Введение к работе
Актуальность работы. Одним из основных направлений научно-технического прогресса на современном этапе является повышение надежности и долговечности машин и инкенерных сооружений. Практическое решение этой проблемы требует улучшения качества диагностики напряненно-деформирозаняого состояния элемзнтоз конструкций в процессе их изготовления и эксплуатации.
Для диагностики напряженно-деформированного состояния элементов конструкций применяют различные расчетные методы и экспериментальные, основанные на измерении напряаёний и деформаций, которое осуществляют обычно в процессе испытаний. К экспериментальным относятся такие известные методы, как тензонетрический и термоэлектрический, методы, основанные на применении наносимых на поверхность исслздуекого конструктивного элемента реперних точек, линий, муаровых полос а покрытий, а таюхе методы, в основу которых положен учет изменения физических свойств материала конструкции в процессе деформирования. Эти методи достаточно полно рассмотрена в монографиях К.Финка и Х.Рорбаха, И.П. Сухарева, Г.Д.Деля, коллективной монографии под редакцией А.Н.Гузя, в справочных пособиях Н.Й.Пригорозского и коллектива авторов в составе Б.С.Касаткина, А.Б.Кудрина, Л.И.Лобанова и др., а также в многочисленных статьях. Большинство указанных методов требует проведения измерений одновременно с процессом нагружепия. Методы, основанные на учете изменения физических свойств деформированного материала, слонны при разделении компонент тензоров напряжений и деформаций в общем случае слонного напряженного состояния и требупт наличия достаточно сложного оборудования. На практика зе часто встречаются условия, когда нагрузки или перемещения в конструкции неизвестны либо возможность их определения в процессе нагружения- затруднена. Так, например, в процессе эксплуатации напряжения и деформации обычно не измеряют, необходимость же в их определении возникает в случае разрушения конструкции, когда требуется установить причины возникновения аварийной ситуации. Аналогичное положение имеет место при технологическом деформировании материала в процессе изготовления элементов конструкций. Для оценки напряженно-деформированного состояния в подобных условиях иохет быть
применен метод, основанный на решении сформулированной А.А.Идыо-ПИ11Ш в теории пластичности в общей виде задачи генезиса начальних состояний. Однако, возможность использования этого метода ограничена в связи с теи, что известные решения этой задачи справедливы лить для материалов, проявляющих вырааенную анизотропию упругих свойств, либо носят приблиаенный характер и относятся к частным случаям напряженного состояния.
С учетом сказанного является актуальным эффективное решение задачи генезиса начальных состояний в общем случае сложного напряженного состояния применительно к широкому кругу конструкционных металлов и разработка на основе полученного решения достаточно простого и экспериментально обоснованного метода оценки напряженно-деформированного состояния элементов конструкций в условиях, когда данные о величине нагрузок или перемещений отсутствуют, а процессы нагружения и определения напряжений и деформаций разделены во времени.
Целью работы является решение проблемы диагностики напряженно-деформированного состояния элементов конструкций на стадиях изготовления и эксплуатации в случаях, когда нагрузки или перемещения неизвестны, путем разработки и экспериментального обоснования метода определения напряжений и деформаций, основанного на учете деформационного упрочнения материала конструкции или прикрепляемых к ее поверхности пластических индикаторов.
Научная новизна работы заключается в том, что в ней впервые разработан и экспериментально обоснован новый метод оценки напряженно-деформированного состояния элементов конструкций, основанный на решении задачи генезиса начальных состояний путем учета деформационного упрочнения материала, используя концепцию поверхности нагружения, при нагружении по прямолинейным траекториям и траекториям деформирования малой кривизны. При разработке метода получены соотношения, устанавливающие связь между уп-ругопластическими свойствами деформированного материала и параметрами искомого процесса нагружения, а также проведена на широком круге конструкционных металлов проверка использованных гипотез теории пластичности, описывающих деформирование и упрочнение материала при нагружения по указанным траекториям.
Достоверность полученных результатов обеспечивается экспериментальным обоснованием использованных гипотез и допущений, а
такав соответствием данных о напряженно-деформированном состоянии ряда нвтурных конструкций, полученных с помощью предложенного метода, результатам непосредственного измерения деформаций и оценки по их значениям величины напряжений. Достозерность экспериментальных данных подтверядаатся повторяемостью результатов при многократной реализации одной и той же программы нагрунеиия и метрологическим обеспечением измерении.
