Проектирование и расчет напряженно-деформированного состояния центробежного ускорителя частиц порошка

Размещено на http://www.allbest.ru/

Проектирование и расчет напряженно-деформированного состояния центробежного ускорителя частиц порошка

М.А. Леган, А.А. Пьянзин, П.И. Зубков,

В.П. Зубков, А.В. Таланин

Аннотация

УДК 62-25

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И РАСЧЕТ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ЦЕНТРОБЕЖНОГО УСКОРИТЕЛЯ ЧАСТИЦ ПОРОШКА

М.А. Леган, А.А. Пьянзин, П.И. Зубков, В.П. Зубков, А.В. Таланин.

Представлены результаты проектирования центробежного ускорителя и исследования его напряженно-деформированного состояния, проведенного с помощью программного продукта SolidWorks. Построена конечно-элементная модель исследуемой детали в контакте с валом, на конусную поверхность которого она устанавливается. При этом использовалась сетка высокого качества с параболическими тетраэдральными элементами. Решение нелинейной контактной задачи получено с помощью итерационного алгоритма. Анализ напряженно-деформированного состояния показал, что максимальные напряжения возникают в области контакта ускорителя и вала. Для уменьшения контактных напряжений рекомендовано увеличить площадь поверхности контакта, то есть сделать конусную поверхность гладкой. Экспериментально определены модуль упругости и условный предел текучести высокопрочного алюминиевого сплава В 96Ц 1 Т 1. Выполнен расчет на прочность центробежного ускорителя частиц порошка с учетом напряжений, возникающих в зоне контакта вращающейся детали с валом. Получена оценка радиальной скорости вылета частиц порошка из ускорителя. Указаны основные преимущества холодного напыления порошковых покрытий по сравнению с другими методами, сопровождаемыми огневым воздействием на материал.

Ключевые слова: центробежный ускоритель, порошковое покрытие, оценка прочности, контактные напряжения.

Annotation

PROJECT AND CALCULATION OF STRESS-DEFORMATION STATE OF THE CENTRIFUGAL ACCELERATOR OF PARTICLES OF POWDER

M.A. Legan, A.A. Pyanzin, P.I. Zubkov, V.P. Zubkov, A.V. Talanin.

Results of project of the centrifugal accelerator and research of its stress-deformation state which has been carried out by means of the SolidWorks software product are presented. The finite elements model of a studied detail in contact with shaft on which conical surface it is established is constructed. The quality grid with parabolic tetrahedral elements was thus used. The solution of a nonlinear contact task is received by means of iterative algorithm. The analysis stress-deformation state showed that the maximum stress arises in the field of accelerator and shaft contact. For reduction of contact stress it is recommended to increase contact surface area, that is to make a conical surface smooth. The module of elasticity and conditional yield strength of a high-strength aluminum alloy of V96Ts1 T1 are experimentally defined. Calculation on strength of the centrifugal accelerator of particles of powder taking into account stress arising in a zone of contact of the rotating detail with shaft is executed. The assessment of radial speed of a departure of particles of powder from the accelerator is received. The main advantages of a cold spray for powder coating in comparison with other methods accompanied by fire impact on a material are specified.

Keywords: centrifugal accelerator, powder coating, strength evaluation, contact stress.

Объект исследования

Центробежный ускоритель представляет собой трубку переменного сечения, вращающуюся вокруг центральной оси, перпендикулярной оси трубки. Ускоритель служит для напыления порошка, засыпаемого сверху в центральное отверстие и вылетающего по радиальному каналу из концов трубки при её вращении. Фотография детали и её эскиз представлены на рисунках 1 и 2. Расчет проведен для центробежного ускорителя радиуса , который вращается в вакуумной камере с угловой скоростью . Тангенциальная скорость концов трубки достигает величины . Радиальную скорость вылета частиц порошка из ускорителя можно оценить по формуле

,

если считать коэффициент трения скольжения частиц порошка о стенку канала постоянным. Тогда тангенс угла между касательной к окружности, описываемой концом трубки, и направлением вылета частиц равен

.

При столкновении частиц порошка с установленными по периметру мишенями из различных материалов, возможно напыление частиц порошка на материал, так как скорость частиц порошка

достаточно велика. Она превышает тангенциальную скорость концов трубки , но не более чем в раз.

Основными преимуществами холодного напыления, в том числе холодного газодинамического напыления [1], по сравнению с другими методами нанесения покрытий, сопровождаемыми огневым воздействием на материал, являются:

1. Возможность напыления частиц размером менее 10 мкм.

2. Возможность использования порошков из полимеров.

3. Меньшая повреждаемость полимерных материалов.

4. Возможность регулирования интенсивности напыления и скорости частиц порошка. прочность центробежный ускоритель порошок

Материал ускорителя - высокопрочный алюминиевый сплав В 96Ц 1 Т 1, который прошёл термическую обработку, включающую закалку в воду с температуры 470 C и старение 3 часа при 120 C + 7 часов при 160 C. Для данного сплава значения плотности и коэффициента Пуассона взяты из справочников, а модуль Юнга и условный предел текучести определены экспериментально с помощью испытательной машины Zwick/Roell Z100. Диаграмма деформирования сплава В 96Ц 1 Т 1 близка к идеально упругопластической [2].

Разрушение ускорителя чрезвычайно опасно из-за высоких скоростей разлета обломков и большой кинетической энергии, запасенной во вращающейся детали. Поэтому расчет ускорителя на прочность должен быть достаточно точным и надежным.

