Структурно-механическое моделирование разрушения металлических материалов и прогнозирование долговечности элементов высоконагруженных конструкций Марголин, Борис Захарович

Введение к работе

і \

—"? АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ И ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Надежность прогнозирования прочности и ресурса конструкций, работающих в сложных условиях термосилового нагружения, неразрывно связана с достоверным анализом их напряженно-деформированного состояния (НДС) и использованием физически обоснованных критериев разрушения материала и тел с трещинами в условиях объемного напряженного состояния (ОНС). Несмотря на значительные успехи в развитии мзтодов расчета НДС, физических и феноменологических моделей и критериев разрушения, в настоящее время имеется ряд проблем, затрудняющих адекватное прогнозирование ресурса малотн и конструкции.

В частности,существующие локальные критерии хрупкого разрушения не всегда позволяют оценивать несущую способность элементов конструкций с острили концентраторами и трещинами, изготовленных из сталей средней и высокой прочности; зависимости, определяющие критическую деформацию при вязком разрушении, зачастую не учитывают особенности накопления повреждений d конкретном материале и дают корректный прогноз только при деформировании в условиях постоянной жесткости напряженного состояния; больег.кст-во моделей, описывающих усталостные разруяения материала, практически не учитывают специфику деформирования и разрушения иате-риала в условиях ОНС и нестационарного нагружения; анализ долговечности при нестационарном длительном нагружении в ochoehom базируется на эмпирических соотношениях, требующих каждый раз проведения масштабных испытаний для конкретного материала.

Следует также отметить трудности, возникающие при прогнозировании развития трещин. В частности, отсутствуют достаточно надежные модели и уравнения, позволяющие прогнозировать развитие усталостных трещин при произвольной, изменяющейся по мере роста трещины в неоднородных полях напряжений асимметрии нагружения и наличии коэффициентов интенсивности напряжений I и П рода; возникает ряд проб тем, касающихся применимости концепции С/_Р_-зрквых к анализу субкритического роста трещины; методы прогнозирования динамического развития трещины в основном ориентированы на анализ хрупкого разрушения при действии только I моды деформирования и не описывают процесс вязкого разрушения.

Кроме критериальных вопросов, к настоящему вренеки ке достаточно развиты методы и алгоритмы расчета НДС на базе Ш.Э в области упругопластического и уттрутовязкопласгического деформиро-

вания материала при термосиловом квазистатическом (стационарном и нестационарном) и динамическом нагружении.

В связи с изложенным, целью диссертационной работы является структурно-механическое моделирование процессов разрушения материалов и элементов конструкций при различных видах нагружения* Достижение поставленной цели осуществлялось посредством решения следующих взаимосвязанных задач.

1. Разработка ыетодов и алгоритмов расчета ВДС, обусловленного изготовлением и эксплуатацией конструкций при термосиловом, квазистатическом, динамическом, длительном и циклическом нагружении; их реализация в виде комплекса программ для ЭВМ.

2. Разработка методов и алгоритмов расчета параметров механики разрушения в области маломасштабной и общей текучести элементов конструкций, учитывающих наличие остаточных технологических напряжений, а также особенности развития трещин в неоднородных полях действующих напряжений; их реализация в виде комплекса программ для ЭВМ.

3. Разработка физико-механических моделей хрупкого, усталостного и вязкого кавитационного внутри- и ыажзеренного разрушения, базирующихся на физических представлениях о повреждении материала; формулировка локальных критериев хрупкого, вязкого и усталостного разрушения.

4. Разработка подходов к математическому моделированию трв-щиностойкости материала, развития усталостной трещины, субкритя-ческого и закритического роста трещины; реализация разработанных подходов на ЭВМ.

5. Разработка методов расчета долговечности элементов высо-конагруженных конструкций при циклическом и статическом нагружении с учетом остаточных напряжений, обусловленных технологией их изготовления.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА РАБОТИ: "

I. Разработана физико-ыеханическая модель хрупкого разрушения по.дикрясталлических материалов, основанная на количественном описании процессов образования, страгивания и распространения трещин микроскола в изменяющейся в процессе деформирования структуре материала. На основе указанной модели сформулирован и экспериментально обоснован новый критерий хрупкого разрушения, а также предложен подход к аналитическому прогнозированию критического напряжения хрупкого разрушения S_c ^в статически и циклически деформированном материале.

2. Разработана физико-механическая модель вязкого разрушения материала, базирующаяся на введенном новом понятии - потере пластической устойчивости структурного элемента, позволяемая прогнозировать разрушение в условиях изменяющегося в процессе деформирования объемного напряженного состояния.

