Кудрявцев И.В. Халиманович В.И. Леканов А.В. Масанов А.Г. Сильченко П.Н. Новиков Е.С.
Математическое моделирование при расчетах на прочность с учётом упрочнения рабочих поверхностей зубьев микромеханических прецизионных приводов космических аппаратов
Докладчик: Кудрявцев И.В.
Работа выполнена при поддержке гранта ФЦП ГК № 14.513.11.0118, лот 4
«Разработка устройств исполнительной прецизионной автоматики авиакосмических аппаратов на основе нано- и микроэлектромеханических систем»
Для улучшения прочностных характеристик сопрягаемых рабочих поверхностей зубьев мелкомодульных зубчатых передач ответственных деталей микромеханических прецизионных приводов космических аппаратов (КА) применяется насыщение взаимодействующих поверхностей наномодификаторами с необходимыми физико-химическими свойствами [1,2]. На рабочих поверхностях зубьев мелкомодульных зубчатых колёс микромеханических прецизионных приводов КА необходимо и достаточно образование тонкого (до 20 мкм) поверхностного наномодифицированного слоя с более высокими физико-механическими и прочностными характеристиками, изменяющимися в объёме от поверхностности к сердцевине зуба [3].
Необходима разработка проектно-конструкторских методов обеспечения создания ответственных деталей прецизионных передаточных механизмов микроэлектромеханических систем космических аппаратов с обоснованием получения требуемых характеристик наномодифицированного поверхностного слоя зубьев и соответствующие математические модели, которые учитывают функциональные изменения физико-механических свойств от поверхности, имеющей более высокие прочностные характеристики в глубину зуба к сердцевине (до 20 мкм).
Прочностные характеристики материала зубьев по мере удаления от поверхности могут изменяться не скачкообразно, а по определенному закону. Учёт изменений физико-механических свойств материала зуба от его поверхности к сердцевине в мелкомодульных зубчатых передачах, выполнялся с использованием численных методов моделирования.
Геометрическое 3D моделирование формы зубьев и колёс мелкомодульных зубчатых передач в целом с применением конечно-элементных пакетов Ansys и Nastran представляет определенные сложности, которые можно преодолеть путем импортирования готовых моделей из специализированных САПР-программ. Но, при этом сложной является задача дискретизации полученной 3D геометрии на объёмные (Solid) конечные элементы (КЭ) с учетом изменения прочностных свойств тонкого слоя у поверхности зуба, так как размер наномодифицированного слоя около 20 мкм и, следовательно, потребуется очень мелкая сетка КЭ.
Для сохранения точности вычислений размеры КЭ должны быть сопоставимы по всем направлениям, поэтому с учётом ширины зуба получается большое количество КЭ. Проблемой, также, является необходимость учёта изменений прочностных характеристик материала в каждом конечном элементе от поверхности к сердцевине. Такое изменение свойств материала можно учесть дополнительным разбиением конструкции на отдельные слои КЭ с заданием для каждого слоя различных механических свойств. В нашем случае такой подход невозможен, поскольку приводит к образованию чрезмерно большого количества КЭ и исчерпанию ресурсов ЭВМ. Проблема осложняется тем, что ППП (Ansys, Nastran и др.) не позволяют задавать изменение механических свойств по объёму конечных элементов, образующих определённой толщины слой.
Выходом из этой ситуации может являться использование различных типов элементов для дискретизации конструкции зубьев. Сердцевина разбивается на объёмные КЭ с квадратичной аппроксимацией функции формы, а поверхностный слой моделируется многослойными (Layered) оболочечными элементами с дискретизацией функции изменения механических свойств по отдельным КЭ-слоям. Количество этих слоёв выбирается в зависимости от необходимой точности аппроксимации функции, определяющей твёрдости от поверхности к сердцевине.
Моделирование взаимодействия зубчатых колёс в точке контакта (зацепления) зубьев выполняется с помощью специальных контактных (Contact) элементов, и тогда такая конечно-элементная модель зубьев в контакте пары зубчатых колёс мелкомодульных зубчатых передач позволяет учесть все особенности их структуры материала и условия работы.
По результатам проведенных расчётов предполагается обосновать требуемые характеристики для наномодифицикации поверхности зубьев и внесения соответствующих изменений в технологические режимы упрочнения.
Полученные результаты расчётов и технология наномодифицирования поверхностного слоя зубьев позволят разработать проектно-конструкторские и нанотехнологических методы по обеспечению создания ответственных деталей прецизионных передаточных механизмов микроэлектромеханических систем космических аппаратов.
Литература
1. P.N. Silchenko, D.P. Borisov, N.N. Koval Efficient arc sources of gas-discharge plasma in vacuum-plasma production facilities // Известия Вузов. Физика, 2012, № 12/2, С. 28-31.
2. P.N. Silchenko, D.P. Borisov, N.N. Koval Vacuum-plasma technologies for high-quality surface-treatment applications // Известия Вузов. Физика, 2012, № 12/2, С. 32-35.
3. Сильченко П.Н., Новиков Е.С. Леканов А.В. Обоснования выбора способов упрочнения мелкомодульных зубчатых колёс приводов устройств исполнительной автоматики космических аппаратов/ Журнал Сибирского федерального университета. Техника и технологии 6 (2011 4), С 670-673.
| Тезисы доклада: | abstracts_175628_ru.pdf |
К списку докладов
