78134

Оценка поврежденности адгезионного контакта упругих тел

Научная статья

Физика

В основу рассуждений кладутся энергетические представления величина площади контакта соответствует минимуму потенциальной энергии системы контактирующих тел. Причинами являются загрязнение поверхности контакта и неполнота контакта слоев и связанные с физической природой...

Русский

2015-02-07

136 KB

0 чел.

PAGE  3

УДК 539.3

Оценка поврежденности адгезионного контакта упругих тел

         Якушина С.И.

Россия, г. Орел, ФГБОУ ВПО «Госуниверситет – УНПК»

Рассматриваются два тела  и  находящихся в состоянии адгезии. Их слипание (адгезия) реализовано вдоль поверхности  – адгезионного шва. Обычно считается (если тела считаются сплошными средами), что адгезионный контакт является сплошным, происходящим вдоль всей поверхности . Однако, если учесть остроковый механизм образования тонкопленочных покрытий, можно заключить, что сплошным адгезионный контакт считать нельзя. Предлагается попытка оценки истинной площади контакта на основании представлений механики сплошных сред. В основу рассуждений кладутся энергетические представления – величина площади контакта соответствует минимуму потенциальной энергии системы контактирующих тел.

Two bodies and in adhesion are considered. Their adhesion is performed along the surface of the adhesion joint. It is usually considered (if bodies are considered to be continuous media) that the adhesion contact is continuous, acting along the whole of the surface . But if discontinuous mechanism of thin-filmed cover formation is taken into account then it is possible to draw a conclusion that the adhesion contact cannot be considered a continuous one. The attempt for evaluation of the real contact area on the basis of continuous medium mechanics ideas is offered. In a footing of considerations are placed power ideas – a value of a contact area corresponds to potential power minimum of the contacting bodies system

Известно, что реальный контакт твердых тел даже в состоянии адгезии не является сплошным [1, 2]. Причинами являются загрязнение поверхности контакта и  неполнота контакта слоев  и , связанные с физической природой их материалов, их “адгезионной совместимостью”. В данной работе  рассмотрение неполноты адгезионного контакта осуществляется лишь с механической точки зрения.

Из-за разности межатомных расстояний решеток адгезионный контакт не является сплошным. Известно, что, приближаясь к равновесному состоянию, любое тело стремится к минимуму своей энергии [3]. Это приводит к тому, что при расколе его на две части вдоль первоначально гладкой поверхности ближайшие к ней атомы меняют свое положение и поверхность получает сложную форму [4]. Кроме того, при подобной реконструкции поверхности ее активной частью, способной взаимодействовать с напыляемыми частицами, являются лишь отдельные участки – активные центры. Следствием этого является островковый механизм формирования плёнки при её напылении на поверхность основы. По мере роста и смыкания островков между ними и поверхностью основы возможно образование пустот, участков отсутствия слипания, то есть, неполного адгезионного контакта.

На основании вышеизложенного строится условие для количественной относительной площади адгезионного контакта.

Допускается, что каждый элементарный участок  поверхности кажущегося контакта  тел  и  является объединением двух участков

.     (1)

На первом из них  адгезия существует, на втором  ее нет.

При образовании  в этой системе происходят энергетические изменения. Среди всех возможных для системы состояний наступает то, которое соответствует их минимуму. Поэтому в равновесном состоянии системы  в отсутствии внешних механических воздействий должно выполняться равенство

.

Перемещение частиц тела  на границе  его контакта с другим телом системы  является суммой перемещений, возникающих как при наличии адгезии, так и при её отсутствии, взятых с коэффициентами, равными относительным долям участков границы, на которых это наблюдается:

   (2)

В теории упругости [5] тензоры напряжений являются линейными комбинациями градиентов перемещений различных порядков. С учётом (2), на основании этого можно заключить, что для них справедливо представление

  (3)

Представленные выше рассуждения дают возможность решить поставленную задачу, рассмотрев предварительно,  независимо друг от друга, две задачи. Первая – об адгезии  и  в предположении об абсолютной её сплошности вдоль . Вторая – задача об их напряжённо-деформированном состоянии при условии отсутствия их взаимных воздействий.

Выражение для избытка поверхностной энергии  объединённого тела

 (4)

В этой записи  численно равно работе обобщённых внутренних сил, вызванных адгезионным контактом, на обобщённых перемещениях, вызванных также адгезионным контактом.  – работа обобщённых внутренних сил, возникающих в  при отсутствии адгезии, на перемещениях, появляющихся под влиянием этих сил. Ввиду этого, обе величины  и  положительны. Значит, зависимость  имеет минимум. Соответствующее ему значение  определяется условием

   (5)

С целью сокращения математических расчетов, учитывая необходимость лишь качественного анализа несплошности на основании предлагаемой математической модели, далее считаем следующее:

1) тела B(α) и B(β) предполагаются полубесконечными;

2) процессы деформирования, происходящие при адгезии, являются одномерным;

3) для характеристики деформированного состояния предлагается использовать только два первых градиента перемещений, а для характеристики напряженного состояния – два первых тензора напряжений;

4) допускается, что внешние, распределенные по краям , взаимодействия на объединенное тело B(α,β), имеющие касательную и нормальную составляющие, приводят к значению α, равному сумме значений α, полученных только от нормального и только от касательного воздействий.

