Academic Journal
РАСЧЕТ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯВ СИСТЕМЕ «ПОДЛОЖКА – ПОКРЫТИЕ»ПРИ ТЕПЛОВОМ НАГРУЖЕНИИ
| Τίτλος: | РАСЧЕТ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯВ СИСТЕМЕ «ПОДЛОЖКА – ПОКРЫТИЕ»ПРИ ТЕПЛОВОМ НАГРУЖЕНИИ |
|---|---|
| Στοιχεία εκδότη: | Механика композиционных материалов и конструкций, 2017. |
| Έτος έκδοσης: | 2017 |
| Θεματικοί όροι: | heat induced stresses, функциональное покрытие, multilayer systems, finite element simulation, остаточные напряжения, stress and strain state, многослойная система, подложка, напряженно-деформированное состояние, тепловые напряжения, метод конечных элементов, residual stresses, functional coatings, substrates |
| Περιγραφή: | Аналитически исследовано напряженно-деформированное состояние (НДС) свободной от внешних усилий и закреплений конструкционной стенки «подложка – покрытие» при плавном тепловом нагружении. Рассмотрена односвязная задача термоупругости в постановке для плоского напряженного состояния. Оценка НДС осуществлена в безмоментном приближении (без учета изгиба) в предположении постоянства температуры по толщине стенки. Построены температурные зависимости тепловых напряжений в слоях стенки. Выявлено, что текущий уровень напряжений в слоях зависит, прежде всего, от разницы коэффициентов температурного линейного расширения материалов подложки и покрытия, а также от значений их модулей упругости, коэффициентов Пуассона и толщин. Построенное численное решение на базе метода конечных элементов (МКЭ) краевой задачи классической термоупругости, соответствующей модели, положенной в основу аналитического решения, привело к идентичным результатам. Выявлены недостатки и ограничения, вносимые в решение рассматриваемыми допущениями. Предложено уточненное решение задачи определения НДС в системе «подложка – покрытие» при тепловом нагружении на базе МКЭ, учитывающее изгибные деформации. Решение получено для полубесконечной пластины в постановке для обобщенной плоской деформации. Учет изгиба привел к существенному изменению уровня и характера распределения тепловых напряжений по толщине стенки. Показано, что расчет НДС без явного учета геометрической формы подложки даже в простейшем случае полубесконечной пластины приводит к недопустимым погрешностям. Выработаны основные требования к конечно-элементным моделям, применяемым к исследованию НДС в системе «подложка – покрытие». Оценка уровня и характера распределения напряжений позволяет научно подойти к разработке архитектуры покрытий (выбору химического и фазового состава слоев, их количества и толщин), а также существенно сократить количество экспериментальных исследований и испытаний, время и затраты на их реализацию. The simple coupled plane thermoelasticity problem for a smoothly loaded unconstrained coating – substrate system is considered and its plane stress state is studied analytically. To simplify the problem statement, temperature fields are supposed to be constant in the thickness direction, and bending strains are neglected. The dependency of stresses in layers on the temperature s analyzed; it is shown that the stresses are depending on the differences between the elasticity moduli, the Poisson’s ratios, and the linear expansion factors of the coating and substrate, as well as on their thicknesses. The finite element solution of the classical thermoelasticity boundary value problem corresponding to the simplified model has been constructed. The obtained numerical results are quite identical to the analytical ones. The drawbacks and restrictions due to the introduced assumptions are discussed. To refine such a solution, the bending strain state of the thermally loaded coating – substrate system is taken into account in the improved finite element model. The plane strain of a semi-infinite plate is investigated and the significant effect of the bending on the distribution of heat-induced stresses as well as on their amplitudes is found. It is shown that the analysis of the stress state leads to inadmissible errors if the substrate geometry effect is neglected even for the simplest particular case of semi-infinite substrate. The obtained results show that the finite element simulation has to be used as a main tool for the certain estimation of the stress state on the coating – substrate system. This estimation and the analysis of the level and distribution of the stresses through the thickness of the structure allows one to develop the coatings architecture, i. e. their chemical and phase constitution, layers number and thickness etc. as well as to reduce number, total time and costs of physical tests. №23 (2018) |
| Τύπος εγγράφου: | Article |
| Γλώσσα: | Russian |
| DOI: | 10.25590/mkmk.ras.2017.23.01.134_155.10 |
| Αριθμός Καταχώρησης: | edsair.doi...........48104db2df1a16c8b921d128bde730d0 |
| Βάση Δεδομένων: | OpenAIRE |
| DOI: | 10.25590/mkmk.ras.2017.23.01.134_155.10 |
|---|