Full Text

Введение Полимерные материалы и композиты на их основе нашли широкое применение во многих отраслях промышленности и техники: авиации [1-3 и др.], строительстве [4, 5 и др.], мостостроении [4, 6, 7 и др.], недропользовании [8-10 и др.], медицине [11, 12 и др.] и т.д. Полимерные материалы относятся к функциональным материалам [13, 14] и часто обладают улучшенными физико-механическими, реологическими, фрикционными и эксплуатационными свойствами. Данные материалы часто применяются в качестве относительно тонких защитных и защитно-упрочняющих покрытий [15]. Современные проблемы недропользования неотрывно связаны с созданием и использованием современных полимерных и композиционных материалов в качестве защитных и защитно-упрочняющих покрытий и прослоек при решении ряда актуальных задач. Использование полимерных покрытий и прослоек направлено на решение ряда актуальных задач нефтегазовой отрасли: защиту поверхности металлических трубопроводов от действия агрессивных сред посредством антикоррозионных покрытий [9, 10, 16, 17]; обеспечение долговечности металлоконструкций зданий и сооружений нефтегазового назначения, особенно в экстремальных условиях термосилового нагружения, в том числе в северных регионах в условиях пониженных температур [18-20 и др.]; снижение влияния остаточных напряжений при усадке полимерных защитных покрытий; снижение гидравлического сопротивления; повышение когезионной и адгезионной прочности элементов конструкций нефтегазовой отрасли [21-22]; снижение трения между ответственными деталями и т.д. Можно также выделить ряд следующих актуальных задач нефтегазовой отрасли, связанных с влиянием механических и контактных нагрузок на элементы конструкций [21]: влияние толщины и деформационных характеристик защитного полимерного слоя на сопротивление покрытия разрушению при контактном нагружении; отслаивание полимерных покрытий и прослоек от металлических элементов конструкций; разрушение химических связей в полимерном материале при деформировании узлов трения нефтегазовой отрасли и т.д. Ряд исследований направлен на анализ влияния химических, адгезионных, физико-механических, реологических и других свойств современных полимерных материалов и композитов на деформационное поведение элементов конструкций нефтегазовой отрасли [23 и т.д.]. Отдельно можно отметить исследования, направленные на изучение влияния смазки [24] и температурно-силовых режимов работы [25] элементов нефтегазопроводов и других конструкций нефтегазовой отрасли на поведение полимерных и композиционных защитно-упрочняющих покрытий. Относительно тонкие полимерные покрытия и прослойки часто работают в рамках фрикционного контакта и могут включать технологические углубления разной геометрической конфигурации и назначения. При этом актуальны: исследование поведения полимерных покрытий при их сопряжении с металлическими и неметаллическими элементами конструкций, исследование влияния геометрической конфигурации конструкционных элементов, анализ влияния нагрузок и фрикционного контакта на деформирование полимерного слоя. Данная работа направлена на исследование фрикционного контакта полимерного слоя с полированной стальной плитой в рамках модельной задачи, а также влияния геометрической конфигурации технологического углубления в полимерной прослойке на деформирование контактного узла в целом. 1. Постановка задачи Исследуется влияние геометрической конфигурации технологического углубления под смазку на деформационное поведение плоского слоя полимерного материала, расчетная схема которого приведена на рис. 1. Задача рассматривается для неблагоприятного случая отсутствия объема смазки в углублении. Слой полимерного материала 2 деформируется полированной стальной плитой 1 с учетом фрикционного контакта по поверхности сопряжения и постоянного давления разного уровня. В рамках первого приближения задача реализована для части полимерного слоя с одним технологическим углублением. Рис. 1. Расчетная схема полимерного слоя с технологическим углублением: а - расчетная схема; б - полимерный слой с технологическим углублением; в, г, д - пространственная геометрия с конечно-элементной сеткой Задача реализуется в осесимметричной постановке. Геометрическая конфигурация расчетной схемы: высота полимерного слоя мм, максимальная высота технологического углубления под смазочный материал мм, высота стальной плиты мм, длина контактного узла мм, радиуса скругления технологического углубления варьируется от 0,5 до 2 мм, с шагом 0,25 мм, длина технологического углубления до деформирования мм. Рассматривается неблагоприятный случай отсутствия объема смазки в технологическом углублении. Математическая постановка задачи приведена в источнике [26] и дополняется учетом больших деформаций в объеме полимерного материала. В качестве материала плоского полимерного слоя рассматривается модифицированный фторопласт [27]. К жесткой стальной плите на поверхности прикладывается постоянное давление от 5 до 90 МПа. На поверхностях и запрещены вертикальные и горизонтальные перемещения соответственно. На границе моделируется фрикционное контактное взаимодействие с заранее неизвестной площадкой контакта и всеми типами контактных состояний, коэффициент трения пары материалов «сталь - полимер» считается равным 0,04. Исследование выполнено с использованием метода конечных элементов в прикладном программном пакете ANSYS. В рамках моделирования реализована конечно-элементная сетка с градиентным сгущением элементов к области сопряжения материалов, характерные размеры элементов расчетной схемы выбраны согласно ранее реализованному исследованию [26]. 