Введение к работе
Актуальность проблемы. Сварные крупногабаритные металлокон
струкции широко применяются в различных отраслях прсмьшленности.
К таким объектам относятся металлоконструкции портовых перегру
зочных машин, экскаваторов, морских стационарных платформ, шах
тных копров, ачтенно-мачтовых конструкций и других уникальных
ответственных сооружений, работающих в условиях квазистатических,
циклических и динамических случайных нагрузок, коррозионных сред,
низких климатических температур. Изготовляют металлоконструкции
из элементов прокатных профилей, по типам подразделяются на фер
менные, коробчатые, трубчатые, йэ прокатных' профилей изготовляют,
также, крупногабаритные сварные детали машин, корпусные конструк
ции, тяги, оттяжки, балки, станины и др. '
Методы расчета сварных крупногабаритных металлоконструкций при проектировании основаны на классических подходах механики сплошной среды. Анализ случаев катастрофического разрушения инженерные конструкций при напряжениях значительно ниже предела текучести свидетельствует с недостаточности классических критериев оценки прочности материалов пс упругому или пластическому состоянию. Причиной разрушения чаете является наличие в материале трещин или трещинслодобннх дефектов эксплуатационного, конструкционного, металлургическсго или технологического происхождения, слабое сопротивление материала распространения) в нем трещины, низкая тре-щиностейкость материала при Бездействии эксплуатационных нагрузок, сред, климатических температур.
Новые методы исследования и расчета конструкций с учетом дефектности материала, характеристик его трещине-стойкости и вида нагружения развиваются и усовершенствуются с позиции нового направления з механике деформируемого твердого тела - механики хрупкого
разрушения. Перспективность этого направления заключается в расширении возможностей прогнозирования долговечности конструкции применительно к условиям эксплуатации как на стадии зарождения трещины, так и на стадии ее устойчивого распространения.
Наряду со значительными результатами в области фундаментальных исследований прикладные разработки в области мезаники трещин на инженерном уровне еще малочисленны. Обобщающие труды, посвященные проблемам прочности и надежности крупногабаритных металлоконструкций с позиций механики разрушения материалов, практически отсутствуют. В то же время различные приложения методов и концепций механики разрушения уже нашли применение .в таких приоритетных отраслях лромыиленности, как авиация, космонавтика, атомная энергетика, в некоторых областях металлургической прсмышлен- . нести и др.
Методология прогнозирования остаточного ресурса металлоконструкций и деталей машин в настоящей работе показана на примере металлоконструкций портовых перегрузочных машин, которые относятся к объектам позккенной опасности, подконтрольны органам Государственного надзора, работают в условиях высоких динамических нагрузок, коррозионных сред, низких климатических температур, имеют широкое распространение в морских и речных портах, других отраслях промышленности. К таким магаинам относятся портальные краны, контейнерные перегружатели, перегрузочные комплексы циклического действия, контейнеровозы, судовые краны, плавкраны и др..
Работа является первой попыткой обоснования концепции "безопасного повреждения" крупногабаритных сварных металлоконструкций портовых перегрузочных машин на основе обобщения современных достижений в области механики хрупкого разрушения. В работе обобщены результаты советских и зарубежных специалистов, занимающихся исследованиями в области технического диагностирования, машиноведе-
ния, методов механики разрушения. Выполненные исследования являются продолжением и дальнейшим развитием работ Андрейкива А.Е., ГузьА.И. Ивановой B.C., Каминского А.Я., Лебедева А.А., Лобанова Л.М., Ма-хутова Н.А., Морозова S.M., Никифорчина Г.Н., Олейника Н.В., Осад-чука З.А., Панасюка В.В., Писаренко Г .С, Подгорного А.Н., Романи-ва С.Н., Трощенко В.Т. и др.
Цель работы - создание элективных методов диагностирования и прогнозирования остаточного ресурса сварных крупногабаритных металлоконструкций и деталей машин с усталостными трещинами и тре-щиноподобными дефектами, и обоснование на этой основе концепции "безопасного повреждения" конструкции применительно к рассматриваемому классу машин.
Объект исследования - сварные металлоконструкции портовых перегрузочных машин.
Научная новизна .работы определяется системным подходом к опенке напряженно-деформированного состояния элементов конструкций с трещинами на основе которого представлена методология расчета остаточного ресурса сварных крупногабаритных металлоконструкций и деталей машин с усталостным повреждением , учитывающая влияние особенностей конструкции, характеристик применяемых сталей, климатических температур, эксплуатационных нагрузок и коррсзионнс-активных сред. Решение проблемы прогнозирования долговечности ме- . таллоконструкций с трещинами построено на основе единой методологической концепции, включающей: методику расчета остаточного ресурса сварных металлоконструкций с трещинами; методы определения коэффициентов интенсивности напряжений типовых силовых схем элементов конструкций с трещинами; энергетическую модель усталостного разрушения, учитывающую влияние эффектов нерегулярности нагру-жения конструкции; методику определения характеристик низкотемпературной трещиностойкости сталей и зон сварных соединений при статическом, динамическом, циклическом нагрулениях; методику ис-
следования коррозионно-циклическои трещине-стойкости сталей и зон сварных соединений, коррозионного растрескивания, кинетических эффектов в вершине коррозионных трещин при циклическом нагруже-нии ; метод тестового диагностирования металлоконструкций, основанный на инфракрасной эмиссии сталей при деформациях. Основные положения, выносимые на защиту.
