Содержание к диссертации
Введение
1. Проблемы проектирования и эксплуатационная надежность металлоконструкций кранов 9
1.1. Особенности проектирования металлоконструкций мостовых кранов 9
1.2. Эксплуатационная надежность и предельные состояния металлоконструкций 12
1.3. Расчетные и экспериментальные исследования несущей способности крановых металлоконструкций 21
1.4. Нормативные и поверочные расчеты металлоконструкций кранов на прочность, трещиностойкость и надежность 31
2. Экспериментальные исследования характеристик трещиностойкости сталей и элементов крановых конструкций 40
2.1. Методики и результаты экспериментальных исследований элементов крановых металлоконструкций 40
2.2. Характеристики трещиностойкости сталей и сварных соединений 49
2.3. Натурные исследования напряженно-деформированных состояний базовых металлоконструкций 65
2.4. Исследования действительных режимов работы кранов повышенной грузоподъемности 72
3. Конечноэлементный анализ напряженно-деформированного состояния крановых конструкций 78
3.1. Особенности численного моделирования при расчетах крановых конструкций 78
3.2. Статические расчеты и оптимизация элементов металоконст-рукций мостовых кранов 83
3.3. Технология решения многоуровневых задач при проектировании металлоконструкций 101
4. Поверочные расчеты на трещиностоикость при анализе несущей способности крановых металлоконструкций 110
4.1. Структурно-элементная система расчетов показателей несущей способности 110
4.2. Показатели несущей способности крановых метало-конструкций и расчеты на трещиностойкость 116
4.3. Функции надежности и диаграммы живучести сварных соединений для металлоконструкций мостового крана 123
Основные выводы 128
Список использованнных источников 130
Приложения
- Эксплуатационная надежность и предельные состояния металлоконструкций
- Характеристики трещиностойкости сталей и сварных соединений
- Статические расчеты и оптимизация элементов металоконст-рукций мостовых кранов
- Показатели несущей способности крановых метало-конструкций и расчеты на трещиностойкость
Введение к работе
Актуальность работы. Исследованиям несущей способности
металлоконструкций (МК) подъемно-транспортной техники традиционно уделяется значительное внимание, учитывая ее потенциальную опасность в эксплуатации, уникальность конструктивных решений и сложные режимы нагружения. Нормативная база расчетов крановых МК в рамках метода расчета по предельным состояниям вводит в расчетную практику максимальные эквивалентные напряжения и расчетное сопротивление материала, приведенные циклические напряжения и расчетное сопротивление усталости, предельные допустимые перемещения. Данный подход позволяет анализировать основные типы предельных состояний по параметрам прочности, долговечности, устойчивости. Анализ причин разрушений, отказов и повреждений крановых МК в процессе эксплуатации показывает, что в рассмотрение должны быть введены дополнительные типы предельных состояний, отражающие наличие и развитие в конструкциях технологических дефектов и эксплуатационных трещин для случаев статического и циклического нагружений.
Анализ дополнительных предельных типов состояний, связанных с образованием хрупких, квазихрупких и вязких разрушений, с развитием усталостных трещин (поверочные расчеты на трещиностойкость), базируется на критериях и методах механики разрушения. Кроме того, необходимость проведения поверочных расчетов на трещиностойкость обусловлена требованиями нормативных документов Госгортехнадзора России в случаях, когда возникает задача оценки остаточного ресурса металлоконструкций кранов большой грузоподъемности.
Расчетно-экспериментальное обоснование показателей несущей
способности как для основных, так и для дополнительных типов предельных
состояний требует наличия базы данных по характеристикам механических свойств и трещиностойкости сталей, применяемых в краностроении, по фактической нагруженности крановых МК и предопределяет детальный анализ номинальных и локальных напряженно-деформированных состояний (НДС). Системная реализация данного подхода в рамках диссертационной работы позволяет решать задачи совершенствования конструктивных форм и обеспечения требуемых уровней показателей несущей способности крановых МК, что определяет ее актуальность.
