Нестационарные нагружения элементов конструкций из медленно стареющих материалов Хричиков, Виталий Викторович

Введение к работе

Актуальность проблемы. Конструкционные материалы подвержены процессам старения, меняющем их внутреннюю структуру. Материалы с неизменными во времени свойства?/!! (структурно-стабильные материалы) представляют собой идеализацию, которой пользуются, когда реально происходящие изменения не существенны. Однако часто встречаются материалы, свойства которых с течением времени заметно изменяются. X ним относятся прегкде всего основные конструкционные материалы (полимеры, бетон, металлы), на процесс старения которых оказывает влияние нагрузка. Старение в зависимости от состава, механической и тепловой предыстории может приводить как к упрочнению, так и разупрочнении реальных материалов.

3 настоящее время характерно использование материалов в интенсивных режимах механических, тепловых и иных воздействий с разнообразной историей. Процесс изготовления (монтажа) конструкций обычно требует затрат времени. Поэтому для инженерной практики важно не только знать исходные характеристики конструкций, но и уметь прогнозировать их изменение при той или иной истории нагружения. Расчет конструкций из стареющих материалов по конечному состоянию, т.е. после окончания монтажных работ и приложения эксплуатационных нагрузок, может оказаться недостаточным. Для систем со старением представляет интерес учет промежуточных стадий возведения, эксплуатации и хранения, когда состояние системы зависит от всей истории произведенных над ней действий. Прогнозированию характеристик конструкций с учетом старения по-сйяц^пно значительное количество работ. В большинстве из них по-лагаеточ, что сгойства материала меняются во времени в резуль-гатд про??кання некоторых рнутренних процессов, которые не за-

висят от приложения нагрузок, а происходят сами по себе. Часто при описании поведения стареющих материалов используются скрытые (внутренние, структурные и т.п.) параметры, характеризующие состояние материала. Представляют интерес физические зависимости, из которых внутренние параметры исключены и все характеристики, описывающие поведение стареющих материалов, находятся в результате измерения механических величин - сил и деформаций- При учете влияния нагрузки на процесс старения физические зависимости нелинейные, принцип суперпозиции не применим. Поэтому для структурно-нестабильных материалов фактическое нахождение решений встречает значительные трудности и требуется нахождение таких физических зависимостей, которые имеют наиболее простую структуру, хорошо описывают опытные данные и являются эффективными при решении прикладных задач.

Целью диссертации является:

построение простой модели структурно-нестабильного ма-.териала при влиянии истории нагружения на процесс старения;

разработка методов расчета напряженно-деформированного состояния элементов конструкций при воздействии статических и динамических нагрузок на основе предложенной модели;

построение критериев длительного, усталостного и квазихрупкого разрушения структурно-нестабильных материалов на основе предложенной модели.

Научная новизна состоит в следующем:

1. предложена и обоснована физически нелинейная модель структурно-нестабильного материала, позволяющая учитывать влияние истории нагружения на гроцесс медленного старения при разностных ядрах наследственности;

2. на основе универсального метода возмущения (метода малого параметра) разработан и реализован эффективный припм

решения физически и геометрически нелинейных задач с учетом влияния истории силового и температурного нагружония на процесс старения;

3) предложена и обоснована модель длительного, усталостного и кваэнхрупкого разрушения структурно-нестабильного материала, позволяющая учитывать влияние нагрузки на процесс старения.

Практическая ценность. Реальные конструкционные материалы изменлэт свойства в процессе старения не елипкоч быстро. Предложенная модель медленно стареющего материала и разработанная методика ресения нелинейных задач могут быть использованы для всего круга задач механики деформируемого твердого тела: расчеты на жесткость, прочность, устойчивость, колебания и др. Преимуществом разработанной модели является то, что она позволяет использовать любые известные, хорошо изученные физические зависимости для инвариантного во времени материала, а поправку, описывающую влияние истории нагру-яенил на процесс медленного старения можно определить по методу возмущения.

Предложенная модель открывает возможность получения фактических решений краевых задач для структурно-нестабильных материалов при влиянии нагрузки на процесс старения, что позволяет инженерам более обоснованно подойти к определению надежности, долговечности, ресурса, срока службы и экономичности конструкций.

Внедрение результатов. Разработанная модель структурно-нестабильного материала была использована на предприятиях и в организациях при оценке предель''-»'"^ состояния конструкций при нестационарных нагружен-.»»*, при описании явления

смягчения нелинейности деформации ползучести сталефибробетона, замене высокотемпературного отпуска сварных конструкций на механический отпуск в поле упругих напряжений, для прогнозирования деформирования и разрушения сплавов в длительных временах путем кратковременного эксперимента, определения срока службы резино-техиических изделий и др. В результате внедрения выполненной работы получен зконоіліческий эффект.

Результаты диссертации могут бсіть использованы в организациях, занимавшихся прогнозированием деформирования и разрушения злементов конструкций.

Апробация работы. Результаты исследований, содержащиеся в данной работе, по мере выполнения, поэтапно были доложены на: 3-ем Всесоюзной научно-техническом совещании "Динамика и прочность автомобиля", ноябрь, 1988, Москва; научно-технической конференции "Метода расчета изделий из высокоэластичных материалов", февраль, 1989, Рига; научных семинарах кафедр сопротивления материалов Политехнического и Кораблестроительного (С.Петербург) институтов, октябрь, 1991 г.

На защиту выносятся:

1. обоснование предложенной модели структурно-нестабильного материала, учитывающей влияние нагрузки на процесс медленного старения при исключенных скрытых параметрах и разностных ядрах наследственности;

2. разработка методов расчета напряженно-деформированного состояния олемеитов конструкция из структурно-нестабильных материалов на основе предложенной модели;

3. критерий длительной прочности структурно-нестабильных материалов при исключенных скрытых параметрах;

4. моделирование квазихрупкого разрушения стяреших материалов.

Публика тім и. Основное содержание диссертации полностью отражено п публикациях автора.'Им опубликовано II научных статей во Всесоюзных и республиканских изданиях. Издательство "Зинатне" ЛІІ Латвии приняло к опубликованию монографии "Расчет конструкций, старегащіх d напряженном состоянии", 4,0 п.л., 1992 г.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Она содержит 179 страниц машинописного текста, 28 рисунков и список литературы из 69 наименований. Приложение содержит акты, подтверждающие внедрение и практическое использование результатов исследований.