Введение к работе
Актуальность проблемы.Оболочки с отверстиями являются ванными элементами многих современных конструкций.Такие конструкции .работающие при высоких температурах, нашли иирокое применение в ваанейиих областях техники. Иояно назвать такие ведущиэ отрасли, как теплоэнергетика, атомная энергетика, металлургия, химическая промышленность и т.п.
Температурные напряления, возникающие в процессе изготовления и эксплуатации оболочечных элементов конструкций,влияют на работоспособность оборудования,срок то службы,в крнтнчэских ситуациях могут приводить к авариям и разрушению установок.Поэтому при конструировании оборудования, оценке его эксплуатационных характеристик при высохих температурах,надеаности и долговечности необходимо знать уровень температурных напряжений. Особенно ваяна задача определения терконапряленного состояния оболочек из тугоплавких материалов - керамики, специальных
тугоплавких сталей, заропрочных сплавов. Такие материалы могут
о работать при температурах 1000 - 2000 С, некоторые материалы не
о теряют упругих свойств при температурах порядка ЗООО С.
Результаты современных исследований температурных напряяеі їй в оболочках с отверстиями, опирающихся на аналитические методы реиеііия, показывают, что получение результатов в явном видо возможно листь при определенных допущениях, основанных на различных типах симметрии. В случаях слоеной геометрии и несимметричных температурных полей аналитические методы применяат для гыаода уравнений, используемых при численных расчетах.
Численные методы решения термоупругих задач достаточно мощны и область их применения практически не ограничена, яо з сдучаа
ревения краевых задач существенно усложняются алгоритны расчете* и резко возрастает количество необходимых иттерацкй, снижается Точность результата. Поэтому применение численных методов затруднено для оболочек с отверстиями,когда температурные поля имеет резво неоднородный характер.
Не сиотря на бурное развитие расчетных методов, не утратили своего значения экспериментальные методы определения температурных напряжений.Однако некоторые изделия новой техники работают при высоких температурах,когда обычные экспериментальные методы не применимы.Так тенэометрические методы определения напряжений при высокой температуре сложны,требует применения специальных материалов,например, ионокристаллического никеля. При
о температурах выве 700 - 800 с тензометрическне методы не применялись. Неконтактные методы измерения температурных напряжений сложны и дороги, а при высоких температурах дает больную погрев-ность.
Как видно из анализа литературы наиболее доступными методами, обеспечиБаюциии достаточную точность определения напряженного состояния оболочек при высоких температурах, являются аналоговые модельные методы.
Наиболее перспективным, позволяющий охватить еирокнй класс твркокэхснкчсских задач, является расчвтко-экспериментаяьный ыбход, спкрашзчйся иь принцип етбгико-гаанвгричбской аналогии
В ГЄОРЙЙ ОЙОЕОЧСК и пл&стнк.
Стегико-геокстркческав аналогия для териоупругой задачи следует из симметрии систем уравнений териоупругой к статической надач теории оболочек. Существует взаимно однозначное соствет-стака,согласно которому, при замене компонент усилий и деформаций териоупругой задачи на соответствующие км компоненты стати-
5 ческой, одна система уравнений переходит в другу». Рассматривают напряженно-деформированное состояние оболочки « -внешней поверхностной нагрузкой, определяемой заданным температурным полем,которая характеризует степень несовместности чисто тепловой деформации срединной поверхности.При этом граничные условия , соответствующие свободному краю,переходят в условия жесткого защемления и наоборот.
Предложен расчетно-экспериментальный метод,основанный на статико-геометрической аналогии. Модельная оболочка,соотаетсвую-щая реальной,подвергается статической нагрузке,пересчитываемой по температурной.Замена реальной оболочки, работающей при высоких температурах, моделью позволяет исследовать тремонапряхениое
состояние на изотермических оболочках при температурах около
о 20 С.По измеренным на модели деформациям рассчитываются значения температурных напряжений,возникающих в реальных оболочках при высокотемпературном нагреве.При этом погрешность результатов достигает 10-15Х, при значении коэффициента Пуассона 0,10-0,33 ,а для материалов, с коэффициентом Пуассона от 0,05 до 0,15,не превышает 5-10Х.В сложных случаях, когда оболочка подвергается одновременно силовому и температурному воздействию, задача решается на основе принципа суперпозиции. Наложение решений силовой и температурной задач дает результат, который со ответствует совместному действию соответствующей силовой нагрузки и температурного поля.