Проектирование и расчёт центробежного ускорителя

При проектировании предполагалось, что напряжения, возникающие от инерционных сил, равномерно распределены в поперечных сечениях детали. При удалении от конца трубки поперечное сечение оставалось постоянным на участке длиной 3 см, а затем увеличивалось. Зависимость радиуса сечений от расстояния от оси вращения детали принималась в виде экспоненциальной функции с отрицательным показателем:

,

где , , - вычисляемые коэффициенты. Коэффициенты и находились с использованием заданных размеров поперечных сечений трубки в центральной части и на концах. Коэффициент был получен из условия, согласно которому максимальное напряжение, действующее на расстоянии 0,2 м от оси вращения, равно максимальному напряжению на контуре центрального отверстия в детали с учётом коэффициента концентрации напряжений равного 3,1. С помощью интегрирования в программе Mathcad вычислили распределение инерционной нагрузки по длине детали . Разделив нагрузку на площадь сечения

,

нашли распределение напряжения в исследуемой детали. График распределения напряжений, показан на рисунке 3.

В данном расчёте не учитывалась неравномерность распределение напряжений в поперечных сечениях в центральной части детали, где имелись резкие изменения формы, поэтому для уточнения картины напряжённо-деформированного состояния был использован пакет SolidWorks [3]. Причём для большей достоверности расчета решалась контактная задача взаимодействия детали с валом, на который непосредственно устанавливается центробежный ускоритель.

В CAD системе SolidWorks была спроектирована твердотельная модель детали и вала. Для уменьшения времени расчёта в качестве математической модели рассматривалась часть ускорителя частиц порошка. Взаимодействие детали с валом было обеспечено условиями сопряжения. Далее была получена конечно-элементная модель с сеткой высокого качества (параболические тетраэдральные элементы). Размеры элементов на контактных поверхностях задавались равными 0,5 мм. Сетка также сгущалась близи радиального канала трубки. Размеры элементов на поверхности канала трубки были равны 1,5 мм. Глобальный размер: 2,5 мм. Количество элементов в результирующей модели: 82022. Количество узлов в модели: 121330. Конечно-элементная модель представлена на рисунке 4.

Расчёт напряженно-деформированного состояния производился в продукте Cosmos M, входящем в состав пакета SolidWorks. В опциях решателя была включена опция - большие перемещения и задан коэффициент трения между деталью и валом равный 0,1. Также был включен метод решения, при котором в процессе вычисления, если погрешность вычислений высока, порядок аппроксимирующих многочленов возрастает. В качестве граничных условий на деталь были применены ограничения симметрии и заделка на оси вала. Инерционная нагрузка, действующая на центробежный ускоритель, задавалась угловой скоростью и плотностью материала.

Перед решением задачи были произведены проверки сетки, которые реализованы в программе SolidWorks: количество искажённых элементов по Якобиану равно нулю. Процент элементов с соотношением сторон больше 10 равен нулю. Процент элементов с соотношением сторон меньше 3 равен 98,5 %, что удовлетворяет условиям для качественного расчёта.

Решение нелинейной задачи выполнялось посредством итерационного алгоритма с использованием алгоритма Ньютона - Рафсона. График распределения напряжений по радиусу от оси вращения, полученный с помощью программы SolidWorks, приведен на рис. 5. Из сравнения рис. 3 и 5 видно, что напряжения, полученные обоими методами, вдали от концентратора напряжений практически равны. Максимальное напряжение, действующее на расстояние 0.2 м от оси вращения, равно 301 МПа, что составляет меньше половины от условного предела текучести . Заметим, что радиальное перемещение конца ускорителя достигает 0,96 мм.

Получившаяся после нелинейного анализа картина напряжений вблизи концентратора приведена на рис. 6. Данный расчёт показывает, что максимальные значения интенсивности напряжений в местах контакта ускорителя и вала достигают величины 423 МПа. Коэффициент запаса прочности по пределу текучести равен при этом , что является приемлемым для безопасной работы ускорителя. Для уменьшения контактных напряжений рекомендовано увеличить площадь поверхности контакта, то есть сделать конусную поверхность гладкой (без выточки).

Заключение

С помощью программного продукта SolidWorks проведен расчет на прочность центробежного ускорителя частиц порошка с учетом напряжений, возникающих в зоне контакта вращающейся детали с валом. Анализ напряженно-деформированного состояния показал, что максимальные напряжения возникают в области контакта ускорителя и вала. Дана рекомендация по уменьшению контактных напряжений.

Библиографический список

1. Алхимов А.П., Клинков С. В., Косарев В.Ф., Фомин В.М. Холодное газодинамическое напыление. Теория и практика. - М.: Физматлит, 2010.

2. Оценка предельного состояния полосы с отверстием по фиксации деформации начала текучести / М.А. Леган, Е.В. Карпов, В.П. Зубков, А.В. Таланин // Аэродинамика и прочность конструкций летательных аппаратов. Тр. Всеросс. юбилейной научно-техн. конф., посвященной 70-летию со дня основания СибНИА (20-21 сентября 2011 г.) / под ред. д.т.н. А.Н. Серьезнова и д.т.н. В.К. Белова. - Новосибирск: СибНИА, 2011. - С. 271-274.

3. Дударева Н.Ю., Загайко С. А. SolidWorks на примерах. СПб.: БХВ - Петербург, 2009.

Приложение 1

Рис. 1. Общий вид центробежного ускорителя

Рис. 2. Эскиз детали

Рис. 3. График распределения напряжений, полученный с помощью программы Mathcad

Рис. 4. Конечно-элементная модель детали

Рис. 5. График распределения напряжений, полученный с помощью программы SolidWorks

Рис. 6. Распределение интенсивности напряжений в центральной части детали

Приложение 2. Сведения об авторах

Размещено на Allbest.ru