Построение структурных моделей деформирования и разрушения разномодульных пенистых материалов
Характеристика модели деформирования пенистых материалов, объясняющей различие их модулей упругости при растяжении и сжатии. Результаты численного моделирования контактного взаимодействия структурных элементов. Изменение спаянных цилиндрических колец.
| Рубрика | Производство и технологии |
| Вид | статья |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 29.10.2018 |
| Размер файла | 505,4 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
УДК
Институт гидродинамики им. М.А. Лаврентьева
Новосибирский государственный технический университет
ПОСТРОЕНИЕ СТРУКТУРНЫХ МОДЕЛЕЙ ДЕФОРМИРОВАНИЯ И
РАЗРУШЕНИЯ РАЗНОМОДУЛЬНЫХ ПЕНИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ
А.А. Пьянзин
М.А. Леган
Эксперименты, проведённые в Институте гидродинамики им. М.А. Лаврентьева показали, что для материалов имеющих структуру застывшей пены, модуль упругости при растяжении выше, чем при сжатии. Также при испытаниях пенополистирола марки ПСБ-С 25 было замечено различие в коэффициентах Пуассона: при растяжении - положительное, а при сжатии - отрицательное. Для объяснения этих закономерностей в работе построены модели деформирования и контактного взаимодействия сферических частиц, образующих структуру данных материалов.
Численное исследование. Анализ литературы как отечественных, так и зарубежных авторов показал, что в исследованиях над пенистыми материалами особое внимание уделялось методикам проведения экспериментов [1] с целью получения механических и термомеханических характеристик пенополистиролов [2]. Также существуют работы по аналитическому определению модулей упругости и сдвига для пенополиулеританов [3]. Однако объяснение причин отличий в модулях упругости пенистых материалов в статьях данных авторов не нашлось, потому данная работа является актуальной.
Исходя из принципа минимума поверхностной энергии, структурные элементы пенистых материалов с закрытой ячеистой структурой можно рассматривать как сферы, спёкшиеся друг с другом в местах соприкосновений. В более сложной форме ячейки пенополистиролов представляют собой тетра-декаэдрическую структуру [3].
Численное моделирование проводилось в программном пакете MSC Marc. Рассматриваемые модели представляли собой цилиндрические и сферические тонкостенные оболочки. При численном решении рассматривалась контактная задача взаимодействия двух структурных элементов пенистого материала. Задача симметричная, поэтому в качестве экономии вычислительного времени рассматривалась Ѕ часть модели. Для моделирования в зоне спекания двух элементов задавались контактные условия склейки, в остальной области возможного контактного взаимодействия частиц использовались элементы “касания”. Нагрузки на модель задавались из условия, чтоб относительная деформация модели составляла не более 10%. Данная задача является нелинейной, поэтому для её решения приходилось использовать итерационный алгоритм Ньютона - Рафсона. В качестве искомых данных определялись жёсткости моделей при растяжении и при сжатии, а также отношение этих жёсткостей.
Для проверки численного решения был проведён анализ на сходимость численного решения путём измельчения сетки конечных элементов, а также увеличения шагов итерационного процесса. Рассматривались конечно-элементные модели включающие в себя 14000 элементов, 28000 элементов и 56000 элементов. Результаты численного расчёта над этими моделями представлены на рисунке 1. деформирование пенистый растяжение сжатие
Рис. 1. Кривые зависимости силы реакции от перемещения для цилиндрической модели
Анализируя полученные результаты конечно-элементного моделирования, можно сделать вывод о том, что численное решение сходится при увеличении числа степеней свободы модели. Жёсткость модели при заданных усилиях определялась как тангенс угла наклона касательной, проведённой в рассматриваемой точке нагружения. Отношение жёсткости при растяжении к жёсткости при сжатии составило величину:
Далее была рассмотрена сферическая конечно-элементная модель, отражающая структуру пенистого материала. Моделирование было проведено аналогично рассмотренной ранее цилиндрической модели. В результате решения была получена кривая деформирования для данной модели, которая приведена на рисунке 2.
