УДК 531

DOI 10.24411/1683-805X-2019-11006

 

В работе рассматривается подход к моделированию процесса трения и износа полимерных композиционных материалов в условиях трибосопряжения. Процесс взаимодействия материала с контртелом моделируется на основе решения задачи контактного взаимодействия методом конечных элементов, что позволяет определить параметры напряженно-деформированного состояния контактирующих тел. Учитывается физически нелинейный характер деформирования полимерных композиционных материалов. Подход позволяет рассчитывать температуру на контактных поверхностях из условия превращения работы сил трения и энергии пластического деформирования в тепловую энергию поверхностных слоев трущихся тел. На основе решения нестационарной задачи теплопроводности методом конечных элементов моделируется процесс распространения тепла в контактирующих телах и потери тепла за счет конвекции. Модифицирование метода конечных элементов для решения контактной задачи теплопроводности позволяет не вводить дополнительные предположения о распределении тепла между контактирующими телами. С учетом полученного распределения температуры в конечных элементах изменяются деформационно-прочностные свойства полимерного композиционного материала при нагреве (модуль упругости, теплоемкость, предел текучести, предел прочности). Процесс износа реализуется удалением конечных элементов из расчета при выполнении критериев разрушения. Полученные  параметры напряженно-деформированного состояния и температуры аппроксимируются на новую сетку конечных элементов для новой расчетной области, полученной в результате удаления элементов. Исследуется влияние температуры и шероховатости на процесс трения и износа полимерных композиционных материалов и покрытий на стальной подложке. Результаты моделирования сопоставляются с экспериментальными данными для сверхвысокомолекулярного полиэтилена, полученными при сухом трении скольжения стального контртела по полимерному образцу.

Ключевые слова: полимеры, трение, износ, моделирование, температура, метод конечных элементов

 

Modeling of frictional wear of polymer composites with account for contact temperature

The paper discusses an approach to modeling friction and wear of polymer composite materials in a friction unit. The interaction between the material and the counterbody is modeled by solving a contact interaction problem using the finite element method. The parameters of the stress-strain behavior of the contacting bodies are determined, with taking into account a physically nonlinear deformation of polymer composites. The approach is applied to calculate the contact surface temperature from the condition that the work of friction forces and the plastic strain energy are converted to the thermal energy of the surface layers of the friction bodies. A nonstationary heat conduction problem is also solved by the finite element method to model heat propagation in the contacting bodies and heat loss due to convection. In order to avoid additional assumptions about heat distribution between the contacting bodies, a modified finite element method is used for the solution of the heat conduction problem. With regard to the obtained temperature distribution in the finite elements, the deformation-strength properties of the polymer composite material are changed during heating (elastic modulus, heat capacity, yield strength, tensile strength). The wear process is modeled by removing finite elements from the calculation when the fracture criteria are fulfilled. The determined parameters of the stress-strain state and temperature are approximated to a new finite element mesh for a new computational domain obtained after the removal of elements. The effect of temperature and roughness on the friction and wear of polymer composites and coatings on a steel substrate is investigated. The modeling results are compared with the experimental data for ultrahigh molecular weight polyethylene produced in dry sliding friction of a steel counterbody on a polymer substrate.

Keywords: polymers, friction, wear, modeling, temperature, finite element method

 

С.А. Бочкарева, С.В. Панин, Б.А. Люкшин, П.А. Люкшин, Н.Ю. Гришаева, Н.Ю. Матолыгина, В.О. Алексенко  Моделирование фрикционного износа полимерных композиционных материалов с учетом температуры контакта // Физ. мезомех. - 2019. - Т. 22. - № 1. - С. 54-68