Введение к работе
Актуальность и состояние проблемы. Одной из основных-тенденций научно-технического прогресса является создание и увеличение числа уникальных инкенерннх сооружений, машин и конструкций различного назначения, представляющих собой сложные технические системы, что предъявляет повышенные требования к решению задач прочности, надежности и живучести в рамках системного подхода на всех стадиях проектирования, производства и эксплуатации.
Промышленное развитие районов Сибири и Крайнего Севера России связано с увеличением объемов разработки полезных ископаемых открытым способом на базе широкого использования экскавационного оборудования повышенной единичной мощности. Это обуславливает принципиально новый уровень решения проблемы эксплуатационной надежности горнодобыващэй техники. Однако опыт ее эксплуатации в условиях низких, климатических температур свидетельствует о недостаточном внимании к данной проблеме, многочисленные случаи отказов и аварий машин, металлоконструкций и механического оборудования послужили основанием для выработки целенаправленных научно-технических концепций создания техники северного исполнения.Важной составной частью втих концепций является постановка задач прочности,надежности и живучести,реализация которых могла бы обеспечить требуемые уровни эксплуатационных показателей (задача ресурсного проектирования). Современные карьерные экскаваторы представляют собой высокопроизводительные крупногабаритные механические системы, относящиеся к категории объектов повышенной на-укоемкости. В то же время существукций научно-технический уровень решения звдач ресурсного проектирования в области вкскаваторост-роения не соответствует современным технико-экономическим требованиям, предъявляемым к надежности машин, особенно эксплуатируемым при пониженных температурах, их металлоемкости и ресурсу. Это обусловлено наряду с другими причинами, отсутствием расчетных оценок показателей надежности и живучести типовых элементов металлоконструкций и низким уровнем обеспечения нормативно-технической документацией, регламентирующей проведение расчетов.
В связи с этим,создание научных основ анализа прочности, надежности и яствучести карьерных экскаваторов, разработка на этой основе расчетно-вксперименталышх методов оценки показателей ре-
сурсного проектирования представляется актуальной проблемой, имеющей важное народнохозяйственное значение.Решение данной проблемы возможно на путях использования теоретических и экспериментальных методов теории надежности механических систем и механики разрушения. Сжшость анализа предельных состояний элементов крупногабаритных механических систем и конструкций с учетом развития технологической и эксплуатационной дефектности, отсутствие в отечественной и зарубежной практике соответствующих систематических исследований в области экскавагоростроения обуславливают необходимость специального рассмотрения вопросов практического использования методов механики разрушения для прогнозирования показателей надежности и живучести. Постановка и решение этой фундаментальной проблемы составляют основу данной работы. Основанием для ее выполнения послужили:
План научно-исследовательских работ АН СССР по фундаментальным проблемам машиностроения (Постановление Президиума АН СССР N Б42 от 21.05.1986 г.), раздел 5 тема 3.4 "Разработать методы расчетной и экспериментальной оценки прочности и живучести сверхтяжелых экскаваторов";
Координационный план Научного совета Президиума АН СССР "Новые процессы получения и обработки металлических материалов" по поблеме "Физико-химическая механика разрушения конструкционных материалов" на 1986-1990 гг. Тема 9.3.3 "Разработка методов расчета на 'трещиностойкость деталей и элементов конструкций карьерных экскаваторов";
Программа СО АН СССР "Механика, научные основы машиностроения и надежности машин". Тема"Разработка расчетно- экспериментальных и технологических методов повышения прочности и ресурса элементов крупногабаритных машин и конструкций" (I987-I99Q гг.). Тема "Развитие методов математического моделирования, раочетно-експеримэн-тальной оценки живучести и безопасности при проектировании технических систем" (I99I-I995 гг.);
Постановление ГКНТ СССР N 863 от 06.06.91 г. по проблеме "Научное и технологическое обеспечение создания техники для Севера." Тема "Разработка расчегно-экоперименталышх методов оценки надек-нооти оваршх металлоконструкций карьерных экскаваторов в северном исполнении.";
План НИР МЖК "Надэишоагь машин".Задание "Разработать алгорит-
мы и программное обеспечениз автоматизированной системы "Прогноз живучести машин и конструкций» различного назначения"(Письмо Первого заместителя генерального директора от 23.11. 1988 г. N АГ-5І).
