Чисельні дослідження тріщиностійкості іонозміцненного листового скла при згинних деформаціях

DOI https://doi.org/10.15407/pmach2021.03.027
Журнал Проблеми машинобудування
Видавець Інститут проблем машинобудування ім. А. М. Підгорного Національної академії наук України
ISSN 2709-2984 (print), 2709-2992 (online)
Випуск Том 24, № 3, 2021 (вересень)
Сторінки 27–34

 

Автори

П. П. Гонтаровський, Інститут проблем машинобудування ім. А. М. Підгорного НАН України (61046, Україна, м. Харків, вул. Пожарського, 2/10), e-mail: gontarpp@gmail.com, ORCID: 0000-0002-8503-0959

Н. В. Сметанкіна, Інститут проблем машинобудування ім. А. М. Підгорного НАН України (61046, Україна, м. Харків, вул. Пожарського, 2/10), e-mail: nsmetankina@ukr.net, ORCID: 0000-0001-9528-3741

С. В. Угрімов, Інститут проблем машинобудування ім. А. М. Підгорного НАН України (61046, Україна, м. Харків, вул. Пожарського, 2/10), e-mail: sugrimov@ipmach.kharkov.ua, ORCID: 0000-0002-0846-4067

Н. Г. Гармаш, Інститут проблем машинобудування ім. А. М. Підгорного НАН України (61046, Україна, м. Харків, вул. Пожарського, 2/10), e-mail: garm.nataly@gmail.com, ORCID: 0000-0002-4890-8152

І. І. Мележик, Інститут проблем машинобудування ім. А. М. Підгорного НАН України (61046, Україна, м. Харків, вул. Пожарського, 2/10), e-mail: melezhyk81@gmail.com, ORCID: 0000-0002-8968-5581

 

Анотація

Безпека надійної експлуатації літальних апаратів і їх довговічність істотно залежать від міцності скління, яке є відповідальним конструкційним елементом. До скління висувається цілий ряд різних вимог. Для забезпечення необхідних параметрів широко використовується високоміцне силікатне скло та застосовуються спеціальні технології його зміцнення. Аналіз проблеми показав, що недостатня міцність елементів авіаційного скління й складність методів контролю стану скла при виробництві й експлуатації внаслідок наявності поверхневих дефектів мікроскопічних розмірів, а також необхідність достовірної оцінки залишкових напружень потребують застосування нових підходів і технічних рішень для розвитку сучасних технологій створення конструкцій. Іонний обмін є одним з механізмів зміцнення скла, який дозволяє зменшити негативний вплив поверхневих дефектів за рахунок штучного створення залишкових стискаючих напружень і зменшення товщини ушкодженого шару. Проведено розрахункові дослідження тріщиностійкості іонозміцненого листового скла при згинних деформаціях із застосуванням власного пакета програм, розробленого на основі методу скінченних елементів та призначеного для дослідження термонапруженого стану конструкцій. Отримані результати показали, що міцність руйнування реального листового скла від розтягуючих напружень при згині визначається тріщиноподібними поверхневими дефектами. Створення залишкових стискаючих напружень на поверхні скла шляхом іонообмінного зміцнення забезпечує збільшення міцності при згинанні. При зростанні залишкових напружень та глибини їх розподілу ефект від іонообмінної обробки збільшується. Якщо глибина зони стискаючих напружень від іонного зміцнення значно менше глибини поверхневої тріщини, міцність скла мало залежить від максимальних стискаючих напружень на поверхні. Ефект від іонного зміцнення суттєво зростає у випадку зменшення глибини поверхневої тріщини. Показана доцільність проведення подальших досліджень і порівняння результатів розрахунків з експериментальними даними. Розроблена методика дозволить розв’язувати важливі практичні задачі дослідження міцності багатошарового скління літальних апаратів і визначення оптимальних методів усунення їх дефектів.

 

Ключові слова: літальні апарати, силікатне скло, напружений стан, міцність, залишкові напруження, іонний обмін, дефекти поверхневого шару.

