Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. МЕТОДИКА ИСПЫТАНИЙ ПРИ НЕРЕГУЛЯРНОМ МАЛОЦИКЛОВОМ НАТРУШЕНИЙ
1.1. Методика испытаний 10
1.2. Параметры диаграммы деформирования при статическом растяжении 17
1.3. Методика обработки данных при циклическом нагружении 20
1.4. Программное нерегулярное нагружение 24
1.5. Схематизация нерегулярного нагружения 30
ГЛАВА 2. ЗАКОНОМЕРНОСТИ ДЕФОРМИРОВАНИЯ ПРИ НЕРЕГУЛЯРНОМ
МАЛОЦИКЛОВОМ НАТРУШЕНИЙ ЦИКЛИЧЕСКИ УПРОЧНЯЮЩИХСЯ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ
2.1. Особенности диаграмм циклического упругопластического деформирования 35
2.2. Основные параметры обобщенной диаграммы циклического деформирования алюминиевых сплавов 40
2.3. Закономерности деформирования при нерегулярном малоцикловом нагружении 45
2.4. Кинетика деформирования при нерегулярном малоцикловом нагружении 62
2.5. Обобщенная диаграмма деформирования при нерегулярном малоцикловом нагружении 71
ГЛАВА 3. ЗАКОНОМЕРНОСТИ РАЗРУШЕНИЯ ПРИ НЕРЕГУЛЯРНОМ
МАЛОЦИКЛОВОМ НАГРУЖЕНИИ УПРОЧНЯЮЩИХСЯ СПЛАВОВ
3.1. Анализ методов оценки долговечности 78
3.2. Пластичность материала как мера поврекденности. 84
3.3. Деформационный критерий оценки сопротивления малоцикловой усталости при нерегулярном нагружении 93
3.4. Анализ повреждений и определение долговечности при нерегулярном нагружении 98
ГЛАВА 4. КИНЕТИКА НЕОДНОРОДНОГО ДЕФОРМИРОВАНИЯ И РАЗРУШЕНИЯ ПРИ НЕРЕГУЛЯРНОМ НАГРУЖЕНИИ
4.1. Анализ основных закономерностей деформирования и разрушения при неоднородном деформированном состоянии 107
4.2. Алгоритмы расчета предельных состояний
на стадии образования трещины III
4.3. Местные деформации при нерегулярном нагружении 115
4.4. Оценка долговечности в зонах концентрации напряжений при нерегулярном нагружении 129
4.5. Пример расчета элемента конструкции
при нерегулярном нагружении 134
ВЫВОДЫ 138
ЛИТЕРАТУРА 141
ПРИЛОЖЕНИЕ 155
- Параметры диаграммы деформирования при статическом растяжении
- Особенности диаграмм циклического упругопластического деформирования
- Анализ методов оценки долговечности
- Анализ основных закономерностей деформирования и разрушения при неоднородном деформированном состоянии
Введение к работе
В решениях ХХУІ съезда КПСС, пленумов ЦК КПСС большое внимание уделяется экономии материальных ресурсов и снижения веса машиностроительных конструкций. Претворение в жизнь этих требований ставит перед инженерами задачу постоянного повышения надежности и долговечности деталей и элементов конструкций путем наиболее полного использования их свойств, В свою очередь, решение данной задачи возможно только при глубоком знании поведения тех или иных материалов в реальных условиях эксплуатации и наличии совершенных методов расчета на прочность и критериев оценки поврежденяости,
Особый интерес представляет прогнозирование долговечности элементов конструкций с геометрическими концентраторами напряжений, подвергающихся воздействию нерегулярных нагрузок, в которых при номинальных напряжениях, не превышающих предел упругости, могут возникнуть поля нелинейных упругопластических циклических деформаций.
В настоящее время большинство экспериментальных исследований и расчетов усталостной долговечности различных материалов выполняют при гармоническом нагружении, основанном на замене реального процесса нагружения некоторым схематизированным стационарным процессом. По-видимому, такая идеализация не всегда правомерна, особенно в случаях, когда нагрузка, воздействующая на конструкцию, имеет нерегулярный характер. Для повышения точности оценки эксплуатационного ресурса необходимо разработать методы расчета сопротивления элементов конструкций, имеющих концентраторы напряжений, нерегулярному циклическому нагружеяию.
Поэтому в настоящей работе, на основе экспериментально-теоретических исследований изучается долговечность элементов конструкций, воспринимающих нерегулярные циклические нагрузки с учетом кинетики неоднородного деформирования.
