Крищук Микола Георгієвич. Електротермомеханічний стан нелінійно деформованих контактуючих тіл

Краткое описание

Крищук Микола Георгієвич. Електротермомеханічний стан нелінійно деформованих контактуючих тіл : Дис... д-ра наук: 05.02.09 2007

Крищук М.Г. Електротермомеханічний стан нелінійно деформованих контактуючих тіл. Рукопис.
Дисертація на здобуття вченого ступеня доктора технічних наук по спеціальності 05.02.09динаміка та міцність машин. Національний технічний університет України Київський політехнічений інститут”, Київ, 2007.
Дисертація присвячена вирішенню актуальної наукової проблеми визначення нестаціонарного нелінійного електротермомеханічного (ЕТМ) стану сполучених неоднорідних тіл з електропровідними та діелектричними властивостями, які деформуються та можуть рухатись при експлуатаційних навантаженнях. Розроблена ефективна методика побудови математичних моделей в формі крайової задачі механіки деформованого твердого тіла з урахуванням ЕТМ зв’язанності, скінченних переміщень та малих деформацій, фізичної нелінійності та фазових перетворень матеріалів, контактної взаємодії та присутності жорсткостних зв’язків. На єдиній науково-методологічній основі створені нові методи, алгоритми та программне забезпечення для розрахунку ЕТМ стану сполучених деформованих тіл, які орієнтовані на вирішення проблем проектування та створення нової техніки та прогресивних технологій. Отримані нові результати по електромеханічній навантаженності та міцності високовольтних ізоляційних конструкцій.Досліджено ЕТМ стан моделей різних за сполученими парами матеріалів високошвидкісної триботехнічної системи ”рельсовий прискорювач” при імпульсному навантаженні електричним током. Встановлено закономірності зміни термомеханічного стану ріжущого інструменту в процесі алмазного точіння виробів з титанових сплавів.