Основанием для выполнения диссертационной работы послужили:
- Федеральная целевая научно-техническая программа "Исследования и
разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники
гражданского назначения". Подпрограмма 08. 02 "Безопасность населения и
народнохозяйственных объектов с учетом риска возникновения природных и
техногенных катастроф". Проект 1.5.2 "Создание научных основ безопасности
по критериям механики разрушения для проектных, запроектных и
гипотетических аварий" (1991-2000 гг.);
план НИР Научного совета РАН по комплексной проблеме "Машиностроение" (1997-2001 гг.);
планы НИОКР и программы повышения качества производства крановых конструкций ЗАО "Сибтяжмаш".
Исследования по указанным планам и программам выполнялись при непосредственном участии автора и являются результатом многолетнего сотрудничества специалистов Отдела машиноведения Института вычислительного моделирования СО РАН (г. Красноярск), кафедры "Подъемно-транспортные машины и роботы" Красноярского государственного технического университета и Отдела главного конструктора ЗАО "Сибтяжмаш" по решению конкретных задач в области прочности и надежности крановых МК.
Цель диссертационной работы заключается в формулировке и исследовании системы показателей несущей способности элементов металлоконструкций мостовых кранов для основных и дополнительных типов предельных состояний на основе анализа экспериментальных исследований образцов и моделей, натурных испытаний, конечноэлементного моделирования и расчетов НДС, критериев и методов механики разрушения.
Научная новизна работы заключается в обобщении данных технического освидетельствования (анализ дефектности, причин отказов), формулировке дополнительных типов предельных состояний (хрупкое, квазихрупкое, вязкое, развитие усталостных трещин), расчетном анализе показателей несущей способности с учетом наличия усталостных трещин для элементов металлоконструкций мостовых кранов.
Основные положения научной новизны:
определены показатели надежности мостовых кранов, выявлены зоны эксплуатационных повреждений металлоконструкций, установлены основные причины аварий и виды предельных состояний;
выполнен комплекс экспериментальных исследований характеристик трещиностойкости сталей, применяемых при изготовлении крановых МК, усталостной прочности моделей и элементов крановых МК;
по результатам натурных испытаний МК исследованы фактические режимы работы мостовых кранов (уровни нагруженности и параметры динамических процессов);
исследовано НДС основных МК мостовых кранов различного типа, включая многовариантные расчеты наиболее нагруженных зон, позволившие осуществить оптимизацию конструктивных форм МК;
- выполнены поверочные расчеты на трещиностойкость типовых
элементов МК при статическом и циклическом нагружениях.
Практическая значимость работы заключается в совершенствовании конструктивных форм и решений основных элементов МК мостовых кранов, выпускаемых АО "Сибтяжмаш", формировании базы данных расчетных характеристик механики разрушения для проведения поверочных расчетов на трещиностойкость.
Внедрение результатов осуществлено в Отделе главного конструктора ЗАО "Сибтяжмаш" при разработке рекомендаций по совершенствованию конструктивных форм и конструкторско-технологических решений на стадии проектирования МК мостовых кранов. Результаты научных исследований, опыт расчетов и проектирования кранов и перегружателей большой грузоподъемности используются в курсах "Основы автоматизированного проектирования" и "САПР конструктора", читаемых автором для студентов специальностей 170900 "Подъемно-транспортные, строительные, дорожные машины и оборудование" и 150900 "Механизация перегрузочных работ" в Красноярском государственном техническом университете. Внедрение подтверждается соответствующими актами ЗАО "Сибтяжмаш" и КГТУ.
Достоверность научных положений и выводов обеспечивается
соответствием результатов конечноэлементного моделирования
экспериментальным данным исследования НДС крановых МК, сопоставимостью с результатами других авторов. Достоверность экспериментальных результатов достигается использованием нормативных методов испытаний, сертифицированных средств измерений и испытательного оборудования.