Программа АН СССР "Повышение надежности системы "машина- человек- среда". Гема "Развитие методов математического моделирования и расчетно-эксперимантальной оценки живучести при проектировании крупногабаритных конструкций";
Проблема 2.2.2 КП НТП СЭВ. Тема 25.4.3 "Разработка методов рас-четно-экспериментального определения прочности машин и конструкций по критериям хрупкого разрушения с учетом дефектов".
Цель диссертационной работы заключается в разработке научных основ и методов анализа надежности и живучести крупногабаритных сварных металлоконструкций с исходной технологической и эксплуатационной дефектностью и: их прилокение. к расчетам металлоконструкций карьерных экскаваторов по критериям механики разрушения и теории надежности механических систем.
Научная новизна работы заключается в развитии расчетно-экспери-мен тальшх методов нелинейной механики разрушения и совершенствовании системы расчетов показателей живучести и надежности крупногабаритных сварных конструкций на примере металлоконструкций карьерных экскаваторов. Основные научные результаты, защищаемые автором:'
-
Структурно-элементная система расчетов показателей прочности, надежности и живучести металлоконструкций карьерных экскаваторов.
-
Причинно-следственный комплекс формирования отказов и показатели эксплуатационной надежности карьерных экскаваторов.
-
Разработанные методы экспериментального определения характеристик упругопласгического разрупшшя малоуглеродистых и низколегированных сталей и их сварных соединений при статическом и циклическом нагружениях с оценкой влияния эксплуатационных факторов (температура, скорость нагружения) и определением параметров функций их распределения. Формирование базы данных характеристик статической и циклической трещинсстойкосги сталей.применяемых в экскаваторострое-нии.
-
Формулировка и обоснование уравнений оценки предельных состояний плоских элементов конструкций с трещинами,, расположенными в полях однородных и нелинейных (зоны концентрации напряжений, остаточные напряжения сварки) напряжений на основе энергетического критерия разррения (уравнения J-проектноЙ кривой) при статическом и
циклическом нагружениях.
5. Данные анализа технологической дефектности сварных соединений с оценкой параметров функций распределения размеров дефектов (норы, шлаковые включения, непровары, подрезы) и методика их нормирования г связи с заданным уровнем надежности'сварных соединении.
-
Методы ценки надежности (вероятности безотказной работы) сварных соединений и конструкций по критериям механики разрушения на основе предложенной вероятностной модели, метода статистического моделирования кинетики разрушения и теории структурной надежности.
-
Методы испытаний и оценки сопротивления слоистому растрескиванию сварных соединений малоуглеродистых и низколегированных сталеі с использованием уравнения J-проекгной кривой.
-
Расчеты показателей прочности, надежности и кшзучести элементов металлоконструкций карьерных вкскаваторов, включая анализ напряжённо-деформированного состояния, нормирование запасов прочности и методологию решения задач ресурсного проектирования'на основе полных вероятностных диаграмм кивучести и диаграмм нормирования показателей живучести.
Практическая ценность и внедрение результатов работы, состоит в том, что полученные результаты исследований представляют собой единый комплекс решения задачи обеспечения'заданного уровня эксплуатационной надежности крупногабаритных сварных конструкций, реализованный на примере расчетов металлоконотрукций карьерных экскаваторов.
Результаты диссертационной работы использованы при разработке следующих нормативно-технических документов:
-
ГОСТ 25.506-85. Расчеты и испытания на прочность. Методы механических испытаний металлов. Определение характеристик тре-щиностойкости (вязкости разрушения) при статическом нагруже-нии.- М.: Изд.стандартов, 1985.-61с.