Экспериментальным и теоретическим исследованиям сопротивления циклическому деформированию конструкционных материалов посвящены работы С.В.Серенсена, И.А.Биргера, Р.М.Шнейдеровича, В.Т.Трощенко, Н.А.Махутова, С.И.Кишкиной, В.М.Филатова, А.ЇЇ.Гу-сенкова, В.В.Ларионова, А.З.Воробьева, Ю.А.Свирского, А.Н.Романова, Н.А.Бородина, А.А.Лебедева, М.А.Дауниса, С.Мэнсона, Л.Коф-фина, Б.Лэнджера, Д.Морроу, Н.Даулинга и др. / 1,2,3,4,5,6,7, 8,9,10,11,12,13,14,15,16,17 и т.д. /. Закономерности деформирования при малоцикловом стационарном нагружении достаточно хорошо изучены / 3,5,18,19,20,21,22,23,24 / и существуют различные варианты их аналитического описания / 3,25,26,27,28 /. Сопротивление деформированию для различных случаев нерегулярного нагру-жения рассмотрено в исследованиях / 16,20,26,29,30 /, однако имеющиеся подходы не учитывают ряда основных особенностей кинетики нерегулярного деформирования / 31 / при однородном напряженном состоянии и в зонах концентрации напряжений.
Вопросы, связанные с накоплением повреждений и разрушением в условиях малоциклового нагружения, изучались в работах /1,2, 4,9,12,32,33,34,35,36,37,38,39 /. Изменение характеристик прочности и пластичности статического разрушения в зависимости от числа циклов предварительного циклического нагружения рассмотрены в исследованиях /4,10,40,41,42,43,44 /. В работах / 34, 45,46,47,48,49 / показано, что циклически приложенные средние напряжения или средние деформации вызывают изменение долговечности в сторону снижения. Результаты исследований / 16,46,50,51,
52,53,54,55,56 / также показывают изменение долговечности при приложении перегрузок и при изменении последовательности приложения нагрузки. В общем случае нерегулярного нагружения закономерности разрушения рассмотрены недостаточно. Имеющиеся подходы к оценке долговечности / 16,31,35,47,48,49,57,58 / не учитывают циклическую нестабильность материала.
Изучению закономерностей деформирования и разрушения в условиях неоднородного деформирования посвящен ряд работ / 10,59, 60,61,62,63,64,65,66 /. Эти исследования в основном проводились в условиях внешнестационарного нагружения. В последнее время в инженерной практике получили применение приближенные методы оценки долговечности, основанные на интерполяционных соотношениях между теоретическими коэффициентами концентрации напряжений и деформаций. Применение этих методов для оценки долговечности с учетом кинетики местного деформирования в случае нерегулярного нагружения требует дополнительного изучения.
В авиационной промышленности и в машиностроении к настоящему времени накоплены статистические данные о действующих нагрузках / 67,68,69,70,71,72 /, что позволяет поставить задачу конкретного исследования при нерегулярном малоцикловом нагруже-нии в условиях однородного и неоднородного напряженных состояний.
На основе анализа отмеченных выше работ по проблеме оценки долговечности при малоцикловом нагружении в зонах концентрации напряжений элементов конструкций могут быть сформулированы следующие основные задачи исследования:
Изучение закономерностей деформирования при нерегулярном малоцикловом нагружении.
Изучение закономерностей разрушения при нерегулярном натру- - 7 «
3# Изучение закономерностей деформирования и разрушения в зонах концентрации напряжений при нерегулярном малоцикловом нагружении . 4. Разработка расчетно-экспериментального метода оценки прочности элементов конструкций при нерегулярном нагружении. Разработка метода оценки прочности и долговечности элементов конструкций с концентраторами напряжений из листовых алкми-ниевых сплавов при малоцикловом нерегулярном нагружении на основе определения кинетики местных упругопластических деформаций инженерными методами и составляет основное содержание представляемой работы.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, списка литературы и приложения. В главе I, посвященной методике испытания, описаны исследуемые алкшшиевые сплавы, приведены геометрия и размеры образцов, принцип работы сервогидравлической испытательной системы и способы измерения деформаций. Здесь же приведена методика обработки экспериментальных данных статического и малоциклового нагружения. Определены основные параметры диаграмм статического деформирования. Проведен алгоритм и описание программы нерегулярного программного нагружения на электрогидравлической испытательной машине МФЛ, где производилась обработка диаграммы деформирования в реальном времени при частотах малоциклового нагружения. Приведены алгоритмы программы статистической обработки экспериментальных данных в зависимости от числа циклов.
