vestiftИзвестия Национальной академии наук Беларуси. Серия физико-технических наукProceedings of the National Academy of Sciences of Belarus. Physical-technical series1561-83582524-244XThe Republican Unitary Enterprise Publishing House "Belaruskaya Navuka"vestift-346Research ArticleМАШИНОСТРОЕНИЕ, МЕХАНИКАMECHANICAL ENGINEERING AND MECHANICSМОДЕЛИРОВАНИЕ УДАРНОГО КОНТАКТА ИНДЕНТОРА С НЕЖЕСТКИМИ СТАЛЬНЫМИ КОНСТРУКЦИЯМИ ПРИ ИЗМЕРЕНИИ ТВЕРДОСТИMODELING OF IMPACT CONTACT OF INDENTER AND NON-RIGID STEEL CONSTRUCTIONS DURING MEASURMENT OF HARDNESSКреньА. П.KrenA. P.

доктор технических наук, заведующий лабораторией

лаборатория контактно-динамических методов контроля

ул. Академическая, 16, 220072

D. Sc. (Engineering), Head of the Mechanical Testing Laboratory

16, Akademicheskaya Str., 220072

alekspk@mail.ruРудницкийВ. А.RudnitskyV. A.

доктор технических наук, профессор, главный научный сотрудник

ул. Академическая, 16, 220072

D. Sc. (Engineering), Professor

16, Akademicheskaya Str., 220072

rudnitsky@iaph.bas-net.byЗинькевичН. В.ZinkevichN. V.

аспирант

ул. Академическая, 16, 220072

Postgraduate Student

16, Akademicheskaya Str., 220072

nickola.anelka@gmail.comИнститут прикладной физики Национальной академии наук Беларуси, МинскInstitute of Applied Physics of the National Academy of Sciences of Belarus, Minsk201722012018043845Copyright © Крень А.П., Рудницкий В.А., Зинькевич Н.В., 20182018Крень А.П., Рудницкий В.А., Зинькевич Н.В.Kren A.P., Rudnitsky V.A., Zinkevich N.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://vestift.belnauka.by/jour/article/view/346

Рассматриваются вопросы измерения твердости конструкций недостаточной жесткости методом ударного вдавливания индентора. Описываются недостатки существующих динамических твердомеров, принцип действия которых заключается в нанесении удара по испытуемому образцу и регистрации коэффициента восстановления скорости, зависящего от твердости. Построены конечно-элементные модели ударного взаимодействия индентора с образцами труб с различной толщиной стенки и диаметром, а также консольно закрепленных пластин разной толщины. Получены диаграммы вдавливания индентора в исследуемые образцы труб и пластин в координатах контактное усилие – перемещение. Показана достаточно хорошая сходимость между результатами моделирования и экспериментальными данными, полученными на твердомере, позволяющем регистрировать кривую нагружения в процессе ударного взаимодействия. С помощью построенных конечно-элементных моделей выделен вклад локальной деформации и прогиба в общий отклик конструкции при индентировании. Установлено влияние прогиба конструкций на процесс внедрения индентора в материал, а также на такие параметры индентирования, как коэффициент восстановления скорости, контактное усилие, перемещение и время активного этапа удара. Определены границы допустимого использования твердомеров ударного действия. Показаны пути повышения точности измерения твердости на основе данных, получаемых на этапе внедрения индентора. Установлено, что использование градуировочных зависимостей между твердостью и временем активного этапа удара, а также отношением контактного усилия к глубине внедрения на этапе нагружения позволяет провести оценку твердости для труб с толщиной стенки свыше 5 мм и консольно закрепленных пластин на расстоянии от места закрепления вплоть до 100 мм. 

The problems of measuring hardness of constructions with insufficient rigidity by the dynamic indentation are discussed. The disadvantages of the existing dynamic hardness testers are described, the operation of which consists in impact indentation and determination of the hardness, depending on the restitution coefficient. Finite-element models of the contact of the indenter and the pipes samples with various wall thicknesses and diameters and cantilevered plates of various thicknesses are developed. Indentation diagrams for the investigated samples of pipes and plates in the coordinate plane of force-displacement are obtained. The results of the simulation have good convergence with the experimental data. With the help of the finite element models the separation of local penetration and deflection of construction is made. It is shown the influence of steel construction deflection on the process of indenter impression into the material tested and the change of indentation parameters as restitution coefficient, contact force, penetration depth and time of the active part of the impact. The limits of possible application of dynamic hardness testers have been determined. The ways of the increasing of the hardness measurement accuracy on the base of the data obtained during impact interaction are shown. It is established that the use of dependences between hardness and the time of the active stage of impact, as well as the ratio of the contact force to the depth of penetration at the loading stage, makes it possible to evaluate the hardness for pipes with the wall thickness exceeding 5 mm and cantilevered plates at the distance from the fixed support up to 100 mm. 