Рис. 2. Кривая зависимости силы от перемещения для сферической модели
Искомое отношение жёсткости на растяжение к жёсткости при сжатии равно:
Экспериментальное исследование. Целью экспериментального исследования была как проверка численного решения, так и предложенной модели деформирования структуры пенистого материала. В эксперименте рассматривался образец, состоящий из двух спаянных стальных цилиндрических колец. Эксперимент был проведён на испытательной машине Zwick/Roll Z100. Нагрузки на образец задавались перемещением верхней траверсы, аналогичные нагрузкам, задаваемым при численном решении. В результате эксперимента была получена кривая деформирования образца, приведённая на рисунке 3.
Рис. 3. Диаграмма деформирования образца
Из полученного результата получаем, что отношение жёсткости экспериментальной модели при растяжении к жёсткости при сжатии, составляет величину:
Выводы. В работе были рассмотрены конечно-элементные модели, описывающие структуру пенистых материалов. Было показано, что данные модели позволяют объяснить различие модулей упругости пенистого материала при растяжении и сжатии. Численные оценки деформирования спаянных цилиндрических колец качественно совпали с экспериментальными данными.
Литература
1. Benjamin Kraus. Anisotropy and variability in polyurethane foams: experiments and modeling / Benjamin Kraus. - New Zeland. 2012. -221 с.
2. А. Я. Александров. М. Конструкции с заполнителем из пенопластов / А. Я. Александров. М. Я. Бородин. - М.: Изд-во Машиностроение,1972. -207с.
3. H. X. Zhu. Analysis of the elastic properties of open-cell foams with tetrakaidecahedral cells / H. X. Zhu. - Birmingham. 1996. - 343 c.
4. Леган М. А. Особенности деформирования и разрушения пенополистирола при растяжении, сжатии и изгибе / М. А. Леган, В. Е. Колодезев, Е. В. Карпов // Деформирование и разрушение структурно-неоднородных сред и конструкций: Тез. докл. Всеросс. конф. Новосибирск, 9-13 окт. 2006 г. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2006. - с.76.
Аннотация
Предложена модель деформирования пенистых материалов, объясняющая различие их модулей упругости при растяжении и сжатии. Представлены результаты численного моделирования контактного взаимодействия структурных элементов. Проведено экспериментальное исследование растяжения и сжатия модели, состоящей из двух спаянных колец. Показано, что численные и экспериментальные исследования качественно хорошо согласуются с данными, полученными из экспериментов на образцах из пенополистирола.
Ключевые слова: контактная задача, пенистые материалы, структурные элементы.
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Изучение методики испытаний на растяжение и поведение материалов в процессе деформирования. Определение характеристик прочности материалов при разрыве. Испытание механических характеристик стальных образцов при сжатии. Определение предела упругости.
лабораторная работа [363,0 K], добавлен 04.02.2014Экспериментальное изучение поведения материалов и определение их механических характеристик при растяжении и сжатии. Получение диаграмм растяжения и сжатия различных материалов до момента разрушения. Зависимость между сжатием образца и сжимающим усилием.
лабораторная работа [61,4 K], добавлен 01.12.2011Зависимость свойств материалов от вида напряженного состояния. Критерии пластичности и разрушения. Испытание на изгиб. Изучение механических состояний в зависимости от степени деформирования. Задачи теорий пластичности и прочности. Касательное напряжение.
презентация [2,7 M], добавлен 10.12.2013Анализ видов изгиба материалов и машинных швов. Разработка методики оценки формоустойчивости текстильных материалов в статических условиях деформирования. Характеристика костюмных тканей и швейных ниток. Рекомендации по рациональному конфекционированию.
отчет по практике [1,3 M], добавлен 02.03.2014Понятие прикладной механики. Эпюры внутренних усилий при растяжении-сжатии и кручении. Понятие о напряжениях и деформациях. Свойства тензора напряжений. Механические характеристики конструкционных материалов. Растяжение (сжатие) призматических стержней.
учебное пособие [1,5 M], добавлен 10.02.2010Выбор марки стали в соответствии с условиями работы штампа холодного деформирования. Выбор режима термической обработки (закалки, охлаждения в масле и отпуска). Влияние легирующих элементов на превращение аустенита при нагреве и охлаждении детали.
