rubber-cord materials of constructions, characteristics of stress-strain state and thermal-stress states of constructions elements from rubber-cord composites. The main theoretical statements of the dissertation are formulated in the framework of the fundamental of the theories of elasticity and viscoelasticity, thermal conductivity and thermo-elasticity. The assessment of cycling deformed and stressed states have been carried out within the framework of 3d computer modelling tools using the finite element method (FEM). A multi-layer structure of composite elements is modelled explicitly. A unified methodological approach is proposed to the computational modelling of thermo-stress state, which is caused and accompanied by heat accumulation due to energy dissipation during cyclic deformation of viscoelastic rubber-cord elements of mechanical engineering structures. The approach allows determine inhomogeneous temperature field distribution in structural elements caused by operational load cycles, as well as the impact of these thermal processes on the stressed and deformed states of structures. A set of experimental tests on cyclic deformation of the unidirectional textile reinforced rubbery composites have been done. INSTRON ElectroPuls E3000 Test System was used. Viscoelastic characteristics of this material and the heat generation indicators required for the application of the computational approach in applications have been experimentally found. Significant amplitude dependence of the storage modulus and relaxation time is observed during cyclic deformation of the material under study. A level of temperature rate and value of self-heating depending on the frequency and amplitude of cyclic deformation of the materials is determined. A specific procedure and software for the identification of the viscoelastic and dissipative material parameters based on computational modelling of the temperature state of cyclically deformed specimens and experimental observations are developed. The procedure is seeking the material parameters through the minimization of the error of the difference of simulated and experimentally observed self-heating temperature by the method of stochastic optimization. The application of this approach allows identify the viscosity parameters material parameters. Based on the results, a critical comparison of volume of energy released in hysteresis loops that theoretically calculated from the model with identified from self-heating temperature data under different load conditions to independent experimental measurements showed their satisfactory convergence and justified the main methodological hypothesis of the current work. The applied engineering problem of calculation of the thermo-deformed state of a pneumatic tire on the basis of the developed in the research computational approach and found experimental data are solved. A number of three-dimensional FE models of pneumatic tires has been created, which allow to determine its thermal and stressed states that formed in operation. The models have been created in 3d statement considering multilayer structure, curvilinear orthotropic properties, geometric and physical nonlinearity within the sub-modeling approach. A deformed state of pneumatic tires has been carried out depends on the different load conditions as well as on the temperature field that is generated. The influence of the thermal field on the deformed state of a pneumatic tire is investigated. The results obtained in the dissertation are implemented in the practice of designing, research and development work of JSC "ROSAVA TIRERS" (tire engineering and manufacturing company), and into the educational process of NTU "KhPI".
Thesis is presented for Scientific Degree Candidate of Technical Sciences, speciality 05.02.09 – Dynamics and Strength of Machines. – National Technical University, "Kharkiv Polytechnic Institute", Kharkiv, 2021. The thesis deals with a solution to the applied problem of the development of computational approaches to study the peculiarities of thermal and deformation processes that accompany the work of viscoelastic materials in mechanical engineering elements with reinforced rubber composites. The aim of the work is developing of calculation methods for analysis of cyclic deformation processes and accompanying dissipative heat generation in rubber-cord composite structural elements, study of their influence on thermal stress and analysis of patterns of these processes in structural elements under operating conditions. In solving the problems formulated on the basis of this goal, an approach to the analysis of dissipative heat generation processes in rubber-cord composite structural elements during their cyclic deformation was developed, which allows estimate the influence of temperature field on thermo-stress state, which has the following scientific novelty: 1. For the first time, a computational approach to the analysis of the thermo-stress state of viscoelastic rubber-cord elements is proposed, which is caused and accompanied by the accumulation of heat formed as a result of energy dissipation during cyclic deformation; 2. The dependences of viscoelasticity parameters of rubber-cord composites on the parameters of cyclic loading coupled with the self-heating processes characteristics, that accompany them were experimentally established are obtained for the first time 3. For the first time the method and algorithm of calculation-experimental identification of viscoelastic parameters rubber-cord elements which are too little in existing sources, uses data on energy dissipation at cyclic deformation of specimen are offered; 4. Approaches to computer modeling of thermal and strain-stress states of pneumatic tires have been further developed, which, unlike the existing