Шишкин Сергей Виленович, доктор технических наук, профессор
Sergey V. Shishkin, Doctor of Technical Sciences, Professor
Целый ряд узлов авиационной техники представляет собой соединения с натягом тонкостенных деталей типа вал-втулка, выносливость которых в условиях циклического и динамического нагружения связана с концентрацией контактной нагрузки от посадки. Поэтому в статье рассмотрено численное решение данной контактной задачи. Его особенность состоит во введении в расчет условного граничного слоя, смещение которого эквивалентно деформации шероховатости посадочных поверхностей. Математическая модель напряженного соединения строится на принципе разделения деформаций на общие (осесиммметричный изгиб деталей) и местные (обжатие микронеровностей) при их независимом определении. Для упрощения решения зависимость контактного сближения поверхностей от давления подвергается линеаризации в виде модели жестко-пластического тела с линейным упрочнением. Величина сближения в сечении определяется только давлением в этом же сечении и не зависит от деформативности соседних участков шероховатого межповерхностного пространства. Для вычисления радиальных смещений деталей используется метод функций влияния (функций Грина), а решение описывается интегральным уравнением Фредгольма. При дискретизации контакта оно сводится к конечной системе линейных алгебраических уравнений. Такой подход обеспечивает устойчивость решения за счет усиления главной диагонали разрешающей системы, а точность определения значения коэффициента концентрации зависит от величины шага разбиения. Установлено, что для подобной модели соединения раскрытие стыка под торцами охватывающего тела практически невозможно. Универсальный подход позволяет обобщить решение для конструктивноортотропных и ступенчатых оболочек, а также для деталей с конструктивными особенностями и разной жесткостью участков, близко расположенных от места посадки. Отклонения формы контактных поверхностей от прямолинейности учитываются с помощью соответствующей функции натяга. Из анализа полученных результатов следует, что величина коэффициента концентрации заметно падает с ростом контактной податливости граничного слоя. Отклонения формы посадочных поверхностей в виде конусности и вогнутости увеличивают концентрацию контактной нагрузки, а ее выпуклость приводит к обратному эффекту. Для управления качеством поверхности вала с целью увеличения деформативности стыка или создания ее искусственной бочкообразности заданной величины рекомендуется использовать такие методы отделочно-упрочняющей обработки, как нанесение регулярного микрорельефа в виде винтовой канавки с определенным шагом с постоянным или переменным усилием на алмазный индентор или вибровыглаживание. Применение подобных технологий позволяет скомпенсировать концентрацию контактной нагрузки и, наряду с фактором упрочнения, увеличить усталостную прочность таких узлов.
A number of aviation assemblies are made as pressure couplings of thin-wall components, e.g., shafts and hubs, durability of which is related to fitting contact load concentrations under cyclic and dynamic loadings. This article discusses a numeric solution to the contact problem. The solution is introducing into the calculations a conventional boundary layer, any shift of which is equivalent to a roughness deformation of fitting surfaces. The mathematical model of a pressure coupling is founded on a division of deformations into general (axisymmetric bending of components) and local deformations (microroughness compression) that are determined independently. To simplify the solution, the dependence of the contact convergence of the surfaces on the pressure is subjected to linearization in the form of a model of a rigid plastic body with linear strengthening. Convergence values in section are only determined by the pressure and do not depend on the stress-and-strain behaviors of areas adjacent to the rough interfacial space. The Green’s functions method is used to find radial shifts of components, while the solution is expressed by the Fredholm integral equation. That is reduced to a finite system of linear algebraic equations when the contact is made discrete. This approach provides solution stability through strengthening of the main diagonal of the resolving system, while the evaluation accuracy of the concentration coefficient depends on the subinterval value. It has been found that any disclosure of a coupling beneath the faces of an enveloping body is practically impossible for that model. The comprehensive approach provides a generalized solution for orthotropic and stepwise shells, as well as for components with specific design features and various strengths of areas adjacent to fitting sites. Deviations of the shape of the contact surfaces from the straightness are taken into account by its respective pressure coupling function. The analysis of the findings suggests that the concentration coefficient value slumps as the contact compliance coefficient of the borderline layer increases. Any shape deviations of the fitting surfaces, including their coning and concavity, increase the contact load concentration, while their convexity causes a reverse effect. We recommend using strengthening treatment methods, e.g., application of regular micropattern in the shape of helical flute at a certain pitch while applying a constant or a variable force on the diamond indenter, or vibration smoothing in order to control the shaft surface finishing to improve the stressand-strain behavior of the seam and to impart an artificial barrel shape of a preset value to the shaft. These technologies compensate contact load concentrations, and, together with the strengthening factor, enhance the fatigue limit of such assemblies.
The authors declare that there are no conflicts of interest present.