В главе 2 выполнен анализ закономерностей деформирования при малоцикловом нагружении с постоянными амплитудами и при нерегулярных нагружениях. Для алюминиевых сплавов Діб, ДІ9 и В95 определены параметры диаграмм циклического деформирования при малоцикловом нагружении. Проведено экспериментальное исследование закономерностей кинетики деформирования при асимметричном, ступенчатом и нерегулярном нагружениях с учетом перегрузок. Полученное снижение сопротивления деформированию связывается с величиной остаточной деформации. Показано, в случае нерегулярного малоциклового нагружения для исследованных сплавов возможно описание циклической зависимости "напряжение-деформация" при помощи обобщенной диаграммы циклического деформирования. При этом основными параметрами диаграммы, определяющими историю нагружения, являются число полуциклов нагружения и пластическая деформация. Определены для сплавов Діб, ДІ9 и В95 скалярные параметры , входящие в используемое уравнение состояния в форме деформационной теории пластичности. Сравнение расчетных и экспериментальных значений полных размахов деформаций показало их удовлетворительное соответствие.
В главе 3 проведен обзор и анализ результатов исследований процесса накопления повреждений и разрушения. Выполнено исследование прочностных и деформационных характеристик предварительно циклически деформированных при различных амплитудах и асимметрии мягкого и жесткого нагружения образцов из сплава Діб при статическом растяжении. Показано, что для циклически упрочняющихся материалов основным параметром, определяющим долговечность при малопикловом нагружении, является полный размах деформаций. Для уравнения типа Мэнсона-Коффияа для исследованных сплавов уточнено значение параметра упрочнения ГП , линейно зависящего от полного размаха деформаций. Для определения долговечности и остаточного ресурса материалов с учетом кинетики деформирования при нерегулярном нагружении в условиях однородного напряженного - 9 -состояния реализована программа на Фортране-1У для ЭВМ ЦЩІ-ІІ. Сопоставление расчетных и экспериментальных значений долговеч-ностей для случая нерегулярного нагружения дало удовлетворительные результаты. Выполнены расчеты по оценке процееса накопления повреждений для различных задач нерегулярного нагружения. В четвертой главе проведен обзор методов определения кинетики неоднородных напряженно-деформируемых состояний. Приведены алгоритмы расчета кинетики неоднородного деформирования по интерполяционным формулам Нейбера, Махутова и Хардрата-Оглана. Экспери-метально исследована кинетика местных деформаций в зоне концентрации напряжений с применением тензорезисторов и муаровых полос для различных программ нерегулярного нагружения. Построены кривые усталости для различных конструкционных материалов.
Результаты и основные положения диссертации изложены в работах /31,33,70,73,74,75/, а также докладывались на Ш конференции молодых ученых ЙМАШ (Москва, 1983 г.), на Всесоюзном симпозиуме "Малоцикловая усталость-механика разрушения, живучесть и материалоёмкость конструкций" (Краснодар, 1983 г.), на IJ Всесоюзном научно-техническом совещании "Динамика и прочность поврежденных конструкций авиационной техники" (Вага, 1983 г.), на ІУ .. и 7 Республиканской конференции молодых ученых и специалистов (Якутск, 1982 и 1984 гг.).
Работа выполнена в лаборатории циклической пластичности Института машиноведения им. А.А.Благонравова АН СССР под руководством проф.,д.т.н. Н.А.Махутова. Автор выражает глубокую признательность Н.А.Махутову, О.А.Левину и коллективу лаборатории за внимание и помощь в работе.
Параметры диаграммы деформирования при статическом растяжении
Характеристики диаграммы статического растяжения являются базой для исследования поведения материалов в конструкциях, подверженных более сложным случаям нагружения. Эти данные определяются по результатам статических испытаний образцов с записью диаграммы деформирования вплоть до разрушения. По диаграмме устанавливаются пределы текучести, прочности, равномерное и полное удлинение образцов.
Диаграммы растяжения образцов из сплавов Діб. ДІ9, В95 были получены при скоростях деформирования I.3-I0 , сек. В расчетах кинетики циклического деформирования используются два способа аппроксимации диаграмм статического растяжения: I) Дискретизация кривой деформирования (таблица 1.2); 2) аппроксимация кривой деформирования степенной функцией в относительных координатах. При степенной аппроксимации диаграмм деформирования исследованных алюминиевых сплавов оказывается необходимым, в отличие от ряда конструкционных сталей, разделить нелинейную ее часть на два участка, каждая из которых описывается следующим образом / 2 /.
class2 ЗАКОНОМЕРНОСТИ ДЕФОРМИРОВАНИЯ ПРИ НЕРЕГУЛЯРНОМ
МАЛОЦИКЛОВОМ НАТРУШЕНИЙ ЦИКЛИЧЕСКИ УПРОЧНЯЮЩИХСЯ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ class2
Особенности диаграмм циклического упругопластического деформирования
Для изучения закономерностей деформирования и разрушения при нерегулярном малоцикловом нагружении необходимо обобщение результатов исследований, полученных для различных частных случаев рассматриваемого нагружения (стационарное, ступенчатое, асимметричное и с перегрузками), из которых наиболее глубоко изучен случай стационарного малоциклового нагружения. Закономерности деформирования материалов для этого случая нагружения рассмотрены в работах /2,3,4,5,6,18,25/.
