РАСЧЕТ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ В СИСТЕМЕ «ПОДЛОЖКА – ПОКРЫТИЕ» ПРИ ТЕПЛОВОМ НАГРУЖЕНИИ | Механика | композиционных | материалов и конструкций
> Том 23 > №1 / 2017 / Страницы: 134-155 doi.org/10.25590/mkmk.ras.2017.23.01.134_155.10

РАСЧЕТ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ В СИСТЕМЕ «ПОДЛОЖКА – ПОКРЫТИЕ» ПРИ ТЕПЛОВОМ НАГРУЖЕНИИ

,

Аннотация:

Аналитически исследовано напряженно-деформированное состояние (НДС) свободной от внешних усилий и закреплений конструкционной стенки «подложка – покрытие» при плавном тепловом нагружении. Рассмотрена односвязная задача термоупругости в постановке для плоского напряженного состояния. Оценка НДС осуществлена в безмоментном приближении (без учета изгиба) в предположении постоянства температуры по толщине стенки. Построены температурные зависимости тепловых напряжений в слоях стенки. Выявлено, что текущий уровень напряжений в слоях зависит, прежде всего, от разницы коэффициентов температурного линейного расширения материалов подложки и покрытия, а также от значений их модулей упругости, коэффициентов Пуассона и толщин. Построенное численное решение на базе метода конечных элементов (МКЭ) краевой задачи классической термоупругости, соответствующей модели, положенной в основу аналитического решения, привело к идентичным результатам. Выявлены недостатки и ограничения, вносимые в решение рассматриваемыми допущениями. Предложено уточненное решение задачи определения НДС в системе «подложка – покрытие» при тепловом нагружении на базе МКЭ, учитывающее изгибные деформации. Решение получено для полубесконечной пластины в постановке для обобщенной плоской деформации. Учет изгиба привел к существенному изменению уровня и характера распределения тепловых напряжений по толщине стенки. Показано, что расчет НДС без явного учета геометрической формы подложки даже в простейшем случае полубесконечной пластины приводит к недопустимым погрешностям. Выработаны основные требования к конечно-элементным моделям, применяемым к исследованию НДС в системе «подложка – покрытие». Оценка уровня и характера распределения напряжений позволяет научно подойти к разработке архитектуры покрытий (выбору химического и фазового состава слоев, их количества и толщин), а также существенно сократить количество экспериментальных исследований и испытаний, время и затраты на их реализацию.

52