Моделирование вязкоупругого поведения антифрикционных материалов
Автор: Юлия Сергеевна Кузнецова
Соавторы: Богданова А.П., Каменских А.А., Кузнецова Ю.С., Носов Ю.О.
Организация: Пермский национальный исследовательский политехнический университет
Многие современные материалы обладают вязкоупругой природой. Определение вязкоупругих свойств материалов и их математическое описание играет важную роль в оптимальном проектировании механических систем [1]. На настоящий момент наибольшее распространение получили классические вязкоупругие модели, построенные с использованием линейных пружин и линейных амортизаторов, такие как модель Максвелла, модель Кельвина, стандартная линейная твердотельная модель, модель Бургера, обобщенные модели Максвелла и Кельвина и так далее [2]. Более общими моделями являются Максвелла и Кельвина, но они имеют ограничения. Модель Максвелла более эффективна, поскольку все ее параметры имеют значимые физические значения, относящиеся к строению вязкоупругого твердого тела, а при подборе моделей для описания поведения материалов рекомендуется использовать вязкоупругую модель с параметрами, имеющими значимые физические значения [2]. Вопрос подбора модели, описывающей поведение материала, важен с точки зрения предиктивного анализа его поведения, в том числе в реальных объектах.
В рамках работы выполнено построение модели на основе уравнений максвелловского типа с использованием рядов Prony для 6 современных антифрикционных материалов: МАК Ф4БР40М2, СВМПЭ, Арфлон AR-200, Арфлон AR-202, Арфлон AR-204, Суперфлувис SF-1. МАК Ф4БР40М2 и СВМПЭ на настоящий момент уже используются в качестве защитных антифрикционных прослоек в сферических опорных частях мостов. Остальные материалы рассматриваются как перспективные для формирования слоев скольжения. В качестве контрольного материала рассматривается поведение чистого PTFE, т.к. материал получил широкое распространение в машиностроении и подшипниках скольжения разного типа. На рисунке показаны зависимости модуля накопления и модуля потерь от температуры, а также связь между весовыми коэффициентами вязкоупругой модели поведения материала от времен релаксации на примере Арфлон AR-200.
С использованием процедуры численной идентификации построены модели вязкоупругого поведения для всех рассматриваемых материалов, погрешность натурных экспериментов и имитационного моделирования DMA исследования не превышает 5 %. Модели прошли апробацию в рамках исследования термомеханического поведения цилиндрических образцов при одноосном напряженно-деформированном состоянии с учетом цикличности нагрузки при широком диапазоне температур.
Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 25-29-00638, https://rscf.ru/project/25-29-00638/.
1. Bogdanova A.P., Kamenskikh A.A., Nosov Y.O. The Geometric Configuration of Lubricant Recesses of the Polymer Sliding Layer of the Bearing // Designs. – 2023. – Vol. 7. – Art. 144.
2. Lin C.Y. Rethinking and researching the physical meaning of the standard linear solid model in viscoelasticity // Mechanics of Advanced Materials and Structures. – 2023. – Vol. 31(11). – P. 2370-2385.
