Содержание к диссертации
Введение
Аналитический обзор и постановка задачи исследований. 8
1.1. Основные экспериментальные данные по поведению конструкционных материалов при совместном действии ползучести и усталости . 8
1.2. Анализ феноменологических моделей деформирования и разрушения материалов при виброползучести. 17
1.2.1. Концепция приведенного напряжения. 18
1.2.2. Описание ползучести при циклическом изменяющемся напряжении. 19
1.2.3. Характер суммирования повреждений при виброползучести, 20
1.2.4. Кинетическая концепция виброползучести. 25
1.2.5. Энергетическая концепция виброползучести. 29
1.3. Постановка задачи исследования. 35
2. Разработка энергетической модели деформирования и разрушения материалов в условиях виброползучести и методики идентификации ее параметров. 37
2.1. Уравнения состояния и критерий разрушения материалов в условиях виброползучести . 37
2.2. Методика идентификации параметров энергетической модели виброползучести. 46
2.3. Модель деформирования и разрушения материалов при циклической ползучести для сложного напряженного состояния. 50
3. Экспериментальные и расчетные исследования деформирования и разрушения материалов при совместном действии статических и циклических напряжений. 54
3.1. Методика, установка и приспособления для испытаний ,- 54
3.2. Результаты испытаний, их обработка и анализ. 58
4. Некоторые технологические задачи в режиме виброползучести. 72
4.1. Наведение остаточных напряжений в валах и балках в режиме виброползучести . 73
4.2. Исследование влияния предварительного неупругого деформирования на долговечность деталей с концентратором. 79
5. Расчет неупругого реологического деформирования диска турбины с
дефлектором и экраном обода при совместном действии квазистатических и циклических нагрузок. - 96
5.1. Постановка задачи, 96
5.2. Решение задачи в упругой области. 104
5.3. Решение задачи в области неупругого реологического деформирования . 108
6. Заключение. 117
7. Библиографический список. 118
- Основные экспериментальные данные по поведению конструкционных материалов при совместном действии ползучести и усталости
- Уравнения состояния и критерий разрушения материалов в условиях виброползучести
- Методика, установка и приспособления для испытаний
- Наведение остаточных напряжений в валах и балках в режиме виброползучести
- Решение задачи в области неупругого реологического деформирования
Введение к работе
Актуальность темы. Рост рабочих параметров и, соответственно, нагруженности деталей машин, работающих в режиме ползучести при нестационарном температурно-силовом воздействии, требует наиболее полного использования прочностных и деформационных свойств материала конструкции. Это делает необходимым дальнейшее совершенствование расчетных методов, в частности, определяющих соотношений, связывающих внешние температурно-силовые воздействия и деформационные свойства материала, с учетом в них реальных условий работы деталей. Построение таких определяющих соотношений является важным направлением научных исследований механики деформируемого твердого тела.
Реальные условия работы деталей машин сопровождаются вибрационным фоном (вибронагрузкой), который в расчетах часто не учитывается, хотя по известным литературным данным существенно влияет на накопление деформаций ползучести, а, следовательно, и на долговечность конструкции. Именно в таких условиях работают такие промышленные объекты, как диски и лопатки двигателей летательных аппаратов, нефте- и продуктопроводы в нефтехимической промышленности (из-за пульсаций давления), элементы автотранспортной техники (из-за вибраций), здания и сооружения (например, от ветровых, сейсмических и других нагрузок) и многие другие промышленные установки. Поэтому проблема учета в расчетах вибрации, наложенной на статическую нагрузку в условиях повышенных температур, имеет большой научный и практический интерес. Актуальность разработки соответствующих математических моделей не вызывает сомнений.
Цель диссертации. Разработка феноменологической модели виброползучести, позволяющей описывать реологическое деформирование и разрушение конструкционных материалов при совместном действии квазистатических и циклических напряжений. Применение полученных зависимостей для решения некоторых краевых и технологических задач при оценке ресурса элементов конструкций.
Научная новизна.
Выполнен системный анализ существующих экспериментальных данных по виброползучести материалов и обоснован энергетический подход к построению соответствующей феноменологической модели виброползучести.
На основе энергетической концепции разработана феноменологическая реологическая модель и предложен критерий разрушения конструкционных материалов в условиях виброползучести для сложного напряженного состояния.
Получены экспериментальные данные по виброползучести для ряда структурно-стабильных сплавов (ЭИ698, ЭП742 и ВТЗ-1), на основании
которых выполнена проверка адекватности предложенной модели виброползучести.
