Введение к работе
Актуальность работы.
В общем машиностроении и энергетике одними их основных несущих элементов конструкций являются трубопроводы, простейшая геометрическая модель которых представляет собой полый цилиндр. Трубопроводы и цилиндры используются для переноса жидкостей и газов (теплоэнергоносителей, химических веществ), в гидравлических и пневматических силовых установках. Трубопроводы находятся под действием вігутреннего давления и осевых сил сжатия или растяжения т.е. в условиях двухосного нагружения различной интенсивности. В эксплуатации соотношение двухосных номинальных напряжений в окружном и осевом направлениях находится в диапазоне от -1 до +1.
Под воздействием условий эксплуатации (термомеханическое нагружение и коррозионная среда) в трубопроводах с течением времени накапливаются и развиваются трещиноподобные дефекты. По данным эксплуатации характер повреждений трубопроводов, нагруженных внутренним давлением и осевой растягивающей или сжимающей силой, связан с наличием несквозных поверхностных трещин с криволинейным фронтом. Подобные дефекты инициируются на внутренней поверхности трубопровода и распространяются по толщине стенки трубы в плоскости, нормальной к направлению наибольшей компоненты двухосных номинальных напряжений.
Вследствие того, что трещина является жестким концентратором напряжений, в области вершины трещины возникают пластические деформации даже при действующих номинальных напряжениях ниже предела текучести. Это говорит о необходимости решения задач несущей способности трубопроводов в упруго-пластической постановке. В самой глубокой точке проникновения трещины реализуются условия близкие к плоской деформации, а в точке выхода трещины на внутреннюю поверхность цилиндра - плоское напряженное состояние.
Наибольший интерес представляют цилиндры с несквозными трещинами, т.к. эксплуатация трубопроводов со сквозными трещинами недопустима, а процесс роста трещины занимает примерно 90% времени с момента ввода в эксплуатацию до разрушения.
В настоящее время отсутствуют фундаментальные решения для несквозной полуэллиптической трещины в цилиндре в упругой и тем более в упруго-пластической постановке. Таким образом, актуальной является задача нахождения распределения полей напряжений и деформаций для определения остаточной прочности и долговечности трубопровода. Существующие подходы не позволяют достаточно точно оценить совместное влияние условий нагружения и геометрии трубопровода на характеристики развития несквозных поверхностных дефектов.
Постановка задачи.
В настоящей работе поставлена цель установить характер совместного влияния геометрии цилиндра и формы дефекта в плане на напряженно-деформированное состояние и остаточную долговечность трубопровода при различных вариантах двухосного нагружения.
Достижение поставленной цели состоит в;
обосновании топологии расчетной модели цилиндра с внутренней поверхностной трещиной;
разработке методики определения параметров напряженно-деформированного состояния (НДС) в нелинейной области вершины трещины;
количественной оценке влияния вида двухосного нагружения на поля параметров НДС в трубопроводах различной геометрии при вариации исходной формы в плане поверхностного дефекта;
разработке методики интерпретации результатов упруго-пластического НДС цилиндра с трещиной;
моделировании скорости развития трещин и прогнозировании остаточной долговечности при двухосном нагружении различной интенсивности и установлении наиболее низких по долговечности вариантов сочетаний геометрических факторов и условий нагружения трубопровода.
Научная новизна работы состоит в:
разработке модели прогнозирования остаточной долговечности трубопровода на основе предельных пластических деформаций во фронте полуэллиптической трещины;
количественной оценке совместного влияния вида двухосного нагружения, геометрии цилиндра и формы трещины в плане на поля параметров НДС в области вершины трещины при упруго-пластическом деформировании;
оценке характера изменения показателя сингулярности вдоль фронта трещины в зависимости от геометрии цилиндра и формы дефекта;
установлении закономерностей изменения вдоль фронта трещины полей параметров НДС при переходе от двухмерного к трехмерному напряженному состоянию в зависимости от геометрии цилиндра и формы трещины при двухосном нагружении;
разработке методики и комплекса программ исследования количественных и качественных характеристик состояния области вершины полуэллиптической трещины с учетом параметра стеснения;
установлении эффектов двухосности нагружения на остаточную долговечность трубопроводов различной геометрии при гармоническом нагружении и с учетом циклов перегрузки.
На защиту выносятся:
топология модели цилиндра с внутренней поверхностной полуэллиптической трещиной при двухосном нагружении;
методика интерпретации и численные результаты решения задач МКЭ в нелинейной области вершины трещины для полярных распределений параметров НДС;
закономерности совместного влияния вида двухосного нагружения, геометрии трубопровода и формы трещины на поля параметров НДС нелинейной области вершины трещины и характеристики остаточной долговечности;
модель развития поверхностной трещины в трубопроводе при циклическом нагружении.
Практическая ценность.
Практическая значимость данной работы заключается в возможности прогнозирования долговечности на стадии роста полуэллиптической трещины в трубопроводе при двухосном циклическом нагружении. В результате выполненного исследования разработаны рекомендации по количественной оценке влияния коэффициента двухосности, геометрии трубопровода и формы трещины на параметры НДС в нелинейной области вершины трешины и характеристики остаточной долговечности.
Методы исследований.
Численные исследования выполнялись на основе метода конечных элементов, методов компьютерного моделирования и программирования.
Достоверность полученных результатов подтверждается
установленным совпадением частных численных решений с литературными данными, полученными другими авторами. Точность аналитических расчетов обеспечивалась строгими математическими постановками.
Реализация работы. Тематика выполненной работы представлена в разделах научных исследований лаборатории Вычислительной механики деформирования и разрушения Исследовательского центра проблем энергетики КазНЦ РАН. Работа в течение трех лет поддерживалась контракгами с Федеральным агентством по науке и инновациям.
Апробация работы. Результаты работы докладывались на Аспирантско-магистерских научных семинарах (Казань, КГЭУ - 2004 г.), на итоговых научных конференциях Казанского научного центра РАН (2005-2010гг.), V и VI Школе-семинаре молодых учёных и специалистов академика РАН В.Е. Алемасова «Проблемы тепломассообмена и гидродинамики в энергомашиностроении» (Казань, 2006, 2008 гг.), на Национальной конференции по теплоэнергетике (Казань, Исследовательский центр проблем энергетики КазНЦ РАН - 200бг), XIX и XX Всероссийской межвузовской научно-технической конференциях «Электромеханические и внутрикамерные процессы в энергетических установках, струйная акустика и диагностика, приборы и методы контроля
природной среды, веществ, материалов и изделий» (Казань, 2007,2008 г.), 15 международной конференции по вычислительной механике и современным прикладным программным системам (г. Алушта, 2007 г.), Sixth International Conference on Low Cycle Fatigue (Berlin, Germany, 2008), Second International Conference on Material and Component Performance under Variable Amplitude Loading (Darmstadt, Germany, 2009), на второй международной конференции «Проблемы нелинейной механики деформируемого твердого тела» (Казань, 2009 г.)
В полном объеме диссертация докладывалась в Институте машиноведения РАН и Исследовательском центре проблем энергетики КазНЦ РАН.
Публикации. Результаты исследований по теме диссертации опубликованы в 19 печатных работах.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов и списка литературы. Материал изложен на 183 страницах, содержит 73 рисунка, 6 таблиц, список литературы состоит йл 129 наименований.
Похожие диссертации на Эффекты двухосности нагружения трубопроводов с внутренним дефектом при нелинейном деформировании