2. Анализ результатов исследования В рамках работы выполнена серия численных экспериментов о деформировании части полимерного слоя с технологическим углублением под смазочный материал разной геометрической конфигурации. Объект исследования деформируется жесткой стальной полированной плитой давлением от 5 до 90 МПа. При нагрузках от 5 до 30 МПа деформирование профиля технологического углубления незначительное (менее 10 %) и имеет малые отличия при разных радиусах скругления. При нагрузках от 40 до 90 МПа объем технологического углубления под смазочный материал уменьшается значительно, что связано с пластическими деформациями модифицированного фторопласта. Рассмотрим в сравнении деформирование профиля технологического углубления при максимальной нагрузке 90 МПа, действующей на стальную плиту (рис. 2). Деформирование профиля технологического углубления при максимальном давлении 90 МПа представлено на части контактной поверхности вблизи углубления. Можно отметить, что при увеличении от 0,5 до 2 мм наблюдается уменьшение деформирования профиля углубления под смазочный материал. При мм наблюдается максимальное деформирование профиля углубления под смазку 93,6 %, при мм минимальное - 82,6 %. Рис. 2. Деформирование профиля углубления при 90 МПа: красная линия - недеформированная геометрия; черная линия - геометрия после деформирования При деформировании изменяется площадь сечения технологического углубления, так как объем смазочного материала в расчетной схеме не учитывается (неблагоприятный случай). Рассмотрим снижение площади сечения углубления под смазочный материал (%) для всех вариантов по формуле , где - площадь недеформированного сечения углубления под смазочный материал; - площадь сечения углубления под смазочный материал после деформирования. Зависимость от действующего на контактный узел давления представлена на рис. 3. Наблюдается нелинейная зависимость площади сечения углубления под смазочный материал от нагрузки. менее 10 % наблюдается при нагрузках до 30 МПа. Влияние радиуса скругления технологического углубления под смазочный материал на незначительное при нагрузках 60 МПа и менее. ~ 40 % при нагрузке 60 МПа. Рис. 3. Изменение площади сечения углубления в зависимости от нагрузки При значениях давления более 60 МПа можно отметить увеличение влияния радиуса скругления технологического углубления на деформирование его профиля. При 90 МПа максимальное деформирование площади профиля углубления под смазку наблюдается при мм - % от первоначальной площади сечения, минимальное при мм - %. Рассмотрим зависимость от радиуса скругления основания технологического углубления при максимальной нагрузке 90 МПа (рис. 4). Рис. 4. Зависимость от радиуса скругления углубления при 90 МПа Наблюдается нелинейное увеличение при увеличении радиуса скругления технологического углубления. при максимальной нагрузке 90 МПа при мм в 2,73 раза больше, чем при мм. Деформирование профиля углубления под смазочный материал связанно с пластическим течением модифицированного фторопласта и уровнем интенсивности пластических деформаций. Максимальный уровень пластических деформаций наблюдается вблизи скругления технологического углубления. Уровень интенсивности пластических деформаций при максимальной нагрузке значительно превышает 100 %. При этом в математической постановке учтена возможность появления больших деформаций в материале полимерного слоя. Максимальный уровень интенсивности пластических деформаций менее 20 % наблюдается при нагрузках < 30 МПа, при нагрузках ≥ 30 МПа возрастает значительно. При нагрузках ≤ 50 МПа при разных радиусах скругления отличается незначительно, при 50 МПа максимальный уровень интенсивности пластических деформаций равен ~ 100 % для всех рассмотренных вариантов . При нагрузках более 50 МПа наблюдаются значительные отличия максимального уровня интенсивности пластических деформаций при разных радиусах скругления канавки. Хорошо прослеживается снижение максимального уровня пластических деформаций при увеличении радиуса скругления. Минимальный уровень при 90 МПа наблюдается при радиусе скругления технологического углубления под смазочный материал 2 мм и составляет ~ 225 %. Особый интерес представляют данные, полученные на поверхности сопряжения материалов «сталь - полимер» (поверхность фрикционного контакта). Характер распределения контактного давления и контактного касательного напряжения