Анализ прочности элементов конструкции при динамическом нагружении Костылев, Виктор Иванович

Введение к работе

Актуальность проблемы. Проблема оценки прочности конструкции работающих в условиях динамического нагружения или изготовленных с применением взрывных технологий достаточна актуальна. Это обусловлено с одной стороны тем, -что большое количество внезапных разрушения происходит либо при импульсном приложении нагрузки, величина которой может быть даже ниже эксплуатационной ^считанной в статическом приближении), либо при катастрофическом эазвитии дефекта в нормальных эксплуатационных условиях. И в гом и в другом случае имеет место динамическое разрушение, с сарактерным для него высокоскоростным процессом деформирования и распространения волн напряжения, а также развития магистрзль-юа трещины. С другой стороны изучение динамической прочности іеобходимо при создании энергосберегающих технологий: сварк;: 5зрывом, процессы дробления,' разделки металлоконструкций и т.н. і этих случаях требуется определить такие параметры технология, :оторые обеспечат либо надежное соединение, либо осуществяі тзрушение с минимальными энергетическими затратами.

Для оценки динамической прочности требуется во-первых распо -іагать методами определения напряженно-деформированного состон-ия (НДС) конструкции, возникающего в процессе динамической¹ пругопластического деформирования материала и во-вторых учет собенностей кинетики динамического разрушения.

Существующие метода определения НДС в условиях динамического агружения имеют существенные недостатки. Так с помощью экспе-иментальных методов возможно определение НДС только на поверх-ости конструкции, либо получение средаеинтэгральной оценки m э толщине. При этом требуется сложная высокоскоростная и вые:; эчувствительная регистрирующая аппаратура. Эксперимент.-].11, і :< эсчетные методы определения НДС в настоящее время развиты но зстаточяо. Поэтому не случайно широкое использование-численных этодов для определения НДС. В тоже время существующие численные зтоды анализа НДС и параметров механики разрушения при данами зеком нагружении имеют ряд ограничений связанных как со сюж зстью математической формализации процессов происходящих ww рісокоскоростном нагружении материала и получения надежней формации о реологии материала, так и с существующими оірани шиями возможностей вычислительной техники в плане GfilCV

памяти и быстродействия.

Цель работы заключалась в создании эффективных методов и алгоритмов определения напряженно-деформированного состояния конструкции и их элементов, параметров механики разрушения и кинетики трещин в условиях динамического нагрудания.

Методы исследования включали в себя два направления: численное и экспериментально-расчетное. Численные исследования осуществляли методом конечных элементов (МКЭ) в упругопластической постановке с использованием теории течения и схемы трансляцион-но-изотрошого упрочнения. Интегрирование уравнений движении по времени осуществлялось методом конечных разностей в различных модификациях.

Экспериментально-расчетные исследования проводились с помощью измерений деформаций малобазньши датчиками и путем поэтапного решения обратной задачи теории упругости МКЭ.

Научная новизна состояла в следующем:

1. Разработан численный метод прогнозирования субкритического и закритического (динамического) развития трещин при хрупком и вязком разрушении материала, использующий введенные специальные элементы, упругие характеристики которых зависят от времени (скорости роста трещины), а также понятие т- интеграла. Метод позволяет прогнозировать траекторию и скорость роста трещины в областях упругого поведения материала, локально упруго-пластического и обшэй текучести материала.

2. Разработан эффективный алгоритм решения динамической упругопластической задачи, базирующийся на теории течения и МКЭ, позволяющий анализировать НДС конструкции в условиях сложного термосилового импульсного нагружения с учетом остаточных технологических напряжений.

3. Разработана экспериментально-расчетная методика определения параметра трэвдностоакоста J_IC, базирующаяся на концепции Т-интеграла. Методика позволяет надежно определять J_lc в случае некорректного экспериментального фиксирования момента страгива-ния трещины.

4. Разработана экспериментально-расчетная методика определения полей остаточных технологических напряжений, базирующаяся на рзшении обратных задач теории упругости. Методика позволяет определять остаточные напряжения в произвольном сечении тела.

Практическая ценность работы состоит в том, что на осн.л>г созданных методов проведена количественная оценка прочности и долговечности узлов энергетического оборудования. С учетом установленных закономерностей формирования ВДС при изготовлении и эксплуатации даны конкретные рекомендации по выбору рациональных конструктивно-технологических решений, направленных на увеличение долговечности конструкций.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались на научных семинарах: кафедры "Строительная механика корабля" СПГМТУ, Ленинградском филиале института машиноведения им. А.А.Благонравова АН СССР,(Центральном научно-исследовательском институте конструкционных материалов "Прометей"; Всесоюзной научно-технической . конференции: "Снижение металлоемкости и повышение надежности и долговечности сварных конструкций" (Киев, 1983 г.), Всесоюзной школе-семинаре "Механика разрушения и прочность сварных соединения и конструкций" (Ленинград, 1991 г.). Восьмой международной конференции по механике разрушения материалов (Киев, 1993 г.). По теме диссертации опубликована 21 статья.

Структура и обьем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы, приложения и содержит 2 страницы машинописного текста, 43 рисунка и 5 таблиц.