Личный вклад автора заключается в постановке и реализации задач данного исследования, разработке основных положений научной новизны и практической значимости, внедрении полученных результатов. Экспериментальные исследования характеристик трещиностойкости сталей проведены в Красноярском промстройниипроекте с участием специалистов
лаборатории металлических конструкций, модельные и натурные испытания МК кранов совместно со специалистами лаборатории надежности АО "Сибтяжмаш", которым автор выражает глубокую благодарность за помощь в работе.
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на Всесоюзной научно-технической конференции "Прогрессивные процессы сварки в машиностроении" (Красноярск, 1991); Всероссийской научно-технической конференции "Проблемы техники и технологий XXI века" (Красноярск, 1994); Межрегиональной конференции "Проблемы информатизации региона" (Красноярск, 1995); Межвузовской научно-методической конференции "Перспективы и проблемы инженерного образования" (Красноярск, 1996); Научно-практической конференции "Достижения науки и техники-развитию г. Красноярска" (Красноярск, 1997); V Международной конференции "Современные методы математического моделирования природных и антропогенных катастроф" (Красноярск, 1999); Международной конференции "Современные методы прикладной математики и механики" (Новосибирск, 2001); Научных мероприятиях "Природно-техногенная безопасность Сибири" (Красноярск, 2001); 8-ой Всероссийской научно-технической конференции "Перспективные материалы, технологии, конструкции, экономика" (Красноярск, 2002); семинаре "Проблемы конструкционной прочности" Отдела машиноведения ИВМ СО РАН (Красноярск, 1999, 2002); научно-методическом семинаре кафедры "Подъемно-транспортные машины и роботы" КГТУ (Красноярск, 2002).
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 7 статьях и 2 тезисах конференций.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, выводов и приложений. Основное содержание и выводы отражены на 130 страницах. Диссертация содержит 42 рисунка и 10 таблиц. Список литературы включает 138 наименований.
1. ПРОБЛЕМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИОННАЯ НАДЕЖНОСТЬ МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИЙ
КРАНОВ
Эксплуатационная надежность и предельные состояния металлоконструкций
Исходной информацией для анализа надежности и характерных предельных состояний служат ежемесячные отчеты служб эксплуатации и результаты заводских обследований МК. При составлении ведомостей дефектов металлоконструкций используется следующая классификация повреждений [36,37]: - неустранимые, требующие списания крана, замены сборочных единиц или изменения исходных характеристик крана (грузоподъемности, режимной группы и т.д.); - устранимые, допускающие эксплуатацию крана с паспортными характеристиками после выполнения ремонтных работ; - не влияющие на работоспособность крана и оставляемые без исправления. Наибольшее количество обнаруживаемых дефектов и повреждений соответствует второй группе. Ниже рассматриваются характерные предельные состояния, повреждения и эксплуатационные дефекты МК, выявленные при обследовании кранов-перегружателей и мостовых электрических кранов. Характерные примеры повреждений и предельных состояний кранов-перегружателей. 1. Кран-перегружатель грузоподъемностью 32 т пролетом 76,2 м. Изготовлен в 1974 г. Установлен на складе сернокислого цеха ПО "Аммофос" (г. Череповец). Режим работы тяжелый. Обследование выполнено в 1991 г. Обнаружены следующие повреждения (рис. 1.2). 1) Трещина длиной 150 мм в сварном шве окантовки смотрового люка ригеля, переходящая на основной металл вертикального листа (рис 1.2, сечение А-А). 2) Трещины длиной 100 и 50 мм в сварных швах, соединяющих обечайку с верхней половиной диафрагмы ригеля (рис. 1.2, сечение А-А). 