Введение к работе
Актуальность темы. Тенденции развития конструкций и аппаратов современного машиностроения характеризуются увеличением их рабочих параметров, снижением металлоёмкости за счёт оптимального проектирования и применения новых высокопрочных материалов, значительным ростом удельного веса нестационарных режимов нагружения. Значительно увеличиваются требования к надёжности и длительности безаварийной эксплуатации как конструкции в целом, так и отдельных её элементов. Указанные тенденции привели к тому, что в настоящее время одной из актуальных задач проектирования и эксплуатации конструкций и аппаратов новой техники является задача надёжной оценки их ресурса, диагностики выработанного и прогноза остаточного ресурса в процессе эксплуатации. Как правило, эксплуатационные условия работы таких объектов характеризуются многопараметрическими нестационарными термосиловыми нагрузками, воздействиями внешних полей различной природы, приводящими к деградации начальных прочностных свойств конструкционных материалов и, в конечном итоге, исчерпанию ресурса материала конструктивных узлов объекта.
До настоящего времени значительная часть исследований в области прочности материалов и конструкций была направлена на разработку моделей поведения материалов - уравнений состояния, описывающих эффекты деформирования для различных классов истории изменения нагрузки и температуры.
В настоящее время актуальным становится вопрос расчётной оценки совместных процессов деформирования и накопления повреждений для ответа на вопрос: где, и в какой момент времени при заданной истории изменения нагрузки и температуры в теле впервые возникнут макроскопические нарушения сплошности материала (макротрещины) и как эти макротрещины будут развиваться в дальнейшем. На сегодняшний день разработано большое количество уравнений, описывающих процессы повреждённое материала. Однако большинство этих уравнений ориентировано только на определённые классы нагружения, не связаны с конкретными уравнениями процессов деформирования и, следовательно, не могут отразить зависимость процессов накопления повреждений от истории изменения напряжённо-деформированного состояния
, Г
(НДС), температуры, скорости деформации. На самом деле история упругопластического деформирования (вид траектории деформирования, характер изменения температуры, вид напряжённого состояния, история его изменения и т.п.) существенно влияют на скорости протекания процессов накопления повреждений. Можно сказать, что в настоящее время развитие уравнений состояния и, в частности, уравнений упругопластических сред, должно определяться потребностями механики разрушения и должно быть направлено на описание основных эффектов, существенно влияющих на скорости процессов накопления повреждений. Цель исследования в данной области - не столько уточнение различных формулировок, необходимых для определения макроскопических деформаций по заданной истории нагружения, сколько стремление разобраться в основных закономерностях процессов, подготавливающих и определяющих разрушение.
Таким образом, задача разработки и обоснования математических моделей, численных методов и эффективных алгоритмов для расчётной оценки кинетики НДС и усталостной долговечности конструкций, работающих при непропорциональных путях комбинированного термосилового нагружения, которая базируется на моделировании реальных физико-механических процессов, протекающих в материале конструкций, является актуальной.
Цель и задачи исследований. Целью диссертационной работы является разработка научно-обоснованной инженерной методики оценки ресурса при усталостном механизме деградации начальных прочностных свойств конструкционных материалов в опасных зонах машиностроительных конструкций, основанной на модели термопластичности с кинематическим и изотропным упрочнением и концепции предельной пластичности материала.
Для достижения указанной цели необходимо решить следующие основные задачи:
- проанализировать и адаптировать уравнения термопластичности для учёта нелинейного характера монотонного и циклического упрочнения, эффектов циклической памяти материала, эффектов неизотермического деформирования, особенности траекторий напряжений и деформаций, а также дополнительного монотонного я циклического упрочнения при непропорциональном деформировании;
разработать алгоритм и соответствующие программные средства для интегрирования уравнений термопластичности при сложном нагружении;
провести верификацию математических моделей процессов упругопластического деформирования, путём проведения численных расчётов и сравнения полученных результатов с данными натурных экспериментов;
оценить степень адекватности и определить границы применимости развитых вариантов уравнений термопластичности, путём проведения численных экспериментов при монотонных и циклических, пропорциональных и непропорциональных, изотермических и неизотермических нагружениях, и сравнения полученных результатов с имеющимися в литературе экспериментальными данными, имеющими не только качественный, но и количественный характер;
провести анализ кинетики НДС и на базе деформационно-кинетических критериев оценить усталостную долговечность материала конкретного конструктивного элемента, подверженного воздействию нестационарного термосилового нагружения, с целью выявления качественных и количественных особенностей его деформирования и разрушения при сложном нагружении.