твердостьконечно-элементное моделированиеиндентированиенежесткие конструкцииhardnessfinite-element modelingindentationnon-rigid constructionsРабота выполнена при поддержке Белорусского республиканского фонда фундаментальных исследований. Грант Т16-013 «Разработка физических основ контроля твердости материалов конструкций, имеющих ограниченную жесткость, методом динамического локального деформирования».This paper was supported by the Belarusian Republican Foundation for Fundamental Research. Grant T16-013 “Development of the physical basis of the control of the hardness of materials of constructions with the limited stiffness by the dynamic local straining”.ReferencesЛьвовский, П.Г. Справочное руководство механика металлургического завода / П.Г. Львовский. – 4-е изд., испр. и доп. – Свердловск: Металлургиздат, 1962. – 980 с.Lvovskij P. G. Reference manual mechanic metallurgical plant. Sverdlovsk, Metallurgizdat Publ., 1962. 980 p. (in Russian).Марковец, М.П. Определение механических свойств металла по твердости / М.П. Марковец. – М.: Машиностроение, 1979. – 191 с.Markovec M. P. Determination of mechanical properties of metal by hardness. Moscow, Mashinostroenie Publ., 1979. 191 p. (in Russian).Free Simulation Software Ansys [Electronic resource] // ANSYS.COM. – Mode of access: http://www.ansys.com/ Products/Academic/ANSYS-Student. – Date of access: 01.02.2017.Free Simulation Software Ansys. ANSYS.COM. Available at: http://www.ansys.com/ Products/Academic/ANSYSStudent (Accessed 1 February 2017).Ивашкин, А.Г. Анализ деформационного поведения моделей материалов в ANSYS / А.Г. Ивашкин // Математические методы и модели: теория, приложения и роль в образовании: Междунар. науч.-техн. конф. (г. Ульяновск, 28–30 апр. 2014 г.): cб. науч. тр. – Ульяновск, 2014. – С.79–92.Ivashkin A. G. Analysis of deformation behavior of material models in ANSYS. Matematicheskie metody i modeli: teoriya, prilozheniya i rol' v obrazovanii: Mezhdunar. nauch.-tekhn. konf. (g. Ul'yanovsk, 28–30 apr. 2014 g.): sb. nauch. tr. [Mathematical methods and models: theory, application and role in education: International Scientific-Technical Conference (Ulyanovsk, 28–30 April 2014): collection of scientific papers]. Ulyanovsk, 2014, pp. 79–92 (in Russian).Heeres, O.M. A comparison between the Perzyna viscoplastic model and the Consistency viscoplastic model / O.M. Heeres, A.S. Suiker, R. Borst // European Journal of Mechanics – A/Solids. – 2002. – Vol. 21, iss. 1. – P. 1–12.Heeres O. M., Suiker A. S., Borst R. A comparison between the Perzyna viscoplastic model and the Consistency viscoplastic model. European Journal of Mechanics – A/Solids, 2002, vol. 21, iss. 1, pp. 1–12. Doi: 10.1016/s0997-7538(01)01188 3Kren, A.P. Determination of the critical stress intensity factor of glass under conditions of elastic contact by the dynamic indentation method / A.P. Kren // Strength of Materials. – 2009. – Vol. 41, № 6. – P. 628–636.Kren A. P. Determination of the critical stress intensity factor of glass under conditions of elastic contact by the dynamic indentation method. Strength of Materials, 2009, vol. 41, no. 6, pp. 628–636. Doi: 10.1007/s11223-009-9172-xДжонсон, К.Л. Механика контактного взаимодействия / К.Л. Джонсон. – М.: Мир, 1989. – 510 с.Johnson К. L. Contact Mechanics. Moscow, Mir Publ., 1989. 510 p. (in Russian).Рудницкий, В.А. Контроль физико-механических характеристик материалов и изделий по параметрам динамического деформирования: дис. … д-ра техн. наук : 05.11.13 / В.А. Рудницкий. – Минск, 1992. – 355 с.Rudnitsky V. A. Control of physical and mechanical characteristics of materials and products according to the parameters of dynamic deformation. Minsk, 1992. 355 p. (in Russian).Leeb, D. Definition of the hardness value L in the EQUOTIP dynamic measuring method / D. Leeb // VDI Berichte. – 1986. – No. 583. – P. 109–133.Leeb D. Definition of the hardness value L in the EQUOTIP dynamic measuring method. VDI Berichte, 1986, no. 583, pp. 109–133.Рудницкий, В.А. Соотношение динамической и статической твердости металлов / В.А. Рудницкий, А.П. Крень, Г.А. Ланцман // Вес. Нац. акад. навук Беларусі. Сер. фіз.-тэхн. навук. – 2016. – № 4. – С. 16–22.Rudnitsky V. A., Kren A. P., Lantsman G. A. Investigation of the ratio between the dynamic and static hardness of metals Vestsi Natsyyanal’nai akademii navuk Belarusi. Seryya fizika-technichnych navuk = Proceedings of the National Academy of Sciences of Belarus. Physical-technical series, 2016, no. 4, pp. 19–22 (in Russian).Инженерные методы исследования ударных процессов / Г.С. Батуев [и др.]. – М.: Машиностроение, 1977. – 240 с.Batuev G. S., Golubkov Y. V., Efremov A. K., Fedosov A. A. Engineering methods for studying impact processes. Moscow, Mashinostroenie Publ., 1977. 240 p. (in Russian).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.