Особенности контактного взаимодействия и трехмерное напряженно-деформированное состояние системы для испытаний на фрикционно-механическую усталость

Цель исследования — определение методом конечных элементов напряженно-деформированного состояния и характеристик контактного взаимодействия при различных режимах нагружения системы вкладыш—вал, используемой для исследований материалов при работе в условиях фрикционно-механической усталости. В ходе исследования рассмотрены случаи нагружения системы различными соотношениями контактной (F_N), приложенной ко вкладышу, и изгибающей (F_b), приложенной к валу, силами. Верификация полученных результатов проводилась при помощи балочной теории и теории контактного взаимодействия. По результатам исследования было показано, что в зависимости от направления и величины изгибающего нагружения возможно формирование поверхности контакта трех различных форм: прямоугольной, эллиптической и разделённой на две части. Кроме того, найдены оптимальные соотношения нагрузок, минимизирующие интенсивность напряжений: во вкладыше при сонаправленных F_b и F_N для соотношения F_N/F_b = 20—50 (например, при F_N = –500 Н, F_b = –25 Н), в вале при разнонаправленных F_b и F_N для соотношения F_N/F_b = 20 (например, при F_N = –500 Н, F_b = 25 Н). Таким образом, представленный подход к моделированию объёмной повреждаемости пары трения, один из элементов которой нагружен неконтактной нагрузкой, даёт возможность решать задачи оптимизации и управления повреждаемостью сложных технических систем за счёт изменения граничных условий без дорогостоящего изменения конструкции и материалов.

1. Popov V.L. Contact Mechanics and Friction. — Berlin: Springer Berlin Heidelberg. — 2010

2. Goryacheva I.G. Contact Mechanics in Tribology. — Springer Science & Business Media. — 2013

3. Sosnovskiy L.A., Sherbakov S.S., Khonsari M.M., and Bogdanovich A.V. From Fatigue and Tribology to Tribo-Fatigue // Int. J. Materials and Structural Integrity. — 2021 (14), no. 2/3/4, 164—237. https://doi.org/10.1504/IJMSI.2021.125815

4. Wilson S. and Alpas A. T. Wear Mechanism Maps for Metal Matrix Composites // Wear. — 1997 (212), no. 1, 41—49. https://doi.org/10.1016/S0043-1648(97)00142-7

5. Lv Q., He W., and Lu Z. Physical Models of Sliding Friction: A Review // Friction. — 2025. https://doi.org/10.26599/FRICT.2025.9441132

6. Berger E.J. Friction Modeling for Dynamic System Simulation //Appl. Mech. Rev. — 2002 (55), no. 6, 535—577. https://doi.org/10.1115/1.1501080

7. Faulkner A. and Arnell R.D. The Development of a Finite Element Model to Simulate the Sliding Interaction between Two, Three-Dimensional, Elastoplastic, Hemispherical Asperities // Wear. — 2000 (242), no. 1–2, 114—122. https://doi.org/10.1016/S0043-1648(00)00406-3

8. Писаренко Г.С., Яковлев А.П., Матвеев В.В. Справочник по сопротивлению материалов. — Киев: Наук. Думка. — 1988

9. Испытательный центр SZ-01. Руководство по эксплуатации SZ.000.000 РЭ. — Гомель: НПО Трибофатика. — 2013