Введение к работе
1_ Актуальность работы. Настоящая работа посвящена исследованию термоупругих задач при периодических тепловых и динамических воздействиях. Такие задачи возникают при исследованиях на прочность камер для термоэнергетической обработки материалов. Эти установки выполнены, как правило, в виде толстостенных сосудов цилиндрической формы.' В них. реализуются такие технологические процессы, как термоимпульсный способ удаления заусениц, детонационный метод нанесения покрытий, штамповка деталей с использованием выделякщейся при детонации газовых смесей энергии. Актуальность иссследования этих задач определяется большой практической значимостью перечисленных выше технологических процессов. Ввиду своей высокой эффективности они в последнее время широко применяются во многих отраслях машиностроения и авиационной промышленности. Так, например, термоимпульсный способ удаления заусениц позволяет резко улучшить качество обработки и повысить производительность труда в среднем в 8-Ю раз.
Поскольку стенки камеры в ходе реальной эксплуатации подвержены мощным циклическим тепловым ударам, интенсивным колебаниям вследствие высокоскоростных детонационных процессов и предназначены для достаточно длительной эксплуатации, то конструктивные параметры камер должны быть выбраны таким образом, чтобы они удовлетворяли условиям длительной прочности. Поэтому необходимо, чтобы по крайней мере несущая часть стенок камеры находилась в упругой области.
Упругое поведение стенок камер исследуется в рамках линейной несвязанной осесимметричной динамической теории термоупругости. В силу линейности рассматриваемая задача разделена на две независимые :
-
расчет упругих (динамических и квазистатических) напряжений;
-
определение температуры и обусловленных ею полей темпера^ турных напряжений в квазистатической постановке.
Поэтому термоупругие напряжения в стенках камер можно рассматривать как суперпозицию этих полей напряжений. Помимо однослойных камер рассматриваются также и двухслойные, имеющие место
при наличии тепловой защиты. Тепловая защита представляет собой тонкий внутренний слой из материала с высокой теплопроводностью.
Из существующей обширной литературы, посвященнной исследованиям осесимметричных задач динамической теории термоупругости и теплопроводности не удалось выбрать работы, на основе которых можно было бы построить методику определения максимальных действующих напряжений в стенках камер, которая была бы пригодна не только для поверочного, но и для проектировочного расчетов. Дело в том, что на динамическую прочность установок существенное влияние оказывает конечная скорость распространений детонационной волны в газовой смеси, а при определении полей температур и температурных напряжений - периодичность тепловых воздействий, обусловленной периодичным характером обработок. Кроме того, постановка этих задач должна моделировать детонацию газовых смесей в рассматриваемых установках.
Остается также открытым вопрос о том, какие из действующих напряжений, динамические или температурные, могут представить основную опасность для разрушения стенок камер.
Резюмируя вышесказанное, перечислим цели работы:
a) анализ напряженно-деформированного состояния стенок
камер:
исследование влияния на НДС конечной скорости детонации, периодичности тепловых ударов;
определение максимальных действующих напряжений в стенках камер путем сопоставления максимальных значений динамических и температурных напряжений, выработка практических рекомендаций по проектированию камер.
b) разработка инженерных методов прочностного расчета приме
няемых установок.
Научная новизна работы определяется тем, что это комплексное исследование задач прочности установок для детонации газовых смесей, в котором впервые:
- исследованы поля динамических напряжений в стенках камер,
рассматривая детонацию как мгновенный процесс и процесс, проте
кающий с конечной скоростью. Построена модель распространения и
отражения детонационных волн, имеющая количественное и качест
венное соответствие с имеющимися экспериментальными результата
ми.
- определены поля температур и температурных напряжений в рассматриваемых установках, учитывая периодический характер тепловых воздействий. Рассмотрены состояния, имеющие место при первом тепловом воздействии, переходный процесс к установившемуся периодическому температурному режиму и, собственно, сам установившийся периодический температурный режим. Существенным моментом является то, что здесь используются эмпирически полученные функции, аппроксимирующие тепловой удар на внутренней поверхности.
На защиту выносятся:
-
Оценки макималышх динамических напряжений, учитывающие конечную скорость распространения волн детонации. Оценки максимальных напряжений при равномерном внутреннем нагружении, имеющем место при предположении о мгновенной детонации.
-
Методы определения полей температур и температурных напряжений в установках для детонации горючих смесей, применимые при моментах времен, соответствующих первому циклу обработки.
-
Результаты численных расчетов по исследованию переходного процесса к установившемуся периодическому температурному режиму в стенках камер.
-
Методики определения установившихся периодических температурных полей в стенках камер.
Практическая значимость работы заключается в том, что в ней получены простые инженерные методы прочностного расчета камер для термоэнергетической обработки материалов: выведены формулы для определения максимальных значений температур и температурных напряжений, получены оценки максимальных значений динамических напряжений; установлено, что наибольшую опасность для разрушения стенок камер представляют термические напряжения.
Апробация работы. Результаты работы докладывались на Всесоюзной конференции "Импульсная обработка металлов" в г. Харькове (1990г.), IX Всесоюзной зимней школе по механике сплошных сред в г. Перми (1991г.), семинарах Отдела механики деформируемого твердого тела Института гидродинамики им. М.А.Лаврентьева СО АН СССР, кафедры динамики и прочности машин МГТУ им. М.Э.Баумана, Отдела проблем прочности и надежности БНЦ СО АН СССР.
Публикации. По результатам диссертации опубликовано в печати восемь работ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав и четырех приложений. Общий объем работы 141 страниц, в т.ч. приложения - 22 страницы, иллюстрирован 43 рисунками . Список литературы содержит 54 наименований.