имеет малые отличия: в области первоначального контакта параметры плавно возрастают с максимумом вблизи правой границы расчетной схемы; вблизи наблюдается скачок контактных параметров в случае увеличения площади контактного взаимодействия из-за деформирования технологического углубления. Большая площадь поверхности сопряжения находится в состоянии «проскальзывание с трением». На рис. 5 представлена зависимость максимального уровня параметров контакта от нагрузки для всех рассмотренных вариантов радиуса скругления технологического углубления под смазочный материал. Отметим, что зависимость максимального уровня контактных параметров от нагрузки нелинейная. Наблюдается рост параметров до нагрузок 40-50 МПа, при нагрузках 40-60 МПа наблюдается незначительное снижение максимального уровня параметров, что может быть связано с увеличением площади контакта. а б Рис. 5. Зависимость максимального уровня контактных параметров от : а - контактное давление; б - контактное касательное напряжение Рассмотрим изменение площади контакта от нагрузки (рис. 6). Рис. 6. Изменение площади контактной поверхности Увеличение площади контакта после деформирования (%) вычисляется для каждого расчетного случая по формуле , где - первоначальная площадь контакта; - площадь контакта после деформирования. Увеличение площади контактного взаимодействия при разных радиусах скругления технологического углубления наблюдается при 40-50 МПа: 40 МПа при мм; 50 МПа при мм. При нагрузках более 50 МПа площадь контактного взаимодействия увеличивается плавно и обладает малыми отличиями у конструкций с разными радиусами скругления технологического углубления до 80 МПа. Значительные отличия площади контактного взаимодействия при разной геометрической конфигурации углублений под смазочный материал наблюдаются при максимальной нагрузке 90 МПа (рис. 7). Рис. 7. Зависимость от при 90 МПа Наименьшее увеличение площади контакта наблюдается при радиусе скругления 0,5 мм и составляет 4,7 % от первоначальной площади контакта при нагрузке 90 МПа. При мм наблюдаются малые различия в итоговой площади контактного взаимодействия, площадь контактного взаимодействия увеличилась на 6 % и более. Максимальное увеличение площади контакта наблюдается при мм и составляет 6,25 %. Заключение Рассмотрено влияние геометрической конфигурации технологического углубления и уровня нагрузки на напряженно-деформированное состояние полимерной прослойки при контакте с полированной стальной плитой. Деформирование контактного узла рассмотрено для неблагоприятного случая: без учета объема материала смазки в технологическом углублении. В рамках численного моделирования получен ряд качественных и количественных закономерностей деформационного поведения контактного узла. Рассмотрено семь вариантов геометрической конфигурации технологического углубления под смазочный материал: скругление основания от 0,5 до 2 мм. Установлено влияние геометрической конфигурации технологического углубления на деформационное поведение модельной задачи: • геометрическая конфигурация технологического углубления оказывает малое влияние на контактное давление и контактное касательное напряжение; • увеличение площади контактного взаимодействия при радиусе скругления 0,5 мм начинается при 40 МПа, у остальных радиусов скругления - только при 50 МПа; • при нагрузках более 80 МПа отмечено значительное влияние радиуса скругления основания технологического углубления на площадь контактного взаимодействия, при мм площадка контакта на 1,5 % больше, чем при мм; • можно отметить значительное влияние радиуса скругления при нагрузках более 50 МПа на площадь поперечного сечения углубления после деформирования, уровень и характер распределения интенсивности пластических деформаций; • конструкция с мм обладает наибольшей площадью поперечного сечения технологического углубления при максимальных уровнях нагрузки и минимальным значением уровня пластических деформаций вблизи скругления. Установлено влияние уровня нагрузки на деформационное поведение модельной задачи: • при нагрузках до 50 МПа наблюдается незначительное деформирование полимерной прослойки с технологическим углублением (площадь контактного взаимодействия не изменяется, нет перераспределения контактного давления и контактного касательного напряжения, уровень интенсивности пластических деформаций не превышает 100 %, уменьшение площади поперечного сечения менее 25 %); • при нагрузках более 50 МПа наблюдается более существенное деформирование полимерного слоя, и при 90 МПа остаточная площадь поперечного сечения технологического углубления достигает 6,37-17,4 % от первоначальной площади сечения, при увеличении площадки контакта максимум на 6,24 % и минимальном уровне пластических деформаций более 200 %.

About the authors

A. A Kamenskikh

Perm National Research Polytechnic University

V. I Strukova

Perm National Research Polytechnic University

References

Statistics

Views

Abstract - 32

PDF (Russian) - 14

Refbacks

• There are currently no refbacks.