Известия Саратовского университета. Новая серия.

Серия Математика. Механика. Информатика

ISSN 1816-9791 (Print)
ISSN 2541-9005 (Online)


Для цитирования:

Радченко В. П., Шишкин Д. М. Численный метод расчета напряженно-деформированного состояния в призматическом поверхностно упрочненном образце с надрезом в упругой и упругопластической постановках // Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия : Математика. Механика. Информатика. 2021. Т. 21, вып. 4. С. 503-519. DOI: 10.18500/1816-9791-2021-21-4-503-519

Статья опубликована на условиях лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International (CC-BY 4.0).
Опубликована онлайн: 
30.11.2021
Полный текст:
(downloads: 5)
Язык публикации: 
русский
Рубрика: 
Тип статьи: 
Научная статья
УДК: 
539.43:621.787

Численный метод расчета напряженно-деформированного состояния в призматическом поверхностно упрочненном образце с надрезом в упругой и упругопластической постановках

Авторы: 
Радченко Владимир Павлович, Самарский государственный технический университет
Шишкин Дмитрий Михайлович, Самарский государственный технический университет
Аннотация: 

Решена задача расчета напряженно-деформированного состояния в области сквозных концентраторов напряжений в виде поперечного надреза полукруглой, сквозной и V-образной формы в призматическом образце после опережающего поверхностного пластического деформирования в упругой и упругопластической постановках на основе метода конечных элементов. Исходные постановки сведены к фиктивным задачам термоупругости и термоупругопластичности с использованием метода начальных деформаций. На первом этапе определено поле остаточных напряжений и пластических деформаций в гладком образце после упрочнения. На втором этапе остаточные пластические деформации моделируются температурными деформациями в неоднородном температурном поле по глубине упрочненного слоя. На третьем этапе наносится сквозной надрез заданной геометрической формы и решается задача фиктивной термоупругости или термоупругопластичности о перераспределении напряжений в области концентратора. Модельные расчеты выполнены на основе экспериментальных данных для гладкого образца из сплава ЭП742 после виброударного ультразвукового упрочнения одной из его граней. Отмечается существенное расхождение решений в упругой и упругопластической постановках в надрезах, глубина которых не превосходит толщины упрочненного слоя. Полученные результаты для задач с надрезами в линейной упругой и упругопластической формулировках наряду с результатами для гладкого образца подвергались сравнительному анализу распределения остаточных напряжений для установления области влияния концентратора напряжений. Установлено, что независимо от формы надреза значения остаточных напряжений вне зоны концентратора напряжений при решении упругих или упругопластических задач практически совпадают с соответствующими значениями для гладкого образца. 