3) Трещина длиной 120 мм в сварном шве окантовки верхнего отверстия центральной диафрагмы ригеля, переходящая на основной металл диафрагмы (рис. 1.2, сечение Б-Б). 4) Трещина длиной 160 мм по основному металлу вертикального листа колонны тележки, расположенной у кабины крановщика с противоположной стороны от переходных площадок. 2. Кран-перегружатель грузоподъемностью 32 т пролетом 60 м. Изготовлен в 1975 г. Установлен в сырьевом цехе №1 Криворожского цементно-горного комбината. Используется для перегрузки глины, извести, гипса, рудной пыли и др. материалов при трехсменной работе в условиях повышенной запыленности и агрессивной окружающей среды. Схема расположения трещин в металлоконструкциях крана-перегрулсателя А Д-А 1, 2, 3, 4 - ригеля; 5 - гнутый (тормозной) лист; 6 - ездовая балка; 7, 8 - монтажные стыки. 1,11, III - места возникновения трещин. Рис. 1.2 -Й 15 Действительный режим работы весьма тяжелый. Обследование выполнено в 1992 г. Установлено наличие следующих дефектов и повреждений: 1) Трещины длиной 100 мм по сварным швам окантовки с выходом на основной металл диафрагмы. 2) Деформация диафрагмы до 30 мм. 3) Деформация окантовки люка с разрывом сварного шва. 3. Кран-перегружатель грузоподъемностью 32 т пролетом 76.2 м. Изготовлен в 1972 г. Эксплуатируется на угольном складе топливно-транспортных операций, связанных с перегрузкой угля для Омской ТЭЦ-4. Обследование выполнено в 1990 г. При обследовании выявлены следующие очаги разрушений. 1) Трещина длиной 130 мм в сварном шве соединения нижнего горизонтального листа внешнего ригеля опоры ремонтной консоли с обечайкой (рис. 1.2, узел I). 2) Трещина длиной 60 мм в сварном шве соединения вертикала с нижним горизонтальным листом внешнего ригеля опоры ремонтной консоли, идущая от места выреза в обечайке до нижнего горизонтального листа ригеля (рис. 1.2, сечение А-А). 3) Трещина длиной 250 мм в основном металле гнутого листа, расположенная поперек, напротив первой диафрагмы, считая от внутреннего ригеля опоры свободной консоли (рис. 1.2, узел II). 4) Трещина в сварном стыковом шве окантовки люка обечайки, расположенном во внутреннем ригеле опоры ремонтной консоли (рис. 1.2, узел III). 5) Трещина длиной 80 мм по сварному стыковому шву вертикала внутреннего ригеля опоры свободной консоли, идущая от окантовки люка (трещина является повторной и распространяется по шву предыдущего ремонта рассматриваемого элемента ригеля). Эксплуатационные повреждения МК мостовых электрических кранов кратко описаны в Приложении 1 по результатам обследований в 1990-1996 гг. кранов, эксплуатирующихся в листопрокатных и . конверторных цехах Новолипецкого металлургического комбината, кузнечно-прессовом и мартеновском цехах Ижорского завода, конверторном, мартеновском и обжимном цехах Череповецкого металлургического комбината.
Результаты проведенных обследований позволили определить перечень типовых разрушений и предельных состояний МК. Основным типом повреждений являются усталостные трещины, зарождающиеся, как правило, в зонах сварных соединений, и достигающие десятков и сотен миллиметров. Другим характерным повреждением является местное деформирование элементов конструкций, приводящее в ряде случаев к потере устойчивости в локальных зонах. Это, в свою очередь, приводит к преждевременному исчерпанию запаса пластичности стали и ее охрупчиванию. Наиболее полно и систематизированно информация о разрушениях крановых МК представлена в [12, 29, 32- 34, 38]. Выполнена классификация дефектов и повреждений по принадлежности их к основному несущему элементу и месту непосредственного возникновения. Отмечается, что образование трещин в зависимости от модификации конструкции строго локализовано определенными зонами.