лабораторная работа [551,7 K], добавлен 13.10.2014Анализ методов оценки упругопластических свойств материалов для верха обуви при растяжении. Обоснование выбора методов испытаний и исследуемых материалов. Разработка автоматизированного комплекса для оценки свойств при одноосном и двухосном растяжении.
дипломная работа [4,8 M], добавлен 26.10.2011Классификация и применение процессов объемного деформирования материалов. Металлургические и машиностроительные процессы обработки металлов давлением. Методы нагрева металла при выполнении операций ОМД. Технология холодной штамповки металлов и сплавов.
контрольная работа [1,2 M], добавлен 20.08.2015Схематизация свойств материала и геометрии объекта. Построение эпюр продольных сил и крутящих моментов. Центральное растяжение-сжатие. Напряжения и деформации. Неопределимые системы при растяжении сжатии. Основные сведения о расчете конструкций.
курс лекций [3,3 M], добавлен 30.10.2013Анализ поведения материала при проведении испытания на растяжение материала и до разрушения. Основные механические характеристики пропорциональности, текучести, удлинения, прочности, упругости и пластичности материалов металлургической промышленности.
лабораторная работа [17,4 K], добавлен 12.01.2010Перемещение дислокаций при любых температурах и скоростях деформирования в основе пластического деформирования металлов. Свойства пластически деформированных металлов, повышение прочности, рекристаллизация. Структура холоднодеформированных металлов.
контрольная работа [1,2 M], добавлен 12.08.2009Определение издательско-полиграфического оформления издания. Характеристика проектируемого издания с указанием его структурных элементов. Выбор и обоснование выбора способа печати, используемого оборудования и материалов. Расчет загрузки по процессам.
курсовая работа [148,7 K], добавлен 18.04.2011Определение массы, размерных и основных структурных характеристик тканей и трикотажа; приборы и материалы, шаблоны, иглы, весы. Определение плотности, разрывной нагрузки и удлинения при разрыве. Расчет процента линейного заполнения ткани и трикотажа.
контрольная работа [152,5 K], добавлен 25.11.2011Рассмотрение целей и задач материаловедения. Кавитация как образование в жидкости полостей, заполненных паром. Особенности определения параметров, влияющих на процессы диспергирования и кавитационного разрушения. Виды эрозионного разрушения материалов.
реферат [75,8 K], добавлен 05.12.2012Внешние и внутренние силы при растяжении (сжатии), потенциальная энергия деформации. Механическая энергия. Закон сохранения механической энергии. Закон минимума потенциальной энергии деформации. Статически непреодолимые задачи при растяжении и сжатии.
реферат [359,8 K], добавлен 26.01.2009Основные виды коррозионно-механического разрушения трубопроводов, механизмы абразивной эрозии и способы защиты металла от разрушения абразивными частицами. Принципы получения экспериментальных данных для создания и корректировки моделей абразивной эрозии.
дипломная работа [977,4 K], добавлен 25.02.2016Внедрение цилиндрического пуансона с шаровым концом в пластическое полупространство при наличии сил трения. Дислокационные модели разрушения. Процесс внедрения пуансона с трапециевидным сечением в пластическое полупространство при наличии сил трения.
курсовая работа [2,5 M], добавлен 19.01.2014Общая характеристика модели "сафари". Ассортимент материалов, применяемых для предлагаемой модели, требования к ним. Исследование ассортимента рекомендуемых материалов, их структуры и свойств. Обоснование выбора пакета материалов для изготовления платья.
курсовая работа [747,3 K], добавлен 02.05.2014Технология переработки полимерных материалов термоформованием и экструзией, математическая модель процесса в прямоугольных и цилиндрических координатах. Численный метод решения уравнения модели, разработка моделирующего алгоритма и составление программы.
курсовая работа [974,9 K], добавлен 07.08.2011Условия эксплуатации матрицы. Оценка воздействия технологических факторов на свойства материалов. Требования, предъявляемые к стали для штампов горячего деформирования. Перечень марок сталей и сплавов для изготовления пуансона-матрицы. Режимы обработки.
курсовая работа [7,3 M], добавлен 11.06.2013