3. Сформулировано новое деформационно-силовое уравнение усталостного разрушения, базирующееся на количественном описании кинетики усталостных микротрещин; уравнение позволяет прогнозировать долговечность в условиях объемного напряженного состояния при нестационарном циклическом нагружении.

4. Разработана физико-механическая модель мекзеренного разрушения поликристаллических материалов, основанная на анализе зарождения и роста пор, обусловленных пластическим деформированием и диффузией вакансий; модель позволяет прогнозировать долговечность при длительном стационарном и нестационарном нагрудний в условиях объемного напряженного состояния.

5. Разработана модель развития усталостной трещины, псполь-зувдая сформулированное деформационно-силовое уравнение усталостного разрушения и полученное аналитическое решение циклической упругопластической задачи о НДС у верлкны тресины. Модель прогнозирует скорость роста усталостной трещины в широком диапазоне изменения асимметрии и уровня нагружения и любом соотношении л К_х

и дКд , а также позволяет определить условия нестабильного её развития.

6. Разработана методика прогнозирования зависимости начиная ст низшего шельфа, где реализуется хрупкое разрушение, у кончая верхним шельфом, на котором разрушение является вязким.

7. Развиты методы и разработаны алгоритмы решения МНЭ двумерных упругопластических и упруговязкопластических задач при КЕазистатическом и динамическом нагр/жении.

8. Разгаботаны расчетные методы прогнозирования субкритического и закритического (динамического) развития трещин при хрупком и вязком разрушении.

I. Предложены методы расчета НДС, критерии хрупкого, вязкого и усталостного разрушения металлов, которые в комплексе позволяют повысить точность прогнозирования прочности и долговечности элементов конструкций в условиях объемного напряженного состояния зри слоїяом термосиловом воздействии, и тем самым оптимизировать

принятие конструктивно-технологических решений при проектировании конструкций.

2. Разработан пакет прикладных программ для расчета на ПЭШ НДС, возкикащего на стадии изготовления и при эксплуатации конструкций, параметров механики разрушения и кинетики трещин при циклическом, квазистатическом и динамическом нагружении в о'блас-ти упругопластического и упруговяз'копластического неизотермического деформирования материала.

3. Разработаны экспериментально-расчетные методы определения остаточных сварочных напряжений и методы расчета долговечности элементов сварных конструкций.

4. Разработана методика расчета долговечности коллекторов ПГВ-І000 в условиях коррозионно-статического нагружения. Проведен анализ ресурса коллекторов и исследовано влияние различных технологических Факторов на их долговечность.

Результаты исследований внедрены в организациях, занимающихся созданием и проектированием новой техники (ОКБ "Гидропресс", ОКБМ, ПО "Ижорский завод"). Экономический эФФект от их внедрения составил 2 млн. 195 тыс.рублей.

ПУБЛИКАЦИИ И АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. По теме диссертации опубликовано 54 работы в журналах и сборниках. Наиболее существенные результаты опубликованы в работах, перечисленных в конце автореферата, и докладывались на следующих Научных Форумах: УС Всесоюзной конференции по усталости металлов (Москва,1982), конференции "Применение механики разрушения для оценки эксплуатационной надеяшости сварных соединений" (Ленинград,1983), Всесоюзной конференции по сварке в судостроении и судоремонте (Владивосток, 1983), ІУ Всесоюзном симпозиуме "Малоцикловая усталость - механика разрушения, живучесть и материалоемкость конструкций" (Краснодар,1983), П Всесоюзном симпозиуме "Остаточные технологические напряжения" (Москва,1985), конференции "Математические методы в сварке (Киев,1966), конференции "Конструкционная прочность и механика разруяения сварных соединений" (Ленинград,1986), У Всесоюзном симпозиуме "Малоцикловая усталость-критерии разрушения и структура материалов" (Волгоград,I987), I Всесоюзной конференции "Механика разрушения материалов" (Львов,1987), Ш Всесоюзном симпозиуме по механике разрушения (Житомир,1990), конференции "Механика разрушения и прочность сварных соединений и конструкций"

(Ленинград, 1991), XI международном коллоквиуме "Механїггескзл усталость металлов (Киев, 1991).

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ ДИССЕРТАЦИИ. Диссертация состоит из введения, шести глав, обеих выводов, библиографии, приложения, содержит 476 страниц машинописного текста, 140 рисунков, 15 таблщ, список литературы из 441 наименования.