Характеристики трещиностойкости сталей и сварных соединений
Большинство крановых металлоконструкций изготавливается из малоуглеродистых и низколегированных сталей, характеристики механических свойств которых, нормативные и расчетные сопротивления проката, труб, сварных соединений при различных видах нагружения определяются согласно СНиП II -23-81 и приводятся в нормативно-справочной литературе [7, 8, 90,104,105]. Из характеристик трещиностойкости данных марок сталей наиболее исследованы критические значения коэффициентов интенсивности напряжений [86, 93, 94, 96] и в меньшей степени накоплен экспериментальный материал по характеристикам упругопластического разрушения. Стали, применяемые в краностроении, имеют в нормальных условиях эксплуатации достаточно высокие значения характеристик пластичности ( = 25..40%; ср = 55...70%), которые при температурах эксплуатации -30...-50 С могут снижаться на 40...60 %. В таких условиях возможно возникновение различных типов предельных состояний и разрушений (вязкое, квазихрупкое, хрупкое) анализ которых целесообразно осуществлять с применением характеристик трещиностойкости, дающих достоверные оценки сопротивления сталей и элементов конструкции развитию трещин во всем температурном диапазоне. Таким требованиям в полной мере удовлетворяет энергетический критерий в форме контурного /-интеграла [106-108]. Данный критерий, наряду с критическими значениями коэффициентов интенсивности напряжений, наиболее часто используется при расчетах крановых конструкций. Основой этого служат экспериментальные результаты определения критических значений J-интеграла - Jc на образцах различного типа в соответствии со стандартной методикой [102, 107].
Одним из основных вопросов при экспериментальном определении характеристик упругогшастического разрушения является оценка влияния размеров образцов и достоверности полученных значений Jc. На рис. 2.6 в двойных логарифмических координатах приведены результаты испытаний малоуглеродистых сталей в диапазоне температур перехода от вязкого разрушения к хрупкому в виде зависимостей отношения JJGT ОТ толщины образцов t. Сплошными наклонными линиями нанесено соотношение ограничивающее размеры пластических зон в вершине трещины, с коэффициентами /?=100; 50; 25. Эти данные указывают на стабильность критического значения J-интеграла при минимальном значении коэффициента /2=25. Оценка влияния ширины образца при определении критических значений Jc проводилась по результатам испытаний стали 09Г2С в диапазоне температур -70 С...-130 С (рис. 2.7).
Результаты экспериментального определения характеристик механических свойств и трещиностойкости, представленные в виде температурных зависимостей, позволяют выделить интервалы хрупкого, квазихрупкого и вязкого разрушений и конкретизировать области применения расчетных характеристик и методов [111]. Такие функциональные зависимости для критических значений коэффициентов интенсивности напряжений использовались при проведении расчетов на трещиностойкость в области хрупких разрушений [71, 86, 111-113].
Функция (2.4) выбрана из тех соображений, что по соответствующим коэффициентам могут быть определены: максимальное (А+В) и минимальное (А-В) значения Jc, а также температура То, соответствующая 50 % снижению Jc, которая может трактоваться как переходная температура хрупкости в интервале температур 2С. Результаты обработки экспериментальных данных по уравнению (2.4) для ряда исследованных сталей различных толщин представлены в табл. 2.2. Переходные температуры То находятся в области эксплуатационных температур (до -65 С) и могут быть использованы в качестве расчетных наряду с другими температурами хрупкости [112] при оценке сопротивления элементов конструкций развитию трещин. При определении характеристик трещиностойкости сварных соединений необходимо учитывать структурно-механическую неоднородность соединений, обусловленную локальностью процессов термомеханического поведения металла при сварке. Такая локальность приводит к образованию полей остаточных напряжений и деформаций, изменению структуры фазового состава, возникновению микро- и макро дефектов. В результате трещиностоикость сварных соединений оказывается зависящей от размера и места расположения трещины, геометрии соединения и степени механической неоднородности [109, 115-117]. В данной ситуации также целесообразно использование энергетического критерия Jc , дающего более интегральное описание процесса разрушения.