Представлены методики решения краевых задач о напряженно-деформированном состоянии (НДС) валов и дисков в режиме виброползучести и показано, что вибрация ускоряет процесс деформирования и является причиной снижения ресурса по сравнению с квазистатической ползучестью.
Теоретически обоснована технология наведения остаточных напряжений в элементах конструкций в режиме виброползучести.
Практическая значимость работы. Разработанная на основании термодинамического подхода модель виброползучести в теоретическом плане обобщает существующие реологические модели квазистатической ползучести и длительной прочности и позволяет на стадии проектирования научно обоснованно учитывать влияние вибрации при определении НДС элементов конструкций, а также на их долговечность и длительную прочность. Предложена и реализована методика решения технологических задач по наведению остаточных напряжений виброползучестью в гладких валах и балках, что вносит определенный вклад в расширение методик повышения их ресурса.
Определенный интерес для экспериментальной практики представляют разработанные приспособления, позволяющие на стандартном оборудовании производить испытания на одноосное растяжение в режиме виброползучести, а также на квазистатическое растяжение и знакопеременный изгибающий момент. Экспериментально получены кривые виброползучести сплава ЭИ698 при температурах 700 С, 750 С и 775 С; сплава ЭП742 при температурах 700 С и 750 С; сплава ВТЗ-1 при температуре 450 С; частота циклической компоненты напряжения составляла 50 Гц.
Обоснованность выносимых на защиту научных положений, выводов и рекомендаций, а также достоверность полученных результатов исследований подтверждается:
адекватностью модельных представлений реальному поведению материалов в условиях виброползучести;
корректностью использования математического аппарата, законов механики деформируемого твердого тела;
апробированностью применяемых численных методов и сопоставлением расчетных данных экспериментальным данным;
- точностью и достоверностью опытных данных, которые обеспечива
лись регламентированным (по ГОСТ) использованием экспериментальной
техники и методики обработки данных.
На защиту выносятся:
1. Энергетическая модель реологического деформирования и разрушения металлических материалов в условиях виброползучести и методика идентификации ее параметров.
Методика и результаты испытания на виброползучесть сплавов ЭИ698, ЭП742, ВТЗ-1.
Методика наведения остаточных напряжений в валах и балках в режиме виброползучести при квазистатическом растяжении и знакопеременном изгибающем моменте (численный эксперимент, результаты испытаний).
Анализ НДС и долговечности деталей с концентратором при предварительном неупругом деформировании в режимах упругопласти-ческого нагружения, ползучести и виброползучести.
Методика и результаты расчета диска турбины ГТД с дефлектором и экраном обода с учетом вибраций.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5-ти глав, заключения и списка использованных источников из 113-ти наименований. Работа содержит 127 страниц машинописного текста.
Основные экспериментальные данные по поведению конструкционных материалов при совместном действии ползучести и усталости
Как правило, при совместном действии статических и циклических нагрузок явления ползучести и усталости не поддаются описанию обычными классическими подходами [68,93], т.е. с точки зрения неустановившейся ползучести или усталости при несимметричном цикле. Подобного рода явления происходят при сравнительно высоких температурах, обычно выше 0,5 температуры плавления.
Наибольшее применение находят два термина: циклическая ползучесть и виброползучесть. Циклическая ползучесть представляет более широкое понятие и описывает явление, происходящее в условии одноосного нагружения при следующих напряжениях
где а - циклические напряжения; ат- статическая компонента; оа - амплитудное значение циклической компоненты; А=ау - коэффициент амплитуд;/- час тота изменения аа; F - функция, характеризующая законы изменения аа во времени.
Наиболее принципиальными параметрами напряжения (1.1) являются частота / и коэффициент амплитуд А. Если коэффициент амплитуд не превышает 20%, то такой вид напряженного состояния называют виброползучестью [51]. В зависимости от частоты различают малоцикловое нагружение, когда общее число циклов не превышает 10 , а частота / 10 Гц, и многоцикловое, которое в дальнейшем будет считаться циклической ползучестью. Наибольшее количество работ посвящено изучению развития ползучести при малоцикловом нагру-жении [3, 4, 6, 16,44,56,61,66,77,90,99, 110, 111]. Закономерности цикличе ской ползучести отражены в работах [31, 100, 106], а особенности циклической ползучести жаропрочных сплавов в [5, 11, 12, 13, 21, 26, 48, 95, 100, 112].
Например, воздействие циклических нагрузок с частотой 50 Гц и коэффициентом амплитуд менее 0,01 вызывает двукратное увеличение скорости ползучести алюминиевого сплава 14 S [105] и углеродистых сталей перлитного класса, десятикратное увеличение ползучести свинца [3 1] и восьмикратное увеличение ползучести меди [67]. Для этих материалов кривые виброползучести располагаются выше, чем кривые статической ползучести при максимальных напряжениях цикла отах.