-
РД 50-260-81. Методические указания. Расчеты и испытания на прочность в машиностроении. Методы механических испытаний металлов. Определение характеристик вязкости разрушения (трещи-ноотойкости) при статическом нагружении. -М: Изд. стандартов, 1982.- 5бс.
-
РД 50-344-82. Методические указания. Расчеты и испытания на прочность в машиностроении. Методы механических испытаний металлов. Определение характеристик вязкости разрушения (треда-ноотойкооти) при динамическом нагружении.- И.: Изд.стандартов,
1983.- 52c.
-
MP 71-82. Методические рекомендации. Расчеты и испытания на прочность. Метода механических испытаний металлов.Определение характеристик вязкости разрушения (трещиностойкости) на стадии остановки трещины.- М.: BOTHMAIU, 1982.- 27с.
-
MP 1-89. Методические рекомендации. Расчеты и испытания на прочность. Расчетные методы определения несущей способности и долговечности элементов машин и конструкций. Расчеты на прочность по критериям механики разрушения. Общие положе-ния.-М.: НМКС по механике разрушения, 1989.- 14с.
-
РМ-НМКС-1-89. Расчеты и испытания на прочность. Методы механических испытаний металлов. Определение критических коэффициентов интенсивности деформаций при статическом нагружении. -М.: НМКС по механике разрушения, 1989.- 14с.
-
РТМ. Расчеты и испытания на прочность. Методы расчета на тре-щиностойкость металлоконструкций мостовых кранов при статическом и циклическом нагружении.- Красноярск: Ассоциация КОДАС, 1990.- 59с.
-
РТМ.(Проект). Расчеты и испытания на прочность. Методы расчета на трещиностойкость металлоконструкций карьерных экскаваторов при статическом и циклическом нагружении по коеффициентам запаса прочности.-Красноярск: Ассоциация КОДАС- НІЛІ "СибЭРА", ВЦ СО РАН, 1992.- 78с.
Результаты, полученные в рамках диссертационной работы, оформлены в виде альбома научно-технической документации "Расчет предельного состояния крупногабаритных деталей и элементов металлоконструкций экскаваторов", вошли составной частью в указанные выше нормативно-технические документы, внедрены в Отделах главного конструктора ГП "Крастятоащ" и ПО "Сибтяжмаш", что подтверждается соответствующими актами внедрения (суммарный экономический эффект - 654.0 тыс.руб. в ценах 1991 г.) и переданы для использования в ПО "Уралмаш" и ВО "Ижорский завод".
Достоверность и обоснованность научных полонений и выводов работы обеспечиваются соответствием результатов расчета о экспериментальными данными и результатами моделирования на ЭВМ, а также сопоставимостью с известными решениями и результатами. Достоверность полученных результатов, в частности при определении характеристик трещиностойкости, достигается использованием современных методов испытаний, средств измерений и испытательного оборудова-
ния, обвспечиващих достаточную точность регистрации требуемых параметров,а также применением ЭВМ для обработки экспериментальных данных.
Личный вклад автора заключается в постановке данного исследования, формулировке и разработке всех основных положений, определяющих научную новизну работы, а также практическую ее значимость, непосредственном участии в проведении всех этапов исследовании, руководстве ими и внедрении полученных,результатов. Часть экспериментальных и расчетных результатов получена при участии аспирантов, сотрудников лаборатории металлических конструкций Красноярского ПромстройШИпроекта и лаборатории прочности крупногабаритных конструкций ВЦ СО РАН, которым автор выражает глубокую благодарность за помощь в работе. Особую признательность автор выражает чл.-корр.РАН Н.А. Махутову за ценные советы и внимание к работе.