Статические расчеты и оптимизация элементов металоконст-рукций мостовых кранов
Для моделирования элементов конструкций, один из размеров которых значительно превосходит остальные, используют стержневые и балочные конечные элементы, различие между которыми состоит в том, что стержневые Конечноэлементная сетка вертикального листа балансира элементы воспринимают только нагрузку растяжения-сжатия, а балочные элементы, кроме того, воспринимают кручение и изгиб. На рис. 3.4а показана балочная конечноэлементная модель рамы тележки крана грузоподъемностью 65/14-22 т. Рама тележки представляет собой сварную конструкцию из коробчатых балок (центральная главная и концевые балки) и двутавров (рис. 3.46 - сечение крайней пролетной балки), перекрытых фундаментами в местах установки приводов механизмов. Для конструкций рам тележек характерно большое количество нагрузок (как усилий, так и моментов), приложенных как к листовым элементам (фундаментам), так и непосредственно к балкам. В результате расчета получены напряжения в сечениях балок (рис. 3.4в - эпюры напряжений в наиболее нагруженной зоне крайней пролетной балки, рис. 3.4г - то же в концевой балке - опорный узел). Наибольшие главные напряжения в одной из балок достигают 140 МПа. По результатам расчетов принято решение об увеличении поперечного сечения наиболее нагруженного элемента конструкции с учетом тяжелого режима работы крана и обеспечения выносливости при переменных нагрузках.
Рама тележки мульдомагнитного крана представляет собой более сложную сварную конструкцию, конечноэлементная модель которой показана на рис. 3.5а, а деформированное изображение - на рис. 3.56. На рис. 3.5в,г показаны эпюры напряжений в наиболее нагруженных, двутавровых и коробчатых сечениях главных и концевых балок. Анализ показывает наличие значительных запасов прочности по номинальным напряжениям при статическом нагружении внешними нагрузками.
Модели, содержащие пластинки и оболочки, находят наибольшее применение при расчете крановых МК. В качестве примера представлен анализ НДС грузоподъемной траверсы по результатам конечноэлементного моделирования и приведены основные результаты и предложения по конструктивному совершенствованию МК.
Траверса представляет собой сварную конструкцию из стали Ст.З, состоящую из двух двутавровых балок, образующих совместно с верхним и нижним поясными листами коробчатую конструкцию. переменного сечения. Траверса содержит две большие серьги, через которые проходит ось с блоками, посредством которой траверса подвешивается на грузоподъемных канатах. Нагрузки от веса поднимаемого груза (80 т) передаются на конструкцию через четыре нижние серьги. Конструкция имеет две плоскости симметрии и симметрично нагружена, что позволило выполнить расчет 1/4 ее части. Конечноэлементная модель представлена на рис. 3.6а и содержит 535 узлов, 477 элементов, количество неизвестных - 2871. На рис. 3.66 показаны изолинии линейных перемещений узлов модели, на рис. 3.7 - изолинии максимальных главных напряжений в основных ЭК.
В первом приближении траверсу можно рассматривать как изгибаемую балку. Полученные результаты не противоречат этому предположению. На вертикале двутавра хорошо видна нейтральная линия G (рис. 3.7а), проходящая посередине высоты балки, и отклоняющаяся от середины в зоне крепления малых серег, воспринимающих внешнюю нагрузку. Нижняя часть вертикала нагружена преимущественно сжимающими напряжениями, достигающими на границе с нижним поясом 50 МПа. Верхняя часть вертикала растянута, максимальные напряжения достигают 60 МПа. Поля напряжений нижнего (рис. 3.76) и верхнего поясов согласуются с полем напряжений вертикала. Максимальные главные напряжения на нижнем поясе изменяются от 0 (в области крепления нагруженных серег) до -60 МПа в зоне крепления большой серьги, выполняющей для двутавровой балки роль своеобразной заделки. Максимальные главные напряжения верхнего пояса изменяются от 0 до 60 МПа (растяжение). Большая серьга находится преимущественно в растянутом состоянии.
Показатели несущей способности крановых метало-конструкций и расчеты на трещиностойкость
Расчеты показателей несущей способности для крановых металлоконструкций проводятся как на стадии проектирования в соответствии с требованиями неравенств (1.1), так и на стадии эксплуатации. Во втором случае задачи решаются, как правило, в терминах коэффициентов запаса. Такой подход наиболее оправдан при проведении поверочных расчетов, связанных с экспертизой и оценкой технического состояния кранов, в том числе при проведении поверочных расчетов на трещиностойкость. Рассчитанные коэффициенты запаса позволяют судить об уровне реализации предельного состояния в каждый момент времени эксплуатации. Трактовка коэффициентов запаса как параметров, ограничивающих наступление предельных состояний, позволяет рассматривать их как количественные показатели несущей способности машин и конструкций.
