Введение к работе
Актуальность темы. Тенденция развития конструкций и аппаратов современного машиностроения характеризуется увеличением их рабочих параметров, снижением металлоемкости за счет оптимального проектирования и применения новых высокопрочных материалов, значительным ростом удельного веса нестационарных режимов нагружения. Значительно увеличиваются требования к надежности и длительности безаварийной эксплуатации как конструкций в целом, так и отдельных их элементов. Указанные тенденции привели к тому, что в настоящее время одной из актуальных задач проектирования и эксплуатации конструкций и аппаратов новой техники является задача надежной оценки их ресурса, диагностики выработанного и прогноза остаточного ресурса в процессе эксплуатации. Эта задача особенно актуальна для ответственных инженерных объектов (ОИО) срок службы которых составляет несколько десятков лет (атомные энергетические установки, нефтехимическое оборудование, магистральные газо- нефтепроводы и т.п.) Как правило, эксплуатационные условия работы ОИО характеризуются многопараметрическими нестационарными знакопеременными термосиловыми нагрузками, воздействиями внешних полей, приводящими к деградации начальных прочностных свойств конструкционных материалов и, в конечном итоге, исчерпанию ресурса конструктивных узлов объекта.
Классические методы предсказания усталостной долговечности при помощи полуэмпирических формул (правил), основанные на стабилизированном анализе процесса деформирования и связывающие параметры петель упругопластического деформирования с количеством циклов до разрушения требуют большого количества экспериментальной информации и справедливы только для узкого класса режимов нагружения.
В последние годы для решения таких задач успешно развивается новая дисциплина - механика поврежденной среды (МПС). МПС изучает процессы развития микродефектов, механическое поведение поврежденных материалов посредством описания влияния распределенных микродефектов при помощи определенных механических параметров и образование макроскопических трещин (процессы накопления повреждений), сочетая насколько это возможно на современном уровне знаний, точки зрения материаловедения и механики сплошной среды. Существующая на сего-
дняшний день практика использования уравнений МПС для различных механизмов исчерпания ресурса позволяет утверждать, что такой подход достаточно эффективен для практических приложений оценки ресурса ОИО, и с его помощью можно достаточно корректно оценивать процесс исчерпания ресурса конструктивных элементов и узлов несущих конструкций.
Таким образом, задача разработки и обоснования применимости определяющих соотношений МПС для оценки усталостной долговечности конструкций при малоцикловом нагружении, служащих основой для создания на их базе экспертных систем оценки ресурса конструкций является актуальной.
Цели и задачи исследований. Целью диссертационной работы является обоснование применимости варианта определяющих соотношений МПС, развитой в работах Ю.Г. Коротких и И.А. Волкова для расчёта усталостной долговечности материалов и конструкций при малоцикловых режимах нагружения.
Для достижения указанной цели необходимо решить следующие основные задачи:
Путем проведения численных экспериментов и сравнения полученных результатов с имеющимися в литературе экспериментальными и теоретическими результатами, провести оценку адекватности определяющих соотношений МПС с учётом характерных для режимов малоциклового нагружения малоизученных эффектов: нелинейного характера циклического упрочнения; дополнительного упрочнения при непропорциональном деформировании материала; нелинейного суммирования повреждений при изменении режима нагружения или вида напряжённого состояния; влияния на скорость процесса накопления усталостных повреждений объёмности напряжённого состояния и вида траектории деформирования и т.п.
Провести верификацию определяющих соотношений МПС при малоцикловом нагружении, путём проведения численных расчётов и их сравнения с данными натурных экспериментов.
Разработать корректный алгоритм и создать соответствующие программные средства для совместного интегрирования уравнений термопластичности и накопления повреждений.
Разработать научно-обоснованную инженерную методику, позволяющую на основе данных, полученных из решения краевой задачи, по заданной истории изменения компонент тензора дефор-
маций осуществлять прогноз усталостной долговечности опасных зон конструкций при малоцикловых режимах нагружения.
5. Провести оценку усталостной долговечности конкретных конструктивных элементов при малоцикловом нагружении с целью выявления качественных и количественных особенностей процесса усталостного разрушения.
