Введение к работе
Актуальность работы. За последние десятилетия в результате развития отраслей машиностроения значительно возросла потребность в производстве и применении технических устройств со сварными соединениями, а также трубопроводов и сосудов давления, имеющих большую протяженность СШ различной конфигурации. Доля усталостных разрушений сварных конструкций составляет примерно 30 % общего числа их преждевременных повреждений и отказов. Предотвращение усталостных разрушений - весьма актуальная задача во всех отраслях машиностроения, особенно таких, в которых аварии вследствие разрушения ответственных деталей ведут к катастрофическим последствиям. В связи с этим особое значение приобретает проведение исследований, направленных на повышение точности прогнозирования долговечности деталей сложной геометрической формы со сварными соединениями на основе изучения их НДС. Такую возможность обеспечивает объединение существующих алгоритмов, связывающих показатели долговечности, параметры петли механического гистерезиса и свойства материала с алгоритмами МКЭ, реализованными с помощью современных программных комплексов. Это позволит расширить круг решаемых задач, а также повысить точность оценок долговечности за счет учета остаточных сварочных напряжений, геометрии СШ, рассеяния механических характеристик материала, разности свойств основного металла и СШ.
Целью работы является повышение точности расчетов усталостной долговечности сварных соединений деталей сложной формы при циклическом нагружении.
Для достижения этой цели необходимо решить следующие основные задачи:
Разработать алгоритм и методику прогнозирования усталостной долговечности сварных соединений деталей сложной формы, учитывающие остаточные сварочные напряжения, геометрию сварного соединения, разность свойств основного металла и металла шва, а также разброс механических характеристик материала.
Разработать методику расчета остаточных сварочных напряжений при одно- и многопроходной электродуговой сварке.
Выполнить экспериментальную проверку достоверности методики расчета остаточных сварочных напряжений.
Провести оценку влияния геометрических параметров стыкового соединения на концентрацию напряжений и долговечность.
Провести численную оценку влияния остаточных сварочных напряжений на долговечность деталей сложной формы со сварными соединениями.
Методы исследований. В соответствии с выбранным подходом поставленные задачи решали с помощью методов математического моделирования и проведения экспериментальных исследований. Методика исследований включала разработку структуры моделей с использованием программных комплексов (Pro/ENGINEER, COSMOS, Mathcad, Lab VIEW), проведение численного эксперимента по расчету параметров НДС и сравнение их с экспериментальными данными, численную реализацию собственных программ для расчета параметров долговечности, проведение эксперимента по измерению температуры и остаточных сварочных деформаций с целью проверки достоверности результатов расчетного моделирования.
Научная новизна работы заключается в следующем:
предложено модифицированное условие наступления предельного состояния, сформулированное по правилу суммирования повреждений с учетом остаточных сварочных деформаций;
разработаны и апробированы методика и алгоритм прогнозирования долговечности деталей сложной формы со сварными соединениями;
выявлены закономерности распределения локальных показателей НДС труб большого диаметра, станины прокатного стана, корпуса котла в зависимости от режимов нагружения и геометрии сварных соединений.
Достоверность результатов работы обусловливается:
применением уравнений механики твердого деформируемого тела для расчета локальных показателей НДС;
использованием сертифицированных средств измерений и оборудования, а также апробированных компьютерных программных комплексов;
соответствием результатов расчета собственным экспериментальным данным и хорошей согласованностью численных решений с имеющимися данными других исследователей.
Практическая ценность работы заключается в следующем:
предложена методика расчета остаточных сварочных напряжений в деталях с одно- и многопроходными СШ, выполненными электродуговой сваркой;
разработаны и апробированы методика и алгоритм прогнозирования усталостной долговечности сварных соединений деталей сложной формы из углеродистых и низколегированных сталей.
Реализация результатов. Исследования, представленные в работе, выполнены в рамках хоздоговора № 0120. 0510295 «Разработка алгоритмов и программного обеспечения для расчетного моделирования напряжений в деталях сложной формы при малоцикловом нагружении» с ЗАО НПО «Тех-кранэнерго»; инициативного проекта РФФИ 06-08-96338-р_центр_а «Решение фундаментальной проблемы оценки остаточного ресурса промышленных объектов, связанной с проведением комплексных экспериментальных и теоретических исследований процессов упругого и пластического деформирования при малоцикловом нагружении».
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Перспективы развития лазерных технологий» (Владимир, 2005); Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Наукоемкие технологии XXI века» (Владимир, 2006); III и IV международных научно-практических конференциях «Качество науки - качество жизни» (Тамбов, 2007, 2008); VII Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Механики XXI веку» (Братск, 2008); I Международной научно-практической конференции «Современные проблемы науки» (Тамбов, 2008); Всероссийской научно-технической конференции «Исследование, проектирование, испытания и эксплуатация приборных устройств военной техники» (Владимир, 2008).
Публикации. По материалам, изложенным в диссертации, опубликовано 11 печатных работ, 3 из которых входят в перечень изданий, рекомендованных ВАК РФ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и приложений. Общий объем - 168 страниц машинописного текста, включающие 79 рисунков и графиков, 29 таблиц. Список использованной литературы содержит 108 наименований. Приложение 1 состоит из 5 страниц, приложение 2 - из 1 страницы, приложение 3 содержит три акта внедрения результатов работы.