Научная новизна. Автором получены следующие основные, новые результаты:
1. Математическая модель с кинематическим и изотропным уп
рочнением адаптирована к описанию параметров процессов неизо
термического упругопластического деформирования материала
опасных зон конструктивных элементов, которая при нестационар
ном термосиловом нагружении позволяет учитывать:
монотонное и циклическое упрочнение при пропорциональном и непропорциональном нагружении, включая переходные циклические процессы и стабилизированное циклическое поведение материала;
локальную анизотропию пластического деформирования при изломе траекторий деформаций;
неизотермическое упругопластическое деформирование материала при различных законах изменения температуры и механической деформации.
2. Для ряда конструкционных сталей 12Х18Н10Т, 9X2, Сталь
45, ЗОХГСА, 40Х16Н9Г2С, Х16Н9Г2С, получены материальные
параметры модели термопластичности с кинематическим и изотропным упрочнением, описывающей ряд специфических и малоизученных эффектов для произвольных сложных траекторий непропорционального деформирования.
3. Проведена оценка адекватности используемого в диссерта
ционной работе варианта определяющих соотношений упругопла-
стичности и развитых программных средств, путём сопоставления
результатов численных экспериментов с имеющимися опытными
данными для сложных траекторий непропорционального деформи
рования.
4. Разработана научно-обоснованная инженерная методика
оценки ресурса при усталостном механизме деградации начальных
прочностных свойств конструкционных материалов в опасных зо
нах машиностроительных объектов и выполнен на её базе анализ
кинетики НДС и усталостной долговечности конкретного конст
руктивного элемента подверженного воздействию нестационарного
комбинированного термосилового нагружения.
Достоверность полученных результатов. Достоверность подтверждается корректным математическим обоснованием ряда принимаемых положений при формулировке определяющих соотношений, их соответствием основным законам теории пластичности, прошедшим экспериментальную проверку сопоставлением всех теоретических результатов с опытными данными, полученными из экспериментов на автоматизированных испытательных машинах высокого класса точности, применением широко распространённых критериев и моделей усталостной долговечности материалов и конструкций, применением апробированного аппарата численных методов.
Практическая ценность диссертации.
1. Разработанная методика, алгоритмы и созданные программные средства для анализа кинетики НДС в опасных зонах несущих конструкций и прогноз их усталостной долговечности при решении краевых задач численными методами, благодаря комплексному учёту основных эффектов, сопутствующих процессам сложного пластического деформирования и разрушения конструкционных материалов может быть положена в основу различных экспертных систем по оценке выработанного и прогноза остаточного ресурса конструкций в процессе эксплуатации.
2. Вариант определяющих соотношений термопластичности и методика их интегрирования реализованы в виде пакета прикладных программ, позволяющего моделировать процессы упругопла-стического деформирования в элементарном объёме материала при любых изменениях компонент тензора деформаций («жёсткое на-гружение»), который может быть использован в лабораторных условиях для проведения сопутствующих расчётов и обосновании формы лабораторных образцов.
Апробация работы. Основные положения и полученные в диссертационной работе результаты докладывались и обсуждались:
Всероссийская научно-техническая конференция, посвященная 20-летию НФ Института машиноведения им. А.А. Благонраво-ва РАН. Н. Новгород, 2006;
12-я Нижегородская сессия молодых учёных (технические науки) 26 февраля - 2 марта 2007. Пансионат «Татинец», Нижегородская обл;
Вторая всероссийская научная конференция по волновой динамике машин и конструкций. Н. Новгород, 2007;
- Научно-методическая конференция профессорско-
преподавательского состава, аспирантов и специалистов. Н. Новго
род, ВГАВТ, 2007;
- VII Международная конференция «Научно-технические про
блемы прогнозирования надёжности и долговечности конструкций
и методы их решения», С.-Петербург, 17-20 июня 2008;
- 47 международная конференция «Актуальные проблемы
прочности», Н.Новгород, 2008.
Работа докладывалась на семинаре кафедры «Прикладная механика и подъёмно-транспортные машины» Волжской государственной академии водного транспорта под руководством Засл. деят. науки РФ, д. ф.-м. н., проф. Ю.Г. Коротких и д. ф.-м. н., проф. И.А. Волкова.
В завершённом виде работа докладывалась на расширенном семинаре кафедры «Динамика, прочность машин и сопротивление материалов» Нижегородского государственного технического университета им. Р.Е. Алексеева под руководством Засл. деят науки РФ, д. т. н., проф. В.М. Волкова.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 научных работ, в том числе 5 статей и 6 тезисов докладов. Две статьи изданы в журналах, входящих в перечень рекомендуемых ВАК изданий.
Структура и объём диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения и списка литературы. Общий объём диссертационной работы составляет 173 страницы основного текста, включая 162 рисунка и 17 таблиц. Список литературы на 16 страницах включает 133 наименования.
