Исследование влияния параметров шероховатости штампа на напряженно-деформированное состояние упругого полупространства

Автор: Анастасия Александровна Яковенко

Организация: Институт проблем механики им. А.Ю. Ишлинского РАН

При контакте тел с поверхностной шероховатостью процессы взаимодействия протекают не по всей номинальной области контакта, а лишь по отдельным пятнам. Как следствие, реальная площадь контакта составляет лишь часть номинальной, а также возникают концентрации контактных и внутренних напряжений. Это в свою очередь влияет на многие практически важные процессы, например, трение и износ деталей. 

В настоящее время для решения задач контакта тел с учетом поверхностной шероховатости используются различные численные методы, так как аналитические подходы применимы лишь для ограниченного круга задач, например, периодических. Предположив, что поверхностный микрорельеф тел представляет собой некоторую регулярную структуру, мы можем получить некоторые выражения, позволяющие исследовать влияние параметров микрогеометрии тел на характеристики контактного взаимодействия.

В данной работе исследован контакт с упругим полупространством периодической системы одинаковых осесимметричных штампов двух высотных уровней. Контактирующая поверхность штампов описывается степенной функцией радиуса, а плотность их расположения определяется шагом периодической решетки. Использование для решения задачи метода локализации [1] позволяет не только определить контактные характеристики, как это сделано в [2] для сферических штампов, но и распределение внутренних напряжений. При этом исследуется влияние формы штампов и их пространственного расположения на распределение контактных давлений по поверхности и компонент тензора напряжений по глубине. Так, на рис.1 представлены зависимости максимальных касательных напряжений τ_max от вертикальной координаты z на оси, проходящей через центры штампов первого (1) и второго (2) высотных уровней. Полученные результаты также сравниваются с теорией, не учитывающей взаимное влияние штампов.

Из анализа результатов следует, что наличие на поверхности тел шероховатости приводит к явному неравномерному распределению напряжений по глубине вблизи поверхности контакта. При этом могут возникать пластические деформации и локальные разрушения. Расположение и величина концентраций напряжений зависит как от формы неровностей, так и от плотности их расположения на поверхности тела. Следовательно, изменяя параметры поверхностной микрогеометрии тел, можно контролировать процессы износа и разрушения.

Исследование выполнено при финансовой поддержке РНФ в рамках научного проекта № 22-49-02010.

1.Горячева И.Г. Периодическая контактная задача для упругого полупространства // ПММ. 1998. Т. 62. № 6. С. 1036-1044.

2.Yakovenko A., Goryacheva I. The discrete contact problem for a two-level system of indenters // Continuum Mechanics and Thermodynamics. 2022.