 

Література

  1. Сметанкіна Н. В., Угрімов С. В. Аналіз міцності багатошарового оскління літальних апаратів при високошвидкісному ударному навантаженні. Прикл. питання мат. моделювання. 2019. Т. 2. № 1. С. 112–122.
  2. Rodichev Y. M., Smetankina N. V., Shupikov O. M., Ugrimov S. V. Stress-strain assessment for laminated aircraft cockpit windows at static and dynamic load. Strength Materials. 2018. Vol. 50. No. 6. P. 868–873. https://doi.org/10.1007/s11223-019-00033-4.
  3. Сметанкіна Н. В., Угрімов С. В., Шупіков О. М. Моделювання відгуку багатошарового оскління на статичне і динамічне навантаження. Вісн. Харк. нац. ун-ту імені. В. Н. Каразіна. Сер. Математичне моделювання. Інформаційні технології. Автоматизовані системи управління. 2015. Вип. 27. С. 150–156.
  4. Сметанкіна Н. В., Шупіков О. М., Угрімов С. В. Математичне моделювання процесу нестаціонарного деформування багатошарового оскління при розподілених та локалізованих силових навантаженнях. Вісн. Херсон. нац. техн. ун-та. 2016. Вип. 3(58). С. 408–413.
  5. Veer F. A., Rodichev Yu. M. Glass failure, science fiction, science fact and hypothesis. Glass Performance Days: 11th Intern.l Conf. on Architectural and Automotive Glass. Tampere, Finland. 12–15 June 2009. P. 819–823.
  6. Mognato Е., Schiavonato М., Barbieri А., Pittoni М. Process influences on mechanical strength of chemical strengthened glass. Glass Structures and Eng. 2016. Vol. 1. No. 1. P. 247–260. https://doi.org/10.1007/s40940-016-0019-0
  7. Bos F. The integrated approach to structural glass safety applied to glass beams. Challenging Glass 2: Conf. on Architectural and Structural Appl. Glass. Delft, Nederland. 20–21 May 2010. P. 297–308. https://doi.org/10.7480/cgc.2.2415.
  8. Бартенев Г. М. Сверхпрочные и высокопрочные неорганические стекла. М.: Стройиздат, 1974. 240 с.
  9. Rodichev Y., Veer F., Soroka O., Shabetya O. Structural strength of heat-strengthened glass. Strength Materials. 2018. Vol. 50. Iss. 4. P. 584–596. https://doi.org/10.1007/s11223-018-0004-8.
  10. Veer F. A., Rodichev Y. M. Improving the engineering strength of heat strengthened glass. Heron. 2017. Vol. 61. No. 2. P. 121–138.
  11. Mazzoldi P., Carturan S., Quaranta A., Sada C., Sglavo V. М. Ion exchange process: history, evolution and applications. Rivista del nuovo cimento. 2013. Vol. 36. No. 9. P. 397–450. https://doi.org/10.1393/ncr/i2013-10092-1.
  12. Sglavo V. M. Chemical strengthening of soda lime silicate float glass: effect of small differences in the KNO3 bath. Intern. J. Appl. Glass Sci. 2015. Vol. 6. No. 1. P. 73–82. https://doi.org/10.1111/ijag.12101.
  13. Бутаев А. М. Прочность стекла. Ионообменное упрочнение. Махачкала, 1997. 130 с.
  14. Бартенев М. Строение и механические свойства неорганических стекол. М.: Изд-во лит. по стр-ву, 1966. 216 с.
  15. ASTM C1422-99. Standard specification for chemically strengthened flat glass. West Conshohocken, PA, 1999. 3 p.
  16. Schiavonato M., Mognato E., Redner A. S. Stress measurement, fragmentation and mechanical strength. Glass Proc. Days: 9th Intern. Conf. on Architectural and Automotive Glass. Tampere, Finland. 17–20 June 2005. P. 92–95.
  17. Броек Д. Основы механики разрушения. М.: Высш. шк., 1980. 386 с.
  18. Shulzhenko N., Gontarovskiy P., Garmash N., Melezhik I. Design forecasting of thermal strength and resource of steam turbine structural components. J. Mech. Eng. – Problemy Mashynobuduvannia. 2018. Vol. 21. No. 3. P. 38–46. https://doi.org/10.15407/pmach2018.03.038.
  19. Шульженко Н. Г., Гонтаровский П. П., Протасова Т. В. Применение полуаналитического метода конечных элементов для решения трехмерных задач термомеханики в цилиндрических координатах. Вестн. НТУ «ХПИ». Динамика и прочность машин: Темат. вып. 2005. Вып. 20. C. 151–160.

 

Надійшла до редакції 26 липня 2021 р.