Научная новизна. Автором получены следующие основные, новые результаты:
1. Исследована возможность применения модели МПС для рас
чета процессов накопления усталостных повреждений в материа
лах и конструкциях при малоцикловом нагружении по заданной
истории деформирования, которая при нестационарном неизотер
мическом деформировании позволяет учитывать:
циклическое упрочнение при пропорциональном и непропорциональном нагружениях, включая переходные циклические процессы и стабилизированное циклическое поведение материала;
влияние на темпы накопления повреждений объемности напряженного состояния и непропорциональности процесса деформирования;
наличие двух стадий накопления усталостных повреждений;
нелинейность процесса накопления усталостных повреждений;
нелинейность суммирования повреждений при изменении режимов нагружения, вида напряженного состояния.
Для ряда конструкционных материалов: сталей 08Х18Н10Т, 12Х18Н10Т, 40Х16Н9Г2С; Стали 45; сплава «Инконель 718»; Стали 304; алюминия 2024-Т4 и др. получены материальные параметры модели МПС, описывающей ряд специфических и малоизученных эффектов для произвольных сложных траекторий непропорционального нагружения.
Путём сопоставления результатов численных экспериментов с имеющимися опытными данными для сложных траекторий непропорционального деформирования показано, что используемый в диссертационной работе вариант определяющих соотношений МПС качественно и количественно описывает процессы накопления усталостных повреждений при малоцикловом нагружении.
4. Разработана научно-обоснованная инженерная методика
оценки ресурса при усталостном механизме деградации начальных
прочностных свойств конструкционных материалов в опасных зо-
нах машиностроительных объектов и выполнена на её базе оценка усталостной долговечности конкретных конструктивных элементов при малоцикловых режимах нагружения.
Достоверность полученных результатов подтверждается корректным математическим обоснованием ряда принимаемых положений при формулировке определяющих соотношений МПС, их соответствием основным законам механики деформируемого твердого тела, прошедшим экспериментальную проверку сопоставлением всех теоретических результатов с опытными данными, полученными из экспериментов на автоматизированных испытательных машинах высокого класса точности, применением апробированного аппарата численных методов.
Практическая ценность диссертации.
Разработана методика, алгоритмы и созданы программные средства для анализа усталостной долговечности несущих конструкций численными методами. Благодаря комплексному учёту основных эффектов, сопутствующих процессам малоциклового нагружения конструкционных материалов (металлов и их сплавов) данный подход может быть положен в основу различных экспертных систем по оценке ресурса конструкций.
Вариант определяющих соотношений МПС и методика их интегрирования реализованы в виде пакета прикладных программ, позволяющего моделировать процессы циклического упругопла-стического деформирования и накопления усталостных повреждений в элементарном объёме материала при любых изменениях компонент тензора деформаций. Данный программный продукт может быть использован в лабораторных условиях для проведения сопутствующих расчётов и обоснования формы опытных образцов.
Апробация работы. Основные положения и полученные в диссертационной работе результаты докладывались и обсуждались на:
- Шестой Курчатовской молодежной научной школе. Москва,
Кучатовский институт, 2008;
- Научно-методической конференции профессорско-
преподавательского состава, аспирантов и специалистов посвя
щенной 200-летию транспортного образования в России. Н. Новго
род, ВГАВТ, 2009;
- Всероссийской научно-технической конференции, посвящен
ной 75-летию факультета морской и авиационной техники Нижего-
родского государственного технического университета им. Р.Е.Алексеева. 2009;
Научно-методической конференции профессорско-преподавательского состава, аспирантов и специалистов посвященной 80-летию ВГАВТ. Н. Новгород, ВГАВТ, 2010;
15th International conference «METHODS OF AEROPHYSICAL RESEARCH». November 1-6, 2010 Akademgorodok, Novosibirsk Russia.
Работа докладывалась на семинаре кафедры «Прикладная механика и подъемно-транспортные машины» Волжской государственной академии водного транспорта под руководством Засл. деят. науки РФ, проф. Ю.Г. Коротких и проф. И.А. Волкова.
В завершенном 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, проф. В.М. Волкова.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 научных работ, в том числе 8 статей, 1 тезис доклада. 2 статьи изданы в журналах, входящих в перечень рекомендуемых ВАКом изданий.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Общий объем диссертационной работы составляет 161 страница основного текста, включая 169 рисунков и 20 таблиц. Список литературы на 15 страницах включает 158 наименований.
Похожие диссертации на Оценка усталостной долговечности конструкций при малоцикловом нагружении на базе уравнений механики поврежденной среды
