Теоретичні основи прогнозування надійності елементів машин з гумо-кордними композитами при відмовах, що викликані втомою

Abstract

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.02.09 – динаміка та міцність машин. – Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", Харків, 2016. Дисертаційна робота присвячена вирішенню науково-прикладної проблеми, яка полягає у створенні розрахункових методів визначення ресурсу машинобудівних елементів конструкцій з гумо-кордними композитами та їх складовими. У роботі запропоновано моделі накопичення втомної пошкоджуваності в матеріалах, що вивчаються, при їх циклічному деформуванні на скінченних рівнях деформацій в рамках теорії континуальної механіки пошкоджуваності, з урахуванням одночасного протікання процесів деградації їх властивостей внаслідок старіння. Встановлено характеристики пружності, міцності та опору втомі типових гумових матеріалів та гумо-кордних композитів, а також закономірності їх зміни внаслідок старіння на основі проведеного комплексу експериментальних досліджень. Сформульовано підхід до створення ієрархічної системи розрахункових скінчено-елементних моделей різного масштабу розгляду гумо-кордних композиційних елементів машин. Запропоновано СЕ моделі автомобільних пневматичних шин, багатошарових амортизаційних прокладок, гумо-кордних тороїдальних компенсаторних муфт, що враховують особливості їх тривимірної багатошарової конструкції, криволінійну ортотропію механічних властивостей. Із використанням розроблених моделей досліджено особливості формування функціонально-експлуатаційних характеристик зазначених елементів машинобудівних конструкцій, а також проведено прогнозування їх надійності.

The thesis is presented for scientific degree of doctor of technical sciences, speciality 05.02.09 – Dynamics and strength of machines. – National Technical University "Kharkiv Polytechnic Institute", Kharkiv, 2016. The thesis deals with a solution of a scientific and practical problem of devel-opment of computational methods of determination of mechanical engineering elements life-time with rubber-cord composites and their components based on creation of probabilistic mathematical models describing fatigue damage accumulation and scientific-based approaches for definition of characteristics of a deformed state in those structural elements. The work offers improved probabilistic models of the fatigue damage accumu-lation in the subject materials under cyclic deformation with finite strain amplitudes in the framework of continuum damage mechanics. The appropriate models take into account a random scatter of the material fatigue resistance characteristics, along with simultaneous passing of stochastic processes of material properties degradation caused by natural aging. The approaches are developed for determination of the probability characteristics of the machine elements fatigue damage and life-time considering presence of possible operational random variation of the characteristics of the deformed state. New analytical formulations have been obtained for the determination of a onedimensional probability density function for the process of damage fatigue accumulation basing on the offered mathematical models. A relation between the characteristics of the classical S-N curve and parameters of a fatigue damage kinetic equation within the offered model has been found. It allows to determine the required material damage parameters basing on the known experimental data. A series of experimental researches has been carried out for identification of the characteristics of elasticity, strength and fatigue resistance parameters for a typical rubber-like materials and rubber-cord composites. The study has been performed for specimens before and after artificial aging. Regularities of changes in the characteristics of the materials caused by aging have been analysed. A methodological approach is formulated for creation of a hierarchical system of FE models with a different scale of rubber-cord elements representation. In the framework of the approach: macro-models integrally represent the composite as orthotropic homogeneous material that makes it possible to solve practical problems, considering the main design features, operational conditions etc. Micro-level models allow to estimate internal concentration of stresses and strains in the rubber-cord composites.Basing on this approach a number of hierarchical systems of FE models have been developed for automobile pneumatic tires, multilayer amortizing cushion, rubber-cord toroidal compensatory tubes and hoses that take into account the peculiarities of their three-dimensional multi-layer internal structure and curve-linear orthotropy of mechanical properties. A formation of functional performance of the mentioned engineering designs along with characteristics of their reliability have been analysed basing on the developed models. The lifetime forming features of the pneumatic tires and toroidal tubes with different service loading have been studied along with the influence of the intensity of the aging process. It has been developed an informational system that allows to automate the creation process of geometrical and computational FE models of pneumatic tires for a wide class of their sizes and design variations. The informational system is developed as integrated software based on the existing CAD/CAE programs.