1.У дисертації приведено розв’язок наукової проблеми, що складається в розробці на єдиній науково-методологічній основі методів розрахунку нестаціонарного ЕТМ стану неоднорідних (струмопровідних і діелектриків) деформованих контактуючих тіл з елементами, що рухаються, в умовах взаємодії електромагнітних, теплових і механічних полів, а також оцінці їхньої міцності (механічної, електричної) і теплової стійкості за критеріями, які добре обґрунтовані в інженерній практиці. Необхідність у створенні даних методів розрахунку визначена проблемами в енергетиці та енергомашинобудуванні при створенні науково обґрунтованих методик проектування нової техніки і прогресивних технологій.
2.Вперше на єдиній методологічній основі, у границях сформульованого в роботі загального підходу до розрахунків ЕТМ стану нелінійно деформованих поверхово сполучених тіл в триботехнічних електромеханічних системах, дано загальну математичну постановку крайової контактної задачі електротермомеханіки для суцільних неоднорідних рухомих середовищ сполучених лінійними та нелінійними жорсткістними” зв’язками. Узагальнене математичне формулювання задачі розвинене для нелінійних моделей суцільних рухомих середовищ з електропровідними та діелектричними властивостями при наявності електромагнітних і температурних полів і з урахуванням скінченних швидкостей, зсувів і малих деформацій, фазових перетворень, контактних взаємодій та лінійних жорсткістних” зв'язків на поверхнях сполучення деформованих термов’язкопружних і термопружнопластичних тіл, зв'язаності ЕТМ неізотермічних нестаціонарних процесів.
3.Сформульована зв'язана система дискретних рівнянь у формі МСЕ для розрахунку нелінійного ЕТМ стану в непружних поверхово сполучених деформованих тілах триботехнічних систем з нелінійними (контактного сингулярного шару) і лінійними ”жорсткістними” зв'язками. Для контактуючих неднорідних середовищ із електропровідними та діелектричними властивостями рівняння Максвелла приведені для квазістаціонарної, стаціонарної, квазісталої та електростатичної моделей електромагнітного поля. Масштабування просторово-часових змінних введене в рівняннях теплопереносу для розрахунку температурних полів у сполучених тілах з рухомою контактною поверхнею, у яких зони крайових ефектів в ортогональних напрямках розрізняються на декілька порядків.
4.Методи обліку жорсткістних” характеристик лінійних і нелінійних зв'язків на поверхнях сполучення дискретних моделей масивних тіл ЕТМ систем розроблені із застосуванням двовимірних погоджених і неузгоджених СЕ різного типу в загальному випадку з різним числом вузлових ступенів свободи і алгоритмів редукування вузлових невідомих у системі рівнянь рівноваги. Лінійні жорсткістні” зв'язки (пружні шпильки, теплові труби, сингулярний поверхневий шар струмопровідних забруднень) апроксимовані стрижневими і балковими СЕ. Для обліку нелінійних зв'язків між контактними поверхнями сполучених тіл використана дискретна модель сингулярного шару зі стисливим безтовщинним теплопровідним середовищем.
5.Із застосуванням розроблених кроково-ітераційних алгоритмів розв’язку зв'язаних задач термов’язкоупружності і термопружнопластичності, теплопереносу і електродинаміки проведена чисельна реалізація методики розв’язку зв’язаних крайових задач електротермомеханіки для деформованих тіл, що рухаються, сполучених з нерухомими матеріальними частками та мають лінійні і нелінійні ”жорсткістні зв'язки. Розроблено комплекс теоретико-методологічних прийомів, спрямованих на зниження обчислювальних витрат при розв’язку задач розглянутого класу. Розроблено методи і алгоритми автоматичної підготовки інформації в МСЕ, які істотно підвищують ефективність використання прикладного програмного забезпечення. Запропоновано ефективний варіант методу розв’язку систем лінійних алгебраїчних рівнянь, що поєднує позитивні якості відомих алгоритмів Холецького і Краута. Розвинено методи оптимізації геометричних і числових характеристик дискретних моделей, обліку умов симетрії/антисиметрії шуканих функцій чисельного розв’язку, узгодження і масштабування параметрів математичних моделей, що приводять до збільшення точності і продуктивності скінченно-елементних розрахунків.
6.Створено програмне забезпечення для розрахунків ЕТМ стану поверхово сполучених деформованих контактуючих тіл триботехнічних систем у вигляді автоматизованої інструментальної системи скінченно-елементних розрахунків "ІСКЕР", орієнтованої на застосування для сучасних персональних ЕОМ. Методи, алгоритми і програмное забезпечення для розрахунку нестаціонарних температур і термопружнопластичних полів напружень і деформацій у неізотермічних процесах навантаження масивних конструкцій застосовувалися в розробленому, за участю автора, галузевому стандарті ОСТ 04-2585-85, розділ 2.4 Техніка кріогенна і кріогенно вакуумна Сосуди і камери”. Норми і методи розрахунку на міцність, стійкість і довговічність зварених конструкцій”. Розроблена система "ІСКЕР" є базовим сегментом САПР ізоляторів державного підприємства "Науково-дослідний інститут Високих напруг” і дозволяє проводити розрахунки ЕТМ стану, механічної і електричної міцності сполучених тіл високовольтних електротехнічних конструкцій різного типу на етапах проектування та модернізації. Методи розрахунку електрофізичних характеристик і електричної міцності ВІК широко застосовуються на підприємствах України, пов'язаних із проектуванням і виготовленням високовольтного електроізоляційного устаткування.
7.Виконано дослідження точності, збіжності і стійкості дискретних розв’язків. Оцінка вірогідності запропонованих методів і отриманих результатів досліджень проведена на основі різнобічного тестування розроблених алгоритмів і програмного забезпечення при розв’язку множини прикладних задач, для яких відомі аналітичні або чисельні розв’язки. Порівняння результатів тестування показали, що максимальні похибки чисельних розрахунків не перевищували 10%.
8.Вперше проведено розрахунково-теоретичне комплексне дослідження ЕТМ стану високошвидкісної триботехнічної електромеханічної системи - імпульсний перетворювач енергії ”рейковий прискорювач”. Створено математичну модель ЕТМ процесів у сполученій парі тіл з рухомою контактною поверхнею ковзання повзуна на швидкостях сягаючих. Вивчено розподіл нестаціонарних зв'язаних електромагнітних, теплових і механічних полів контактуючих тіл триботехнічної системи при електротермосиловому навантаженні. Встановлено закономірності розподілу поверхневих і об'ємних джерел тепла, густини струмів, пондеромоторних сил, температурних полів, градієнтів температур і механічних напружень при високошвидкісному русі повзуна по направляючим рейкового прискорювача.
9.У результаті дослідження термов’язкопружного деформування ізоляційних деталей із скла на різних етапах технологічного процесу їхнього виробництва (загартування та термообробки) визначені величини гартівних напружень і встановлені закономірності їхнього розподілу. Отримано нові результати механічної навантаженності і оцінки міцності ВІК з неоднорідними сполученими середовищами різного типу (метали, скло, порцеляна, полімерні матеріали, цементно-піщані зв'язки, компенсуючі промазки, забруднені покриття і інші) та наявністю триботехнічних поверхонь, у тому числі з урахуванням гартівних напружень у склодеталях ВІК. Новий метод чисельного розрахунку електричних стану сполучених тіл з діелектричними і електропровідними властивостями, зв'язаних електромагнітних і теплових полів при високочастотному нагріванні суцільних середовищ із діелектриками широко застосовується для розрахунків електричної напруженості і міцності різних типів ВІК, обґрунтуванню методики їхніх випробувань та математичному моделюванню технології прискореного сушіння цементно-піщаних зв'язок при виготовленні силових вузлів ізоляторів. Встановлені закономірності і рекомендації використовуються для раціонального проектування нових конструкцій ВІК і технологій їхнього виготовлення.
10.Із застосуванням розробленого математичного забезпечення: розроблені і створені вперше в СНД ізолятори із загартованого скла всіх класів по механічному навантаженню з меншими на 30-40% масогабаритними параметрами силового вузла з циліндровою формою; вдосконалені конструкції та знижена матеріаломісткість фарфорових опорно-стрижньових високовольтних ізоляторів; створені різноманітні класи стрижневих полімерних ВІК з нормованою електричною і механічною міцністю.
11.Встановлено нові якісні і кількісні дані для високошвидкісної термосилової взаємодії системи сполучених тіл у процесах алмазного ортогонального точіння виробів з титанових сплавів. Визначено допустимі параметри швидкості формозміни поверхонь оброблюваних виробів, які забезпечують необхідну температуростійкість, міцність і мінімальну інтенсивність зношування твердосплавної пластини різального інструменту.