-
Методология прогнозирования остаточного ресурса сварных металлоконструкций и деталей машин, концепция "безопасного повреждения" конструкции с трещинами усталостного и коррозионно-усталостного происхождения.
-
Методика расчета остаточного ресурса сварных металлоконструкций и деталей портовых перегрузочных машин с учетом нерегулярности нагрукения конструкции. ,
-
Характеристики низкотемпературной треіциностемкости сталей и зон сварных соединений металлоконструкций при циклическом, статическом и динамическом напруженнях.
-
Характеристики коррозиокне-ииклической трецинсстсйкссти сталей и зон сварных соединений металлоконструкций с учетом влияния коррозиенно-активных эксплуатационное сред.
-
Критические температуры вязкохрупкогс перехода сталей и зон сварных соединений металлоконструкций портсвых перегрузочных машин.
-
Неконтактный тестовый метод диагностирования металлоконструкций, основанный на инфракрасной эмиссии сталей при упруго-пластических деформациях.
Аппобация работы. Содержание работы и основные результаты обсуждались: на мевдунаредной конференции "Сварные конструкции" (Киев, 1990); на Первой Всесоюзной конференции "Механика разрушения материалов" (Львов, 1987); на ХХУ Сессии научного Совета Академии Наук СССР "Новые металлические материалы" (Няев, 1969); на Сессии НТС Госкомитета СССР пс науке и технике, секция "Прсч-
ность крупногабаритных конструкций" (Вільнюс, 1967); на УІ Всесоюзной конференции "Физика разрушения" (Киев, 1989); на ХШ Всесоюзной научно-технической конференции "Структура и прочность материалов в широком диапазоне температур" (Каунас, 1989); на Всесоюзной конференции "Методы и средства нераэрушающего контроля" Государственный оптический институт им. С.И.Вавилова (Москва, 1985); на совещании Республиканского межведомственного научно-технического Совета по коррозии и противокоррозионной защите металлов АН УССР, проблема "Морская коррозия и надеясность техники в коррозионных средах" (Киев, 1988); на ІУ научно-технической конференции, институт, проблем прочности АН УССР "Повьшение надежности и долговечности машин и сооружений" (Киев, 199I); на заседаниях научно-методической комиссии научно-технического Совета Госстандарта СССР, секция "Расчеты испытания на прочность" (Москва 1986, 1987, 1988); на заседаниях научно-технического Совета республиканского комитета Госгортехнадзсра УССР (Одесса, 1967, 1991); на объединенном заседании кафедр "Подъемно-транспортные машины", "Механизации и автоматизации портов", "Деталей машш и теории машин и механизмов" Одесского института инженеров морского флота (Сдесса, 1992); на расширенном заседании кафедры "Динамика и прочность машин" Харьковского политехнического института (Харьков, 1992); на научном семинаре 'Еизикс-механического института АН Украины (Львов, 1992).
Связь темы диссертация с государственными программами: Диссертационная работа являлась составной частьа плана научно-исследовательских работ АН СССР по $ундаменгальным проблемам машиностроения на 1986 - 1990 гг., Постановление Президиума АН СССР № 642 от 21.05.1986 г., выполнялась в рамках межотраслевой целевой научно-технической программы на 1985 - 1990 гг. ".Диагностирование, прогнозирование ресурса и антикоррозионная защита металлоконструкций грузоподъемных машин на предприятиях министерства морского флота
и министерства энергетики и электрификации СССР", утвержденной Президентом АН ^ССР, заместителем министра морского флота СССР, заместителем министра энергетики и электрификации СССР.
Достоверность оснопнчх научных внпопгя. Сснозные научные положения и зызоды по работе хорошо согласуются с современным уровнем развития механики хрупкого разрушения, подтверждаются хорошей сходимостью результатов теоретических и экспериментальньк исследований, полученных в эксплуатационных условиях на промышленных объектах.
Исследования материалов на трещиностойкость и тепловизион-ные измерения проводились с использованием стандартных методик и программ расчетов на ЭВМ.
Реализация результатов работы. Результаты исследований внедрены на 42 предприятия?: с подтвержденным экономическим эффектом в народном хозяйстве около б млн.руб. (цены 1955 - 1990 гг.) и используются: в расчетной практике при экспертных оценках остаточного ресурса спарннх металлоконструкций; в нормативных документах по технической эксплуатации портовых перегрузочных машин (РД 31. 44.20-84, РД 31.44.37-89); в учебном процессе при чтении курса "Эксплуатация портовых перегрузочных машин!1.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 46 научных работ, в тем числе две монографии.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, списка литературы и приложений. Основной текст кзлекек на 265 страницах, таблиц 7 , рисунков 112,приложения 63 страницы,список литературы включает 293 наименования.