Апробация работы. Основные результаты .диссертации' докладывались на IV Всесоюзной конференции "Экспериментальные исследования инженерных сооружений" (Казань, 1977); на Всесоюзной научно-технической конференции "Разрреше металлов и сварных соединений при низких температурах" (Якутск, 1978); Международной конференции "Хрупкое разрушение материалов и конструкций" (Пльзень, ЧССР,1978); на 1,11,111 Всесоюзных симпозиумах по механике разрушения (Киев, 1978; Іитомир, 1985; 1990); на 8 и-9 Всесоюзных совещаниях по тепловой микроскопии металлических материалов (Москва, 1978; Фрунзе, 1980); Всесоюзной наччно -технической конференции "Проблемы развития строительно-дороя-ной техники для работы в условиях Сибири и Севера" (Красноярск, 1981); Всесоюзной научно-технической конференции "Пути повышения конструкционной прочности металлов и сплавов" (Вильнюс, 1982); Всесоюзной конференции "Прочность материалов и конструкций при низких температурах" (Киев, 1982); на IV Всесоюзном симпозиуме "Малоцикловая усталость, механика разрушения, живучэоть и материалоемкость конструкций" (Краснодар, 1983); научно-техничеокой конференции "Применение методов механики разрушения в расчетах строительных металлических конструкций на хрупкую прочность и долговечность" (Красноярск, 1984); на совещании "Разрушение металлов и конструкций при низких температурах" (Ленинград, 1985); научно-технической конференции "Методы оценки и пути повышения трещиностойкости и
надежности труб, трубопроводов и сосудов давления" (Челябинск, 1985); научно-техническом семинаре "Конструкционная прочность и механика разрушения сварных конструкций (Ленинград, 1986); на VI Всесоюзном съезде по теоретической и прикладной механике (Ташкент, 1986); на Всесоюзном симпозиуме с участием специалистов стран - членов СЭВ "Нормирование прочности и ресурса. высоконагрукенных мвшин" (Суздаль, 1986); Всесоюзной научно-технической конференции "Эксплуатационная надежность машин, робогов и модулей гибких производственных систем" (Свердловск," 1987); на I Всесоюзной конференции "Механика разрушения материалов" (Львов, 1987); на заседании секции "Прочность крупногабаритных конструкций" КТО "Конструкционная прочность и разрушение" ГКНГ СССР (Паланга, 1987); Всесоюзном совещении "Прочность и надежность экскаваторов,для открытых горных работ" (Красноярск, 1988); научно-технической конфэренции "Вопросы создания и. эксплуатации строительно-дорожной и горной техники" (Красноярск, 1988); на советско-чехословацком совещании го хрупкой и усталостной прочности горнодобывающей техники северного исполнения (Москва, 1988); на Сибирской школе по современным проблемам механики деформируемого твердого тела (Якутск, 1990); Всесоюзной конференции ^Ковая техника и технология при производстве строительных и открытых горных работ в районах Сибири и Севера""(Красноярск, 1990); на Всесоюзной научно-практической конференции "Прогресс .и безопасность" (Тюмень, 1990); Всесоюзной научно-технической конференции "Прогрессивные процессы сварки в машиностроении" (Красноярск, 1991); на XI международном коллоквиума "Механическая усталость металлов" (Киев, 1991); на заседаниях Научно-методической комиссии по стандартизации в области механики разррения Госстандарта СССР (1977-1990 г.г.); Международной конференции "Зарождение и рост трещин в металлах и в керамике - роль структуры и окружающей среда" (Варна, Болгария, 1991); Всесоюзной конференции "Еивучэоть и безопасность конструкций технических систем" (Красноярск,-.-1991),« на II Международной научно-практической конференции "Проблемы материаловедения при изготовлении и эксплуатации оборудования АЭС"(Санкт-Петербург,1992). Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 4 препринтах, 8 нормативно-технических документах, 51 научной статье, материалах конференций и симпозиумов и нашло отражение
10 в отчетах о научно-исследовательских работах, выполненных в рамках научно-технических программ и го заказам организаций. Структура и объем работы. ^ Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов и приложений. Основное содержание и вывода отражены на 210 страницах vanmHomcHoro текога. диссертация содержит IQ2 рисунка и 42 таблицы. Список литературы включает 402 наименования.
