Введение к работе
Актуальность проблемы. Проблема надежности механических систем является одной из важнейших в современной науке. В России более половины энергетического оборудования и трубопроводных систем находится в состоянии, близком к предельному. Одной из основных причин отказов и предельных состояний механических систем, находящихся под воздействием циклических нагрузок, является развитие усталостных трещин в результате постепенного накопления повреждений.
Усталостные повреждения развиваются постепенно, поэтому они поддаются диагностике и прогнозированию. Прогнозирование показателей надежности реальных конструкций, испытывающих циклические нагрузки, н имеющих усталостные повреждения, имеет большой экономический эффект. Для этого необходим эффективный метод моделирования распространения усталостных трещин. Необходима теория, которая, раскрывая сущность явления, позволяет на ее основе строить эффективные модели для практического применения.
Цель диссертации. На основе синтеза механики разрушения и континуальной механики накопления повреждений реализовать модель для численного моделирования распространения приповерхностных усталостных трещин, позволяющую глубже вникнуть в сушность явления. Используя разработанную модель, произвести прогнозирование роста приповерхностных усталостных трещин под воздействием равномерного нормального циклического нагружения для широкого класса конфигураций, провести параметрический анализ и сравнить полученные результаты с опытными данными.
Методы исследования. Для прогнозирования распространения усталостных трещин применяется метод численного моделирования на основе-теории усталостного разрушения В.В.Болотина. Учитывается перераспределение напряжений в окрестности фронта трещины, изменение свойств материала вследствие накопления повреждений и изменение морфологии фронта трещин. Система определяющих уравнений метода решается численно с помощью разработанного программного обеспечения. Осложняющим фактором является отсутствие аналитических решений для полей напряжений в окрестности трещин в телах со сложной геометрией.
Научная новизна диссертационной работы. Большинство работ по прогнозированию роста усталостных трещин основано на эмпирических уравнениях типа уравнений Пэриса-Эрдогана. Трещина рассматривается как-бесконечно тонкий надрез, не учитывается изменение морфологии фронта и структуры материала. В данной работе моделирование распространения трещин производится на базе теории, которая основана на гипотезе о накопле-
ний рассеянных повреждений в материале, соотношениях энергетического баланса и изменении картины в окрестности фронта трещины. Учитывается накопление повреждений на фронте трещины и в дальнем поле, изменение свойств материала в окрестности трещины, изменение морфологии ее фронта. Развит метод, позволяющий использовать информацию о коэффициентах интенсивности напряжений для анализа распределения напряжений в окрестности трещиноподобных полостей и вырезов.
Практическая ценность работы. Результаты работы представлены в виде качественных выводов, а также в виде алгоритмов и программ, которые могут использоваться при моделировании распространения усталостных трещин и аншіизе экспериментальных исследований. Использование разработанной методики при анализе трещин в реальных конструкциях позволит продлить срок их службы путем определения остаточного ресурса. Применение статистического моделирования для повышения экономической эффективности экспериментов, сокращению количества и времени испытаний является перспективным. С его помощью можно делать выводы о методах и способах натурных испытаний, применимости способов статистической обработки, количестве экспериментальных образцов. Прогнозирование на основе развитого метода дает нам возможность по-новому оценить имеющиеся экспериментальные данные по росту усталостных трещин, а также более эффективно планировать новые эксперименты.
Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на научной конференции, посвященной 60-летию образования Института машиноведения им. Л.Л. Благонравова РАН (Москва, 1998); Пятой международной научно-технической конференции студентов и аспирантов "Радиоэлектроника, электротехника и энергетика" (Москва, 1999).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 4 работы.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, сводки результатов и списка использованной литературы. Работа изложена на 99 страницах, содержит 44 рисунка. Список литературы включает 82 наименования.