Благодарности: 
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проект № 19-01-00550_а).
Список источников: 
  1. Биргер И. А. Остаточные напряжения. Москва : Машгиз, 1963. 232 с.
  2. Гринченко И. Г. Упрочнение деталей из жаропрочных и титановых сплавов. Москва : Машиностроение, 1971. 120 с.
  3. Сулима А. М., Шувалов В. А., Ягодкин Ю. Д. Поверхностный слой и эксплуатационные свойства деталей машин. Москва : Машиностроение, 1988. 240 с.
  4. Кудрявцев И. В. Поверхностный наклеп для повышения прочности и долговечности деталей машин поверхностным пластическим деформированием. Москва : Машиностроение, 1969. 100 с.
  5. Ножницкий Ю. А., Фишгойт А. В., Ткаченко Р. И., Теплова С. В. Разработка и применение новых методов упрочнение деталей ГТД, основанных на пластическом деформировании поверхностных слоев (Обзор) // Вестник двигателестроения. 2006. № 2. С. 8–16.
  6. Brockman R. A., Braisted W. R., Olson S. E., Tenaglia R. D., Clauer A. H., Langer K., Shepard M. J. Prediction and characterization of residual stresses from laser shock peening // International Journal of Fatigue. 2012. Vol. 36, iss. 1. P. 96–108. https://doi.org/10.1016/j.ijfatigue.2011.08.011
  7. Dai K., Shaw L. Analysis of fatigue resistance improvements via surface severe plastic deformation // International Journal of Fatigue. 2008. Vol. 30, iss. 8. P. 1398–1408. https://doi.org/10.1016/j.ijfatigue.2007.10.010
  8. James M. N., Hughes D. J., Chen Z., Lombard H., Hattingh D. G., Asquith D., Yates J. R., Webster P. J. Residual stresses and fatigue performance // Engineering Failure Analysis. 2007. Vol. 14, iss. 2. P. 384–395. https://doi.org/10.1016/j.engfailanal.2006.02.011
  9. Majzoobi G. H., Azadikhah K., Nemati J. The effect of deep rolling and shot peening on fretting fatigue resistance of Aluminum-7075-T6 // Materials Science and Engineering: A. 2009. Vol. 516, iss. 1–2. P. 235–247. https://doi.org/10.1016/j.msea.2009.03.020
  10. Soady K. A. Life assessment methodologies incorporating shot peening process effects: mechanistic consideration of residual stresses and strain hardening. Part 1 — Effect of shot peening on fatigue resistance // Materials Science and Technology. 2013. Vol. 29, iss. 6. P. 673–651. https://doi.org/10.1179/1743284713Y.0000000222
  11. Terres M. A., Laalai N., Sidhom H. Effect of hitriding and shot peening on the fatigue behavior of 42CrMo4 steel: Experimantal analysis and predictive approach // Materials & Design. 2012. Vol. 35. P. 741–748. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2011.09.055
  12. Павлов В. Ф., Кирпичев В. А., Вакулюк В. С. Прогнозирование сопротивления усталости поверхностно упрочненных деталей по остаточным напряжениям. Самара : СНЦ РАН, 2012. 125 с.
  13. Павлов В. Ф., Петрова Ю. Н., Вакулюк В. С., Сазанов В. П. Катанаева Ю. А. Назначение оптимальных по сопротивлению усталости видов поверхностного упрочнения деталей с исследованием распределения остаточных напряжений // Прогрессивные технологии и системы машиностроения. 2021. № 1 (72). С. 65–70.
  14. Радченко В. П., Афанасьева О. С., Глебов В. Е. Влияние технологии поверхностного пластического упрочнения, остаточных напряжений и граничных условий на выпучивание балки // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. 2020. № 1. С. 87–98. https://doi.org/10.15593/perm.mech/2020.1.07
  15. Саушкин М. Н., Куров А. Ю. Анализ напряженного состояния в надрезах полукруглого профиля после опережающего поверхностного пластического деформирования сплошных цилиндрических образцов // Вестник Самарского государственного технического университета. Серия : Физико-математические науки. 2012. Вып. 1 (26). С. 133–140. https://doi.org/10.14498/vsgtu1039
  16. Радченко В. П., Куров А. Ю. Влияние анизотропии поверхностного пластического упрочнения на формирование остаточных напряжений в цилиндрических деталях с надрезами полукруглого профиля // Вестник Самарского государственного технического университета. Серия : Физико-математические науки. 2016. Т. 20, № 4. С. 675–690. https://doi.org/10.14498/vsgtu1513
  17. Сазанов В. П. Исследование закономерностей остановки усталостной трещины в цилиндрическом образце с надрезом // Вестник Самарского университета. Серия : Аэрокосмическая техника, технологии и машиностроение. 2018. Т. 17, № 1. C. 160–169. https://doi.org/10.18287/2541-7533-2018-17-1-160-169