Эти допущения позволяют рассчитывать поврежденность только аналитически, минуя численный счет. Данные расчета использованы при оценке прочности многослойной стенки макета проточного тракта жидкометаллического бланкета термоядерного реактора ИТЭР [1].

Литература

1. Витковский, И. В. Теоретическая оценка несплошности адгезионного контакта элементов жидкометаллического бланкета термоядерного реактора / И. В. Витковский, А. Н. Конев, В. С. Шоркин, С. И. Якушина // Журнал технической физики, 2007. – Т. 77.– Вып. 6. – С.28 – 33.

2. Зимон, А. Д. Адгезия пленок и покрытий / А. Д. Зимон. – М.: Химия, 1977.  352 с.

3. Физический энциклопедический словарь.– т.1.– М.: Советская энциклопедия, 1960.– 664 с.

4. Киселев В.Ф. Поверхностные явления в полупроводниках и диэлектриках.– М.: Наука, 1970.– 400 с.

5. Шоркин В.С. Особенности упругости поверхностных слоев твердых тел. /В.С. Шоркин //Упругость и неупругость. Материалы международного научного симпозиума по проблемам механики деформируемых тел, посвященного 90 – летию со дня рождения А.А. Ильюшина. Москва, 22- 23 января 2001 г. – М.: МГУ, 2001. – С. 453 – 454.

Якушина Светлана Ивановна, старший преподаватель кафедры «Высшая математика»

ФГБОУ ВПО «Госуниверситет – УНПК», e-mail: Jakushina@rambler.ru


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

85123. Тематичне опитування. Контроль навчальних досягнень учнів з теми Додавання і віднімання багатоцифрових чисел 33.89 KB
  На лісовій ділянці посадили 125 лип берізок на 75 більше ніж лип а дубів на 320 більше ніж беріз. Учні першої школи зібрали 12 кг 400 г шипшини другої на 5 кг 200 г менше ніж першої а третьої на 10 кг 700 г менше ніж учні першої і другої шкіл разом. У перших класах 180 учнів у других на 20 учнів більше ніж у перших а в третіх на 60 учнів менше ніж у других. Перша бригада відремонтувала 5 км 500 м дороги друга на 1 км 100 м більше ніж перша а третя на 4 км 900 м менше ніж перша і друга бригади разом.
85124. Аналіз тематичного опитування. Поняття про швидкість. Задачі на знаходження швидкості руху 86.98 KB
  Поняття про швидкість. Провести аналіз тематичного опитування; зясувати типові помилки; організувати роботу над помилками; ознайомити учнів з поняттям швидкість руху простими і складеними задачами на знаходження швидкості. Таблиця Швидкість. Щоб знайти швидкість треба відстань поділити на час.
85125. Задачі на знаходження відстані за даними швидкістю і часом. Знаходження значень виразів на додавання і віднімання 80.59 KB
  Ознайомити учнів зі способом визначення відстані за відомими швидкістю і часом; формувати вміння розвязувати задачі на основі творчих видів роботи; розвивати обчислювальні навички.
85126. Задачі на знаходження часу за швидкістю і відстанню. Дії над іменованими числами 104.28 KB
  Ознайомити учнів зі способом визначення часу за відомими швидкістю і відстанню; повторити виконання дій над іменованими числами.
85127. Прості і складені задачі на визначення швидкості, часу і відстані. Дії над іменованими числами. Ознайомлення з назвами геометричних тіл 43.93 KB
  Узагальнити зв\'язки між відстанню, часом і швидкістю; закріплювати вміння учнів розв\'язувати задачі на обчислення згаданих величин, виконувати дії над іменованими числами; ознайомити з назвами геометричних тіл.
85128. Дія множення. Переставний, сполучний і розподільний закони множення 57.4 KB
  Узагальнити уявлення учнів про дію множення; повторити взаємозвязки між величинами відстань, швидкість, час; перевірити обчислювальні навички та вміння розвязувати задачі, рівняння, нерівності.
85129. Нумерація трицифрових чисел. Табличне множення. Задачі на зведення до одиниці 224.36 KB
  Нумерація трицифрових чисел. Ознайомити учнів з підручником математики для 4 класу; повторити нумерацію трицифрових чисел зв\'язок дій додавання і множення таблицю множення; удосконалювати вміння розвязувати задачі на зведення до одиниці. Повторення нумерації трицифрових чисел. Назвіть цифру спільну для чисел кожного стовпчика і поясніть що вона означає в тому чи іншому випадку.
85130. Нумерація трицифрових чисел. Записування чисел під диктовку. Розкладання чисел на розрядні доданки 38.96 KB
  Повторити способи читання і записування трицифрових чисел, значення цифри залежно від її місця у запису числа, розкладання чисел на розрядні доданки, таблицю ділення; розвивати уміння розвязувати задачі двома способами, знаходити значення виразів зручним способом.
85131. Письмове додавання і віднімання трицифрових чисел. Знаходження значень буквених виразів. Розміщення відрізків на площині і в просторі 69.07 KB
  Письмове додавання і віднімання трицифрових чисел. Повторити прийоми письмового додавання і віднімання трицифрових чисел ділення і множення круглих чисел; удосконалювати вміння знаходити значення буквених виразів розвязувати задачі на знаходження третього доданка; закріпити поняття про вертикальне і горизонтальне положення відрізків. Заміни додавання множенням. З даного виразу на додавання склади ще один вираз на множення.