COMPUTER AND NUMERICAL MODELING OF THE THERMOMECHANICAL STATE OF BIMETALLIC STRUCTURAL ELEMENTS

Authors

DOI:

https://doi.org/10.32782/3041-2080/2025-5-16

Keywords:

bimetallic strip, numerical modeling, stress-strain state, temperature, elasticity, rolling equipment, iterative calculation, thermodeformation, bending moment, structural clamping, systems analysis, 3D model, CAD system

Abstract

The article addresses the mathematical modeling of the stress-strain and elastic-plastic states of two-layer bimetallic strips, which are important structural elements of rolling equipment operating at elevated temperatures.The relevance of this study is determined by the widespread use of bimetals in zones of intensive friction and dynamic loading, where high wear resistance, thermal stability, and efficient use of scarce materials are required, as well as accurate prediction of their behavior under complex physical-mechanical factors and operational conditions.A numerical model is proposed that accounts for different types of structural clamping of the strips (rigid, partial, free) and a non-uniform temperature distribution across the thickness, approximated by a power function. The model implements discretization of the two-layer composite into a finite number of elementary volumes, for each of which temperatures, deformations, and normal stresses are calculated, taking into account linear thermal expansion and material yield limits. Special attention is given to the implementation of iterative algorithms for adjusting the length and curvature of the strips depending on boundary conditions (zero force or moment). A system analysis approach is used, and a parametric 3D model developed in a CAD system enables comprehensive evaluation of structural behavior, detailed visualization of results, and optimization of geometric and material parameters. Graphical results of the numerical simulation demonstrate the non-monotonic nature of stress and deformation distribution across the thickness. The proposed model can be effectively used for the design and optimization of bimetallic components in rolling equipment, as well as for detailed analysis of thermomechanical processes in composite and multilayer materials of various technical applications.

References

Altenbach H., Bogdanov V., Grigorenko A. Y., Kushnir R. M., Nazarenko V. M., Eremeyev V. A. (eds) Selected Problems of Solid Mechanics and Solving Methods. Advanced Structured Materials, vol 204. Springer, Cham. https://doi.org/10.1007/978-3-031-54063-9

Кулік Т. О. Виробництво листового металопрокату з використанням режимів теплого деформування. Перспективи розвитку, розширення сфери використання та вдосконалення технологій і обладнання: монографія. Краматорськ : ДДМА, 2020. 128 с. ISBN 978-966-379-958-2.

Калюжний В. Л. Комп’ютерні методи моделювання процесів виготовлення конструкцій літальних апаратів: конспект лекцій. Київ: КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2022. 176 с.

Основи системного аналізу. Конспект лекцій: методичні рекомендації з дисципліни «Системний аналіз» / укладачі: Цибко Г. Ю., Горошко Ю. В. Чернігів : НУЧК, 2025, 117 с.

Tilley S., Rosenblatt H. J. Systems Analysis and Design. Cengage Learning, 2021. 752 с. ISBN: 9780357117811.

Satzinger J. W., Jackson R. B., Burd S. D. Systems Analysis and Design in a Changing World. Cengage Learning, 2020. 720 р. ISBN: 9781305117204.

Valacich J. S., George J. F. Modern Systems Analysis and Design. Pearson Education, 2020. 552 р. ISBN: 9780135791578.

Dennis A., Wixom B. H., Tegarden D. Systems Analysis and Design: An Object-Oriented Approach with UML. John Wiley & Sons, 2021. 544 р. ISBN: 9781119561217.

Патент 21238 України МПК В 23 К 20/04. Спосіб виробництва двошарових біметалевих листових композицій / В. А. Федорінов, О. В. Сатонін, А. О. Сатонін, Д. Ю. Міхєєнко; Донбаська державна машинобудівна академія. No 2006 07687; заявл. 10.07.06; опубл. 15.03.07; бюл. No 3. 8 с.

Міхєєнко Д. Ю., Грудкіна Н. С. Теоретичні дослідження процесу виробництва прокаткою відносно товстих двошарових біметалевих листових заготівок з механічним з’єднанням. Науковий Журнал Метінвест Політехніки. Серія: Технічні науки. 2024. № 1. С. 7–12. URL: https://doi.org/10.32782/3041-2080/2024-1-1

Published

2025-11-10