  18. Doremus L., Cormier J., Villechaise P., Henaff G., Nadot Y., Pierret S. Influence of residual stresses on the fatigue crack growth from surface anomalies in a nickel-based superalloy // Materials Science and Engineering: A. 2015. Vol. 644. P. 234–246. https://doi.org/10.1016/j.msea.2015.07.077
  19. Fleury R. M. N., Nowell D. Evaluating the influence of residual stresses and surface damage on fatigue life of nickel superalloys // International Journal of Fatigue. 2017. Vol. 105. P. 27–33. https://doi.org/10.1016/j.ijfatigue.2017.08.015
  20. Вакулюк В. С., Сазанов В. П., Шадрин В. К., Микушев Н. Н., Злобин А. С. Применение метода термоупругости при конечно-элементном моделировании остаточного напряженного состояния в поверхностно упрочненных деталях // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2014. Т. 16, № 4. С. 168–174.
  21. Сургутанов Н. А. Исследование влияния глубины трещины на коэффициент интенсивности напряжений в надрезанных и гладких пластинах // Вестник Самарского университета. Серия : Аэрокосмическая техника, технологии и машиностроение. 2017. Т. 16, № 1. С. 176–185. https://doi.org/10.18287/2541-7533-2017-16-1-176-185
  22. Радченко В. П., Саушкин М. Н., Бочкова Т. И. Математическое моделирование и экспериментальное исследование формирования и релаксации остаточных напряжений в плоских образцах из сплава ЭП742 после ультразвукового упрочнения в условиях высокотемпературной ползучести // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. 2016. № 1. С. 93–112. https://doi.org/10.15593/perm.mech/2016.1.07
  23. Радченко В. П., Шишкин Д. М. Метод реконструкции остаточных напряжений в призматическом образце с надрезом полукруглого профиля после опережающего поверхностного пластического деформирования // Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия : Математика. Механика. Информатика. 2020. Т. 20, вып. 4. С. 478–492. https://doi.org/10.18500/1816-9791-2020-20-4-478-492
  24. Gallitelli D., Boyer V., Gelineau M., Colaitis Y., Rouhaud E. Retraint D., Kubler R., Desvignes M., Barrallier L. Simulation of shot peening: From process parameters to residual stress fields in a structure // C. R. Mecanique. 2016. Vol. 344, iss. 4–5. P. 355–374. https://doi.org/10.1016/j.crme.2016.02.006
  25. Zimmermann M., Klemenz M., Schulze V. Literature review on shot peening simulation // International Journal of Computational Materials Science and Surface Engineering. 2010. Vol. 3, iss. 4. P. 289–310. https://doi.org/10.1504/ijcmsse.2010.036218
  26. Purohit R., Verma C. S., Rana R. S., Dwivedi R., Dwivedi S. Simulation of shot peening process // Materials Today: Proceedings. 2017. Vol. 4, iss. 2. P. 1244–1251. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2017.01.144
  27. Xie L., Wang C., Wang L., Wang Z., Jiang C., Lu W., Ji V. Numerical analysis and experimental validation on residual stress distribution of titanium matrix composite after shot peening treatment // Mechanics of Materials. 2016. Vol. 99. P. 2–8. https://doi.org/10.1016/j.mechmat.2016.05.005
  28. Jebahi M., Gakwaya A., Levesque J., Mechri O., Ba K. Robust methodology to simulate real shot peening process using discrete-continuum coupling method // International Journal of Mechanical Sciences. 2016. Vol. 107. P. 21–33. https://doi.org/10.1016/j.ijmecsci.2016.01.005
  29. Келлер И. Э., Трофимов В. Н., Владыкин А. В., Плюснин В. В., Петухов Д. С., Виндокуров И. В. К вопросу о реконструкции остаточных напряжений и деформаций пластины после дробеструйной обработки // Вестник Самарского государственного технического университета. Серия : Физико-математические науки. 2018. Т. 22, № 1. С. 40–64. https://doi.org/10.14498/vsgtu1602
  30. Сазанов В. П., Кирпичев В. А., Вакулюк В. С., Павлов В. Ф. Определение первоначальных деформаций в упрочненном слое цилиндрической детали методом конечно-элементного моделирования с использованием расчетного комплекса PATRAN/NASTRAN // Вестник УГАТУ. 2015. Т. 19, № 2 (68). С. 35–40.
  31. Павлов В. Ф., Сазанов В. П., Вакулюк В. С., Шадрин В. К. Применение первоначальных деформаций в исследованиях остаточного напряженно-деформированного состояния упрочненных деталей // Насосы. Турбины. Системы. 2019. № 1 (30). С. 76–81.
  32. Радченко В. П., Еремин Ю. А. Реологическое деформирование и разрушение материалов и элементов конструкций. Мoсква : Машиностроение-1, 2004. 265 с.
Поступила в редакцию: 
25.08.2021
Принята к публикации: 
15.09.2021
Опубликована: 
30.11.2021