Практическая значимость работы заключается:
з обеспечении возможности диагностики напряженно-деформированного состояния элементов конструкций в случаях, когда данные о нагрузках или перемещениях в процессе йагружавия отсутствуют;
в использовании установленных закономерностей деформационного упрочнения при разработке технологических процессов изготовления элементов конструкций, включающих пластическое деформирование;
в использовании упругопластических и прочностных характеристик исследованных конструкционных материалов при сложном напряженном состоянии в расчетах несущей способности элементов конструкций.
Результаты работы внедрены в инженерную практику ряда предприятий страны. Документально подтверяденный экономический эффект от использования результатов работы на этапе ее выполнения составляет 940 тыс.руб. По результатам разработок получено 7 авторских свидетельств на изобретение.
Апробация работы. Основные результаты настоящей работы докладывались на ХП, ХШ, ХІУ и ХУ Научных совещаниях по тепловым напряжениям в элементах конструкций (Канез, 1972, 1974, 1977, I960), П Всесоюзной конференции по прочности и пластичности (Горький, 1978), Всесоюзном совещании "Прочность материалов и элементов конструкций при сложном напряженном состоянии" (Киев, 1977), IX, X, XI и ХП Научно-технических совещаниях по тепловой микроскопии металлических материалов "Структура и прочность материалов в широком диапазоне температур" (Фрунзе, 1980, Новокузнецк, 1982, Москва, 1984 и 1986), I Всесоюзной конференции по многослойным сварным конструкциям а трубам (Киев, 1980), I Всесоюзной конференции по влиянию термообработки на свойства титановых сплавов (Днепропетровск, 1980), Всесоюзном симпозиуме
по устойчивости в механике деформируемого твердого тела (Калинин, 1981), Всесоюзной научно-технической конференции "Термическая и термомеханическая обработка стали - важный резерв экономия металла" (Днепропетровск, 1981), П, Ш и ІУ Научно-технических конференциях "Совершенствование эксплуатации и ремонта корпусов судов" (Калининград, 1981, 1984, 1986), Ш Всесоюзной конференции по прочности и пластичности (Пермь, 1983), П Всесоюзном симпозиуме "Прочность материалов и элементов конструкций при сложном напряженном состоянии" (Киев, 1984), Всесоюзной конференции "Повышение надежности и долговечности сельскохозяйственных машин" (Красноярск, 1985), Всесоюзной конференции "Аппаратура и трубопроводы высокого давления" (Иркутск, 1985), Всесоюзной научно-технической конференции "Проблемы трубопроводного транспорта нефти и газа" (Ивано-Франковск, 1985), Науч-нотехнической конференции "Экспериментальные методы в механике деформируемого твердого тела" (Калининград, 1987), И Всесоюзной конференции "Современные проблемы строительной механики и прочности летательных аппаратов" (Казань, 1988), семинаре кафедры теории упругости МГУ (Москве, 1982, руководитель семинара член-корр. АН СССР А.А.Ильюшин).
Диссертационная работа в полном объеме докладывалась на семинаре отдела механики разрушения материалов Института механики АН УССР (Киев, 1984, 1989, руководитель семинара д.ф.-м.Нг профессор А.А.Каминский), семинаре по механике деформируемых систем и общей механике Института механики АН УССР (Киев, 1984, 1989, руководитель семинара академик АН УССР А.Н.Гузь), семинаре Института проблем прочности АН УССР "Напряженно-деформированное состояние и расчет на прочность" (Киев, 1987, руководитель семинара академик АН УССР А.А.Лебедев), семинаре ЦИАМ "Проблемы прочности и динамики в авиадвигателестроении" (Москва, 1987, руководитель семинара д.т.н. профессор И.А.Биргер), семинаре по механике деформируемого твердого тела НИИ механики МГУ (Москва, 1989, руководитель семинара д.ф.-м.н. профессор В.Ы.Панферов), семинаре по научному направлению "Механика разрушения и усталость" Института механики АН УССР (Киев, 1989, руководитель семинара д.ф.-м.н. профессор А.А.Каминский), семинаре кафедры динамики и прочности машин и сопротивления материалов КПИ (Киев, 1989, руководитель семинара д.т.н. профессор Н.С.Мокаровский).
Публикации. Основные результаты, изложенные в диссертации, опубликованы в W печатных работах.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, списка литературы и приложения. Работа включает 196 страниц машинописного текста, 70 иллюстраций и 48 таблиц, список литературы из 356 наименований.
Диссертационная работа выполнена в отделе механики разрушения материалов Института механики АН УССР. Автор выражает искреннюю благодарность научным консультантам члену-корреспонденту АН УССР, доктору технических наук, профессору В.Н.Шевчек-ко и доктору физико-математических наук, профессору А.А.Каминскому за постоянное внимание и рекомендации при выполнении работы.