Уравнения состояния и критерий разрушения материалов в условиях виброползучести
Как уже было отмечено в главе 1 целесообразность применения энергетических и термодинамических критериев рассеянного (объемного) разрушения в теориях ползучести и длительной прочности не вызывает сомнения. Одним из преимуществ такого рода подходов является аддитивность энергий различного вида. Целью настоящей работы является обобщение энергетической концепции на процессы, происходящие в материале при совместном действии квазистатических и циклических нагрузок, предложенной в [68, 69, 70, 71, 79].
Рассмотрим случай сложного напряженного состояния и будем считать, что внешние нагрузки приводят к появлению в реономной среде квазистатических и циклических напряжений.
В дальнейшем тензоры номинальных напряжений &"" и а" соответствуют
квазистатистическим нагрузкам и амплитудным значениям циклических нагрузок. Ограничимся рассмотрением так называемого многоциклового нагружения при частоте / 10Гц и коэффициенте амплитуд = тах превышающем некоторого критического значения Акр, имеющего порядок 0,10-0,15.
В рассматриваемом случае циклическая нагрузка приводит к двум основным эффектам: 1) ускорению (или даже инициированию) процесса ползучести при заданном статическом напряжении; 2) уменьшению накопленной неупру гой деформации в момент разрушения по сравнению с аналогичной величиной при чисто статическом нагружении. Этот процесс называют циклической ползучестью либо виброползучестью.
Методика, установка и приспособления для испытаний
Для проверки адекватности предложенной в разделе 2 модели деформирования и разрушения материалов в условиях циклической ползучести была выполнена серия специально спланированных экспериментальных исследований для сплавов ЭИ 698, ЭП 742 и ВТЗ-1 для случая одноосного напряженного состояния. В условиях сложного напряженного состояния экспериментальные исследования провести сложно в силу технических проблем, высокой температуры, большой длительности опытов и существенных финансовых затрат (например, за электроэнергию). Именно поэтому соответствующие научные работы в этом направлении практически отсутствуют.
В связи с вышеизложенным целью настоящей главы является разработка методики, установок и приспособлений для экспериментальных исследований и детальное расчетно-экспериментальное исследование влияния совместного действия статических и циклических напряжений на деформируемость и длительную прочность (долговечность) материалов в условиях виброползучести.
Наведение остаточных напряжений в валах и балках в режиме виброползучести
При создании любых агрегатов (элементов конструкций) одной из основных является задача обеспечения и повышения их работоспособности. С каждым годом трудности решения этой задачи возрастают. Теоретические исследования и производственный опыт привели к пониманию того, что работоспособность отдельных деталей и агрегатов в целом, в большой степени зависит от качества поверхностного слоя детали, который формируется при их изготовлении в ре зультате применения специальных упрочняющих технологий. При этом повы шение сопротивления усталости, длительной прочности, коррозионному рас трескиванию обусловлено, главным образом, наличием в поверхностном слое сжимающих остаточных напряжений, так как зарождение и развитие дефектов происходит, как правило, с поверхности изделий. Например, остаточные сжи мающие напряжения, возникающие в поверхностном слое, повышают циклическую прочность детали [41, 43, 47, 48, 56, 57], так как они разгружают поверх « ностный слой от напряжений, вызванных нагрузками. Однако повышение со противляемости изделий с упрочненным слоем зависит от его толщины (глубины проникновения). Так для одного из самых распространенных методов - метода поверхностного пластического деформирования (ППД) - глубина упрочненного слоя составляет 100-200 микрон [75]; для термопластического упрочнения (ТПУ) - глубина упрочненного слоя может составлять величину - до 1 мм и более [45, 46]. Другими упрочняющими (локальными) способами навести большую глубину вряд ли возможно.
class5 Расчет неупругого реологического деформирования диска турбины с
дефлектором и экраном обода при совместном действии квазистатических и циклических нагрузок class5
Решение задачи в области неупругого реологического деформирования
Рассмотрим решение поставленной задачи в упругой области. Это решение имеет самостоятельное значение в силу принятого в данной работе подхода для расчета деформации пластичности, которая рассчитывается как деформация ползучести (но не по реальному физическому времени, а по «фиктивному» (внутреннему) времени). Поэтому упругое решение для задачи пластичности (также как и для задачи ползучести) является «стартовым».
В качестве примера приведем расчет напряженно-деформированного состояния двух дисков, профили которых приведены на рис.5.1, а их конечно-элементное разбиение па рис.5.4-5.6.
