Численные исследования трещиностойкости ионоупрочненного листового стекла при изгибных деформациях

image_print
DOI https://doi.org/10.15407/pmach2021.03.027
Журнал Проблемы машиностроения
Издатель Институт проблем машиностроения им. А.Н. Подгорного Национальной академии наук Украины
ISSN 2709-2984 (print), 2709-2992 (online)
Выпуск Том 24, № 3, 2021 (сентябрь)
Страницы 27–34

 

Авторы

П. П. Гонтаровский, Институт проблем машиностроения им. А. Н. Подгорного НАН Украины (61046, Украина, г. Харьков, ул. Пожарского, 2/10), e-mail: gontarpp@gmail.com, ORCID: 0000-0002-8503-0959

Н. В. Сметанкина, Институт проблем машиностроения им. А. Н. Подгорного НАН Украины (61046, Украина, г. Харьков, ул. Пожарского, 2/10), e-mail: nsmetankina@ukr.net, ORCID: 0000-0001-9528-3741

С. В. Угримов, Институт проблем машиностроения им. А. Н. Подгорного НАН Украины (61046, Украина, г. Харьков, ул. Пожарского, 2/10), e-mail: sugrimov@ipmach.kharkov.ua, ORCID: 0000-0002-0846-4067

Н. Г. Гармаш, Институт проблем машиностроения им. А. Н. Подгорного НАН Украины (61046, Украина, г. Харьков, ул. Пожарского, 2/10), e-mail: garm.nataly@gmail.com, ORCID: 0000-0002-4890-8152

И. И. Мележик, Институт проблем машиностроения им. А. Н. Подгорного НАН Украины (61046, Украина, г. Харьков, ул. Пожарского, 2/10), e-mail: melezhyk81@gmail.com, ORCID: 0000-0002-8968-5581

 

Аннотация

Для обеспечения необходимых параметров широко используется высокопрочное силикатное стекло и применяются специальные технологии его упрочнения. Анализ проблемы показал, что недостаточная прочность элементов авиационного остекления и сложность методов контроля состояния стекла при производстве и эксплуатации вследствие наличия поверхностных дефектов микроскопических размеров, а также необходимость достоверной оценки остаточных напряжений нуждаются в применении новых подходов и технических решений для развития современных технологий создания конструкций. Ионный обмен является одним из механизмов упрочнения стекла, который позволяет уменьшить негативное влияние поверхностных дефектов за счет искусственного создания остаточных сжимающих напряжений и уменьшения толщины поврежденного слоя. Проведены расчетные исследования трещиностойкости ионоупрочненного листового стекла при изгибных деформациях с использованием собственного пакета программ, разработанного на основе метода конечных элементов и предназначенного для исследования термонапряженного состояния конструкций. Полученные результаты показали, что прочность разрушения реального листового стекла от растягивающих напряжений при изгибе определяется трещиноподобными поверхностными дефектами. Создание остаточных сжимающих напряжений на поверхности стекла путем ионообменного упрочнения обеспечивает приращение прочности при изгибе. При увеличении остаточных напряжений и глубины их распределения эффект от ионообменной обработки увеличивается. Если глубина зоны сжимающих напряжений от ионного упрочнения значительно меньше глубины поверхностной трещины, прочность стекла мало зависит от максимальных сжимающих напряжений на поверхности. Эффект от ионного упрочнения существенно возрастает в случае уменьшения глубины поверхностной трещины. Показана целесообразность проведения дальнейших исследований и сравнения результатов расчетов с экспериментальными данными. Разработанная методика позволит решать важные практические задачи по исследованию прочности многослойного остекления летательных аппаратов и определению оптимальных методов устранения их дефектов.

 

Ключевые слова: летательные аппараты, силикатное стекло, напряженное состояние, прочность, остаточные напряжения, ионный обмен, дефекты поверхностного слоя.

 

Полный текст: загрузить PDF

 

Литература

  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.

 

Поступила в редакцию 26 июля 2021 г.