Анализ видов предельных состояний (раздел 1.2), условий эксплуатации и режимов нагружения (разделы 1.2. 2.4) показал, что система коэффициентов запаса (показателей несущей способности) должна включать в себя: - запасы прочности по предельным нагрузкам, номинальным и местным напряжениям и деформациям; - запасы по характеристикам трещиностойкости; - запасы по критическим размерам дефектов; - запасы по критическим температурам хрупкости; - запасы по долговечности (время, число циклов) на стадии возникновения и развития трещины.
Основные формулировки запасов прочности, целесообразные для использования при проведении расчетов крановых металлоконструкций приведены в таблице 4.3. В общий перечень включены.коэффициенты запаса, отражающие основные типы предельных состояний кранов, отмеченные в разделе 1.2. Формулировки коэффициентов запаса (1-5) относятся к традиционным типам предельных состояний, тогда как формулировки (6-11) -к дополнительным типам предельных состояний, введенных при проведении поверочных расчетов на трещиностойкость.
В условиях циклического нагружения оценка предельного состояния элементов конструкций с трещиной осуществляется по уравнению Пэриса (1.3), интегрирование которого позволяет определить число циклов развития трещины (1.4) от начального дефекта U до критического /с . Значения параметров Сип данного уравнения обобщены для малоуглеродистых и низколегированных сталей в разделе 2.2.
При проведении расчетов на трещиностойкость коэффициенты запаса по напряжениям па и коэффициентам интенсивности напряжений рекомендуется принимать в пределах пв =пк =1,75- 2,5 Основными типами сварных соединений, применяемых при изготовлении металлоконструкций мостовых кранов, являются стыковые и тавровые. Анализ технологической дефектности сварных крановых конструкций производства АО "Сибтяжмаш" [133], результаты определения характеристик трещиностойкости сварных соединений [109, ПО, 134], включая данные раздела 2.2, применение методики статистического моделирования процессов разрушения сварных соединений [135] позволили выполнить расчеты надежности и живучести типовых сварных соединений мостовых кранов. Использовался алгоритм расчетов, предложенный в [135]. Расчеты выполнялись для штатных режимов сварки стали 09Г2С и фактических толщин свариваемых элементов с варьированием размеров технологических дефектов (подрез, непровар) и уровней нагруженности. Расчеты выполнялись для базовых расчетных схем, приведенных в табл. 4.2.
Метод статистического моделирования основан на том, что случайная природа входящих в расчетную модель величин учитывается путем выборки их с использованием алгоритмического генератора случайных чисел в соответствии с заданными распределениями и результатами многократного выполнения соответствующих расчетов. В качестве кинетической модели скорости роста трещин использовалось уравнение Пэриса (1.4). Число циклов нагружения рассчитывалось на каждом і-ом шаге интегрирования прироста трещины от до li+\. Поправочная функция для коэффициента интенсивности напряжений так же вычислялась для каждого і-го шага. Интегрирование осуществлялось до момента достижения длины трещины значения 1С, определяемого по уравнению (4.5). Расчеты по уравнению (1.4) позволяют получить выборку распределения ресурса, представить ее в виде гистограммы и затем в виде статистической функции распределения. Функция надежности описывалась двухпараметрическим законом Вейбулла для распределения ресурса R(N) = exp(N / в)р , (4.7) где N - среднее значение ресурса; в,(і - параметр масштаба и формы. Результаты расчета представлены в виде кривых усталости (рис. 4.2), функций надежности (рис. 4.3) и полных вероятностных диаграмм живучести (рис. 4.4) стыковых и тавровых сварных соединений толщиной 20 мм, содержащих внутренний (непровар) и наружный (подрез) дефекты.
