Дворівневі математичні моделі визначення напруженого стану та ресурсу пластини з отвором

Abstract

Сучасні тенденції розвитку машинобудування та інших галузей, пов’язаних з виробництвом матеріалів та конструкцій із заданим комплексом фізико-механічних та технологічних властивостей – спрямовані на зниження матеріалоємності, енерговитрат, підвищенню точності, надійності та конкурентоспроможності виготовленого продукту. Тому створення математичних методів оцінки напруженого стану елементів конструкції на основі аналізу пружних характеристик матеріалу з урахуванням особливостей його внутрішньої мікроструктури є актуальною задачею. Алгоритм, що розглядається, включає наступні етапи: ідентифікація параметрів міцності з використанням даних, отриманих із зображень мікроструктури матеріалу; вивчення напружено деформованого стану моделі на основі варіаційно-різницевого методу скінченних елементів; формування система лінійних алгебраїчних рівнянь для вирішення задачі аналізу пружних властивостей матеріалу використовуючи плоску задачу теорії пружності; побудова поверхні текучості матеріалу для серії випробувань спираючись на критерії міцності композиційних матеріалів, які враховують різний супротив матеріалу при розтягуючих та стискаючих навантаженнях. На основі розробленої математичної моделі проводиться оцінка НДС та поверхні текучості пластинки з отвором. Аналіз конструкції проводиться на макро та мікро рівні. Виникнення пластичних деформацій на мікрорівні може призвести до розвитку тріщин та структурних руйнувань на макрорівні. У результаті дослідження визначена ймовірність виникнення пластичної деформації у пластині, та встановлені критичні зони моделі, які потребують ретельного контролю. Практичне значення одержаних результатів полягає у створенні підходу для оцінки механічних властивостей матеріалу, таких як модуль пружності, зсуву, коефіцієнта Пуассона, та їх ймовірнісних характеристик відповідно до внутрішньої структури; а також у аналізі коефіцієнтів взаємного впливу другого роду – такий підхід сприяє розширенню знання про матеріал та дозволяє збільшити кількість корисної інформації отриманої шляхом його моделювання. Для оцінки ймовірності виникнення пластичних деформацій запропонований метод, що працює не у детермінованій постановці, а використовує весь набір ймовірнісних характеристик поверхні текучості.

Modern trends in the development of mechanical engineering and other industries related to the production of materials and structures with a given set of physical, mechanical, and technological properties are aimed at reducing material consumption, energy consumption, increasing accuracy, reliability, and competitiveness of the manufactured product. Therefore, the creation of mathematical methods for assessing the stress state of structural elements based on the analysis of the elastic characteristics of a material, taking into account the peculiarities of its internal microstructure, is an actual task. The considered algorithm includes the following stages: identification of strength parameters using data obta ined from images of the material microstructure; study of the stress-strain state of the model based on the variational-difference finite element method; formation of a system of linear algebraic equations for solving the problem of analyzing the elastic properties of a material using the plan e problem of the theory of elasticity; construction of the material yield surface for a series of tests based on the strength criteria of composite materials, taking into account the different resistance of the material under tensile and compressive loads. Based on the developed mathematical model, the SSS and the yield surface of the plate with a hole are estimated. Structural analysis is performed at the macro and micro levels. The occurrence of plastic deformations at the micro-level can lead to the development of cracks and structural damage at the macro level. As a result of the study, the probability of plastic deformation in the plate is determined, and the critical zones of the model are established. The practical significance of the results obtained is to create an approach to assessing the mechanical properties of a material, such as elastic modulus, shear modulus, Poisson's ratio, and their probabilistic cha racteristics following the internal material structure. The proposed approach contributes to the expansion of knowledge about the material and allows to increase the valuable information obtained by modeling. To assess the probability of plastic deformations, the generated method uses the entire set of probabilistic characteristics of the yield surface.