Изучению закономерностей сопротивления деформированию образцов при сложной истории нагружения посвящен ряд работ /15,16,18, 20,26,31,45,82,83 /. При исследовании кинетики деформирования в случае асимметричного малоциклового нагружения / 82 / получены одинаковые эффекты от растягивающих и сжимающих средних напряжений. По результатам исследований диаграмм циклического деформирования материала от предыстории нагружения при разнообразных линейных изменениях амплитуды деформаций и напряжений в работе / 26 / установлены следующие качественные свойства кривых деформирования: а) при постепенном уменьшении и последующем увеличении амплитуды нагрузки имеет место симметричная кривая деформирования; б) выход за пределы установившейся петли гистерезиса возможен только при нагрузках, превышающих максимальные напряжения, достигнутые при предыдущем нагружении. В работе / 83 / исследована кинетика петли гистерезиса в случае чередования циклического нагружения и старения.
При циклическом упругопластическом деформировании наиболее важным является вопрос описания функциональных зависимостей между напряжениями и деформациями. Известны различные варианты аналитического выражения этой зависимости. В исследованиях Г.Мазин-га, В.В.Москвитина, Н.И.Афанасьева, Айвена, Н.И.Черняка и Д.А. Гаврилова сделаны попытки аналитического описания диаграмм циклического деформирования на основе моделей среды с различными статистическими и циклическими свойствами подэлементов / 5,27 /.
class3 ЗАКОНОМЕРНОСТИ РАЗРУШЕНИЯ ПРИ НЕРЕГУЛЯРНОМ
МАЛОЦИКЛОВОМ НАГРУЖЕНИИ УПРОЧНЯЮЩИХСЯ СПЛАВОВ class3
Анализ методов оценки долговечности
На основе изучения зависимости (3.3) предложена гипотеза об исчерпании предельном пластичности статического растяжения циклическим пластическим деформированием. Введение этой гипотезы послужило причиной более детального экспериментального изучения этой зависимости. Интересные результаты получены А.Н.Романовым / 25 /. 1 показано, что выражение (3.3) справедливо лишь в ограниченном диапазоне значений исходной пластичности материалов (от 60% до 70%), Расчет долговечности по этой формуле для материалов с Ук 70% дает завышенные, а при VK 60%-заниженные значения. Исследование диаграмм статического растяжения показало, что для циклически упрочняющихся материалов продольная равномерная деформация больше половины предельной пластичности ( Єк ), для циклически рочняющихся материалов врав 0.5 6if и для стабильных материалов брав =0.5 2К / 25 /. Проведенные исследования позволили постоянную С определять из условия С= б pag . Эта же постоянная Н.А.Махутовым
Анализ основных закономерностей деформирования и разрушения при неоднородном деформированном состоянии
Одной из важных задач обеспечения прочности является определение долговечности элементов конструкций с концентраторами напряжений при действии нерегулярного нагружения. Решение этой проблемы сопряжено с необходимостью исследования кинетики напряженно-деформируемого состояния по числу циклов нагружения.
Обзор и результаты аналитического и экспериментального изучения напршкений и деформаций в местах концентрации содержатся в работах / 2,62,63,83,89,94,98,99,100,101,102,103,104 /. Проблемы, связанные со сложным напряженным состоянием, рассмотрены в исследованиях / 105,106 /. Из множества моделей широкое применение в расчетах получила теория малых упругопластических деформаций А.А.Ильюшина / 105 /. Применение данной теории для случая простого циклического нагружения обобщено В.В.Москвити-ным / 107 /. В работе А.П.Гусенкова / 3 / получен результат, показывающий независимость обобщенной диаграммы циклического упругопластического деформирования от вида и типа нагружения.
Экспериментальному изучению закономерностей деформирования и разрушения при неоднородном деформированном состоянии в условиях статического и повторного действия нагрузок посвящены работы / 62,63,64,65,102,108 /. При исследовании полей неоднородных деформаций методом муаровых полос / 108 / отмечено, что при значительных номинальных напряжениях происходит снижение коэффициента концентрации деформаций и сделан вывод о том, что в развитых пластических зонах не наблюдается подобия между распределением упругих и пластических деформаций. При исследовании процесса деформирования в зоне концентрации методом тензометрии получено / 62 /, что в процессе циклического нагружения могут последовательно проявляться процессы упрочнения, разупрочнения и одностороннего накопления деформаций. В исследованиях / 14, 75 / показано, что с увеличением коэффициента концентрации напряжений кинетика деформирования стабилизируется, т.е. реализуется жесткая схема нагружения.
