Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ. Для современного машиностроения важной проблемой является оценка влияния дефектов, в частности трещин, на живучесть элементов конструкций. В связи с этим необходима разработка обоснованных методов прогнозирования трещиностойкости элементов конструкций с позиций механики разрушения. Данная проблема имеет три основных аспекта : расчет напряженно-деформированного состояния элементов конструкций с трещинами, учет влияния эксплуатационных факторов на характеристики трещиностойкости материала и анализ условий переноса результатов испытаний стандартных лабораторных образцов с трещинами на конструкции.
При расчете напряженно-деформированного состояния тел с трещинами основополагающее значение имеет расчет коэффициентов интенсивности напряжений ( КЙН ). По величине КИН рассчитываются такие характеристики, как предел трещиностойкости, коэффициент интенсивности деформаций, $ и J - проектные кривые и т.д. Расчет КИН для трещин в элементах конструкций связан с рядом трудностей. В связи с сингулярным характером напряженно-деформированного состояния у вершины трещины трудоемкость и стоимость численного расчета КЙН для конструкций с дефектами существенно выше, чем для конструкций без дефектов. При решении практических задач необходимо рассматривать многочисленные конфигурации для различных вариантов форш и локализации дефектов, что осложняет применение традиционных численных методов. В то же время, известные упрощенные методы часто приводят к существенным погрешностпы при оценке КИН.
Для решения прикладных задач механики разрушения необходима разработка таких методов расчета КИН, которые сочетали бы универсальность и высокую точность с оперативностью и низкой стоимостью вычислений. В связи с отмеченным, значительный интерес представляет метод весовых функций ( МВФ ).
При анализе трещиностойкости элементов конструкций на стадиях проектирования и эксплуатации актуальной является проблема переноса результатов испытаний стандартных лабораторных обра.зцоп на конструкции, содержащие типичные трещины.
Существенный интерес представляет использование механики разрушения для расчета ресурса ответственных элементов гжерго-оборудования теплоэлектростанций I ТЭС ), которые работягл в условиях сочетания ползучести, усталости и проектируются на срок
эксплуатации порядка 100 тыс. час.
ЦЕЛЬЮ РАБОТЫ является создание методов прогнозирования трещиностойкости элементов конструкций на основе расчета КИН у типичных дефектов при разнообразных условиях нагружения и обосновании критериев переноса результатов испытаний стандартных образцов с трещиной на конструкции.
В соответствии с постановленной целью работа включала :
разработку метода -расчета КИН для типичных дефектов в элементах конструкций при разнообразных условиях нагружения, базирующегося на применении обобщенных весовых Функций ( Ш );
исследование критериев роста несквозных трещин и переноса результатов испытаний стандартных образцов на конструкции;
исследование влияния эксплуатационных факторов на распространение трещин в теплостойких турбинных сталях и оценку ресурса ответственных элементов ТЭС с позиций механики разрушения .
НАУЧНАЯ НОВИЗНА работы заключается в следующем :
а) предложен способ расчета распределения КИН вдоль фронта
произвольно нагруженных трещин нормального отрыва, базирующийся
на применении обобщенных ВФ;
б) предложен способ построения приближенных ВФ для осесим-
метричных и плоских, в том числе несимметричных задач;
в).предложен способ оценки погрешностей выражений для КИН, которые используюгся в МВФ;
г) обоснован метод оценки КИН и распределения номинальных
напряжений по дискретным значениям раскрытия берегов трещины;
д) обоснована модель прогнозирования роста несквозных
трещин по критерию эффективного КИН;
е) изучена связь кинетики и механизмов роста трещин пол
зучести для теплостойких турбинных сталей.
Достоверность полученных результатов обеспечивается сопоставлением расчетных значений КИН при различных вариантах нагружения с известными аналитическими и численными решениями; проведением вычислительных экспериментов; теоретическим анализом погрешностей для КИН; сравнением прогнозируемых характеристик роста трещин с экспериментальными данными; сопоставлением теоретических и экспериментальных диаграмм оценки разрушения; сопоставлением результатов определения характеристик
трещиностойкоети, полученных на различных образцах и различными способами с литературными данными.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕНЮСТЬ выполненных исследований состоит в следующем :
а) на основе МВФ обеспечивается многократное снижение стои
мости и трудоемкости расчета КИН, по сравнению с традиционными
численными методами, что достигается, как правило, без ущерба
для точности и особенно важно при проведении многовариантных
расчетов на стадии проектирования;
б) для ряда типичных конфигураций предложены и апробированы
замкнутые формулы для КИК;
в) установлены условия переноса характеристик трещиностой
коети, полученных путем испытания стандартных образцов при
статическом, циклическом нагружении и ползучести, на конструкции;
г) на стадии эксплуатации предложенная методика позволяет с
достаточно высокой точностью рассчитать величину КИН для дву
мерных и осесимметричных конфигураций по результатам измерения
раскрытия в 2 ... 3 точках, удаленных от вершины трещины;
д) разработаны рекомендации для экспертной оценки трещино
стойкоети материала по размерам зоны вытягивания на поверхности
излома;
ж) установлены закономерности роста трещин ползучести в
теплостойких сталях для интервала температур и длительностей
испытаний, отвечающих условиям эксплуатации элементов ТЭС;
з) с позиций механики разрушения получена оценка живучести
ответственных элементов ТЭС в межремонтный период.
Результаты работы внедрены на предприятиях Минэнерго, Мин-энергомаш, Минхиммаш, Минавиапром с экономическим эффектом более 800 тыс. рублей, вошли в отчеты по некоторым пунктам целевых комплексных общесоюзных программ 0Ц.00І, 0Ц.002, КП НТП СЭВ, республиканской программы "Материалоемкость", программы АН СССР "Фундаментальные проблемы машиностроения" и др., а также в MP "Расчеты КИН для типичных дефектов" Госстандарта СССР.
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Материалы диссертации докладывались на УІ Съезде по теоретической и прикладной механике ( Ташкент 1986 ), II Всесоюзном симпозиуме "Механика разрушения" { Житомир 1985 ), I Всесоюзной конференции ".Механика разрушения" ( Львов I0S7 ),
Всесоюзной конференции "Проблемы оптимизации в машиностроении" ( Харьков 1982 ), Всесоюзной конференции "Тепловая микроскопия" ( Москва 1985, Каунас 198^ ), Всесоюзной конЛеренции "Интенсификация - 90" ( Ленинград 1985 ), Всесоюзной конференции "Диагностика узлов и деталей энергооборудования для определения надежности и безопасности его работы" ( Уосква 1985 ), II Международном симпозиуме по применению численных методов в технике ( Монреаль 1981 ), У Конгрессе по разрушению ( Канны 1981 ), УП и У11І Симпозиуме по Лизине разрушения ( Магдебург 1935, 1988 ), заседаниях научно-методической комиссии по стандартизации в области механики разрушения 1985-1989 г.г., семинарах Института проблем прочности АН УССР 1988-1989 г.г. и др.
ПУБЛИКАЦИИ. Основные результаты работы отражены, в 37 пуб-. ликаципх во всесоюзных и мехідународньгс журналах.
СТРУКТУРА И 0БЪЩ РАБОТЫ. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, трех приложений, списка использованной литературы. Работа изложена на 334 страницах, включая
58 рисунков, 31 таблиц и 347 библиографических наименований.