Анализ литературы показах,что данный метод моделирования температурных напряжений в оболочках с отверстиями, при его высокой эффективности,не полнолстью реализован при решении задач термоупругости. Не решен целый ряд задач, входящих в область проблем, разрешаемых указанным методом. На основе проведенного анализа
выбраны наиболее актуальные практические задачи, определившие Фен/ и цель диссертационной работы.
Цель диссертационной работы. Моделирование температурных иапряавний в тонких изотропных оболочках с отверстивнн, находящихся э неоднородных стационарных полях температур, с по-коіць» катода,основанного на статнко-геокетрячвскоЯ аналогии тормоупругой и статической задач теоркк обо*очее,в частности:
разработка иьгода моделирования теипературнык напряжений,воз-нихающих в оболочках с отверсткяни при локальном нагреве;
разработка негода коделнрованиЕ температурных напряЕвннй,возникающих в цилиндрической оболочке с узкий аксиальный отверстием ,икещвй перепад температур вдоль отверстия;.
разработка катода иодедираааикк температурных напрагеннй.воз-иші&юкїнк а оболочках врсггания с сестккм включением,имеющим гладкий контор, ари перепада значений температур на знеиней к внутрсикэй поверхностях ойолочкн;
На эечяту Ешюсятсг: расчотно-зкспоринеиталькый иегод моде-лироэгшня температурках напряжений е'тонких изотропных оболочках с отверстиями,находящийся в неоднородных стационарных полях такпвратур, а t'skss полученные на основа разработанного метода результаты р-ьсчєт-об к экспериментов пс определению терионапрк-ггэнкого состояния конкретных конструкционных оболочек с отвзрс-тиями.
Научная мойизна работы состоит в сгекувком:
разработан кетод иодеанрования температурных напряяекий р тонких изотропных оболочках с отверстиями .находящихся в неоднородных стационарных полях температур;
проведено модедированне температурных напрягений,возникающих п обохочках с отверстиями при локальном нагреве;
7 в цилиндрической оболочке с узкий аксиальным отверстием , имв»«еи перепад температур вдоль отверстия; в оболочках вра-цения с жесткий включением , имевшим гладкий контур,при ли- .. нейном перепаде значений тенператур на внеиней и внутренней поверхностях оболочкиj
получены аналитические выражения для аналогових нагрузок В., рассматриваемом классе задач ;
определены критерии применимости плоских защемляючих фланцеац-на аналоговых моделях оболочек.
Достоверность основных научных результатов и выводов диссертации обеспечивается строгостью постановки задач и применяомнж для их анализа математических катодов; сравнением результатов, получаемых при различных постановках задач; совпадением результатов с известными в литературе предельными случаями; повторяемостью результатов экспериментов.
Практическая ценность работы заключается: 1.В создании эффективных моделей для определения температурных напряжений,возникающих:
- в оболочках с отверстиями при локальном нагреве;
в экранной оболочке с узким аксиальным отверстием .имевшей перепад температур вдоль отверстия;
в сферической оболочке с жестким включением,при линейном перепаде значений температур на внешней и внутренней поверхностях оболочки.
2.Проведен анализ температурных напряжений в деталях,имеющих форму оболочек с отверстиями, при различных условиях нагрева. Результаты исследования сложных задач позволяют сделать научно обоснованные выводи и дать конкретные технические рекомендации при проектировании,изготовлении и эксплуатации оболочачных коне-
трукций.Они внедрены в практику заинтересованных организаций и цоподьзуитса при создании новой техники.
апробация работы. Основные положения н результаты работы докладывались и обсуждались на:
кеждународном семинаре "Технологические остаточные напряжения" (г.Подольск, 1890 г.);
на Всесоюзном научном семинаре "Актуальные проблемы неоднородной механики" (г.Вреван,1891 г.);
межреспубликанском научном семинаре "Технологические проблемы прочности" (г.Подольск, 1992г.);
I международной конференции "Heasuronent and instrument in the metallurgical industry"(Китайская народная республика,188Эг.),*
научной семинаре кафедр "Детали иаанн" и "Сопротквленні мате- риалов" Московского государственного открытого университета под руководством профессора Прзобрааенского И.Н.
Публикации.По теме диссертации опубликовано 7 работ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введення,