ones, take into account the complex deformation cycle in operation and self-heating process . Based on the developed computational approach to the study of heat generation processes in rubber-cord structural elements, applied results, which has practical importance for the mechanical engineering industry, were obtained. The practical value has techniques for the creation of the computational models of multi-layers rubbercord mechanical engineering elements under the action of cyclic loads, as well as scriptbased software that implements them. The models and main regularities of thermodeformed states of pneumatic tires in operation, that has been determined allow diagnosing dangerous parts of the structure and planning designing modifications and, in principle, aimed at improving reliability and extending service life. Algorithms and software applications that implement methods for determining the dissipative and viscoelastic characteristics of elastomeric composites have special practical meaning and can be used to study the corresponding characteristics of other materials of this type. The object of research is the processes of formation of the thermo-stress state in rubber-cord elements of mechanical engineering elements operating in the conditions of cyclic deformation taking into account energy dissipation. The subject of investigation is the characteristics of viscoelasticity of rubber-cord materials of constructions, characteristics of stress-strain state and thermal-stress states of constructions elements from rubber-cord composites. The main theoretical statements of the dissertation are formulated in the framework of the fundamental of the theories of elasticity and viscoelasticity, thermal conductivity and thermo-elasticity. The assessment of cycling deformed and stressed states have been carried out within the framework of 3d computer modelling tools using the finite element method (FEM). A multi-layer structure of composite elements is modelled explicitly. A unified methodological approach is proposed to the computational modelling of thermo-stress state, which is caused and accompanied by heat accumulation due to energy dissipation during cyclic deformation of viscoelastic rubber-cord elements of mechanical engineering structures. The approach allows determine inhomogeneous temperature field distribution in structural elements caused by operational load cycles, as well as the impact of these thermal processes on the stressed and deformed states of structures. A set of experimental tests on cyclic deformation of the unidirectional textile reinforced rubbery composites have been done. INSTRON ElectroPuls E3000 Test System was used. Viscoelastic characteristics of this material and the heat generation indicators required for the application of the computational approach in applications have been experimentally found. Significant amplitude dependence of the storage modulus and relaxation time is observed during cyclic deformation of the material under study. A level of temperature rate and value of self-heating depending on the frequency and amplitude of cyclic deformation of the materials is determined. A specific procedure and software for the identification of the viscoelastic and dissipative material parameters based on computational modelling of the temperature state of cyclically deformed specimens and experimental observations are developed. The procedure is seeking the material parameters through the minimization of the error of the difference of simulated and experimentally observed self-heating temperature by the method of stochastic optimization. The application of this approach allows identify the viscosity parameters material parameters. Based on the results, a critical comparison of volume of energy released in hysteresis loops that theoretically calculated from the model with identified from self-heating temperature data under different load conditions to independent experimental measurements showed their satisfactory convergence and justified the main methodological hypothesis of the current work. The applied engineering problem of calculation of the thermo-deformed state of a pneumatic tire on the basis of the developed in the research computational approach and found experimental data are solved. A number of three-dimensional FE models of pneumatic tires has been created, which allow to determine its thermal and stressed states that formed in operation. The models have been created in 3d statement considering multilayer structure, curvilinear orthotropic properties, geometric and physical nonlinearity within the sub-modeling approach. A deformed state of pneumatic tires has been carried out depends on the different load conditions as well as on the temperature field that is generated. The influence of the thermal field on the deformed state of a pneumatic tire is investigated. The results obtained in the dissertation are implemented in the practice of designing, research and development work of JSC "ROSAVA TIRERS" (tire engineering and manufacturing company), and into the educational process of NTU "KhPI".
Опис
Ключові слова
дисертація, гумокорди, термо-напружений стан, циклічне деформування, в'язкопружність, розсіювання енергії, самонагрів, пневматична шина, rubber-cord elements, thermo-stress state, cyclic deformation, viscoelasticity, energy dissipation, self-heating, pneumatic tire
Бібліографічний опис
Вязовиченко Ю. А. Термо-напружений стан в’язкопружних гумокордних елементів конструкцій з урахуванням розсіювання енергії при циклічному деформуванні [Електронний ресурс] : дис. ... канд. техн. наук : спец. 05.02.09 : галузь знань 13 / Юлія Андріївна Вязовиченко ; наук. керівник Ларін О. О. ; Нац. техн. ун-т "Харків. політехн. ін-т". – Харків, 2021. – 147 с. – Бібліогр.: с. 127-137. – укр.