Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of the Department of Computational Mathematics, Mechanics and Biomechanics
кандидат технических наук, доцент кафедры вычислительной математики, механики и биомеханики
postgraduate student, Researcher of the Digital Engineering of Mechanical Engineering Processes and Production
аспирант, научный сотрудник лаборатории цифрового инжиниринга машиностроительных процессов и производств
Researcher of the Digital Engineering of Mechanical Engineering Processes and Production
научный сотрудник лаборатории цифрового инжиниринга машиностроительных процессов и производств
Candidate of Physical and Mathematical Sciences, Associate Professor of the Department of Computational Mathematics, Mechanics and Biomechanics
кандидат физико-математических наук, доцент кафедры вычислительной математики, механики и биомеханики
Thermoplastic polymeric materials have found wide application as protective and antifriction coatings and interlayers of friction units. Spherical bearings include relatively thin sliding layers made of antifriction materials. Polytetrafluoroethylene (PTFE) is widely used as a material for sliding layers. However, at present, there are modern composite and modified materials with improved physical and mechanical properties that can be used as sliding layers. Antifriction materials are often modeled in terms of elasticity theory or elastoplasticity theory. However, it has been established that these materials exhibit viscoelastic properties. A series of experiments to determine the thermomechanical properties of the materials is performed in the current work. PTFE, a metal composite based on PTFE with bronze inclusions (MAK (F4BR40M2)) and structurally modified Arflon AR-200 PTFE were investigated using dynamic mechanical analysis. The temperature change range [-40; +80] °C was considered, it corresponds to the operating temperatures of bridge structures. Temperature dependencies of the storage modulus, loss modulus and loss tangent were obtained. Viscoelastic models of material behavior, such as Maxwell bodies using Prony series and temperature-time analogy, were constructed based on experimental data. Viscoelastic behavior of materials was analyzed in terms of deformation of a bridge spherical bearing under static and periodic loads, taking into account the ambient temperature. The relationships for the effect of temperature on the stress-strain response and contact parameters were obtained. The influence of the thermal expansion coefficient of materials on the structure behavior was considered. It was found that the sliding layer made of MAK allows for a more favorable stress-strain state compared to the structure including a sliding layer made of PTFE: the maximum stress intensity is less by ~ 3%; the maximum strain intensity is less by ~ 20%; displacements along the normal to the sliding layer are less by ~ 17.2%.
Термопластические полимерные материалы нашли широкое применение в качестве защитных и антифрикционных покрытий и прослоек узлов трения. Сферические опорные части включают относительно тонкие слои скольжения из антифрикционных материалов. Политетрафторэтилен (ПТФЭ) широко используется в качестве материала слоев скольжения. Однако существуют современные композиционные и модифицированные материалы с улучшенными физико-механическими свойствами, которые могут применяться в качестве слоев скольжения. Антифрикционные материалы часто моделируются в рамках теории упругости или теории упругопластичности. Но установлено, что данные материалы проявляют вязкоупругие свойства. В текущей работе выполнен цикл экспериментов для определения термомеханических свойств материалов. ПТФЭ, металлокомпозит на основе ПТФЭ с бронзовыми включениями (МАК (Ф4БР40М2)) и структурно-модифицированный ПТФЭ Арфлон AR-200 были исследованы в рамках динамического механического анализа. Рассматривался диапазон изменения температур [-40; +80] °С, он соответствует температурам эксплуатации мостовых сооружений. Получены температурные зависимости модуля накопления, модуля потерь и тангенса угла механических потерь. На основе экспериментальных данных построены вязкоупругие модели поведения материалов, такие как тела Максвелла, с использованием рядов Прони и температурно-временной аналогии. Вязкоупругое поведение материалов было проанализировано в рамках деформирования сферической опорной части мостовых сооружений при статической и периодической нагрузке с учетом температуры окружающей среды. Получены зависимости параметров напряженно-деформированного состояния и контакта от температуры. Рассмотрено влияние коэффициента термического расширения материалов на поведение конструкции. Установлено, что слой скольжения из МАК позволяет получить более благоприятное напряженно деформированное состояние по сравнению с конструкцией, включающей слой скольжения из ПТФЭ: максимальная интенсивность напряжений меньше ~ на 3 %; максимальная интенсивность деформаций меньше ~ на 20 %; перемещения по нормали слоя скольжения меньше ~ на 17,2 %.