Введение к работе
Актуальность проблемы. Проектирование конкурентоспособных образцов техники и оценка остаточного ресурса сооружений требует постоянного совершенствования методов расчета прочности и долговечности, учитывающие влияние технологической наследственности.
При анализе повреждений конструкций перегрузочных комплексов в качестве одной из причин их появления являются ошибки при проектировании и проведении технологических операций. Конструкции проектируют и создают на основе действующих норм, опыта и традиций. Причины повреждений связаны с отсутствием необходимых на данном этапе новых знаний. Сказанное можно отнести к усталости материалов конструкций перегрузочных комплексов. Решение этой задачи далеко от завершения, о чем говорит не уменьшающееся количество усталостных повреждений конструкций грузоподъемных машин. В последние два десятилетия порты Дальнего Востока бьши оснащены перегрузочными комплексами зарубежного производства. Как правило, эти конструкции проектировались для благоприятных условий в отличие от дальневосточных регионов, где преобладает муссонный климат, сопровождаемый ветровыми нагрузками и резкими колебаниями температур. Это заставило обратиться к оценке усталостной прочности конструкций.
Вопросы обеспечения прочности деталей машин и элементов конструкций с учетом технологической наследственности (термообработки) в условиях работы при переменных нагрузках в современном машиностроении имеют большое значение. По мере повышения скоростей работы и нагруженности машин явления усталости становятся все более опасными для надежной эксплуатации. В связи с этим важное значение приобретает возможность точного предсказания длительной безопасной работы в условиях нестационарной напряженности, обычно имеющей место при эксплуатации машин и механизмов.
Некоторые аспекты проблемы многоцикловой усталости металлов возникли относительно недавно и находятся еще на стадии разработки. К таким аспектам относятся прогнозирование долговечности с позиции термодинамики необратимых процессов в условиях сложного режима нагружения с различной асимметрией цикла. Для характеристики сопротивляемости металла действию переменных напряжений с различной асимметрией цикла строится диаграмма предельных напряжений, которая требует своего дальнейшего совершенствования.
Существующие условия эквивалентности циклически напряженных состоя
ний и формулы суммирования усталостных повреждений применимы лишь при
значительных ограничениях. Кроме того, ощущается недостаточность эксперимен
тальных данных о влиянии различных видов термообработки на механические и
термодинамические характеристики, влияющие на многоцикловую усталость ста
лей. Поэтому рассматриваемая задача построения и экспериментальной проверки
расчетных методов оценки уст долговечнвсти^учетом_хермическойе -
дыстории является весьма актуальной. і 'бикп"НА,"ЬН^' і
І С.Пет*рв»г /^ (/{
Цель работы - теоретическое и экспериментальное обоснование критериев усталостной прочности, учитывающее влияние вида термообработки, и оценка ресурса элементов конструкций при разных коэффициентах асимметрии цикла на основе термодинамики необратимых процессов и феноменологического подхода.
Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи:
-
Проанализировать причины усталостных повреждений элементов конструкций перегрузочных комплексов и установить особенности процесса усталостных повреждений.
-
Экспериментально исследовать влияние термической предыстории машиностроительных сталей на долговечность металлоконструкций с позиции термодинамики необратимых процессов.
-
Изучить закономерности накопления повреждающей энергии в процессе циклического деформирования сталей после термообработки.
-
Установить особенности силового подхода оценки долговечности сталей при циклическом нагружении.
-
Предложить критерии оценки влияния термообработки сталей на долговечность металлоконструкций.
-
Осуществить внедрение и практическое использование результатов исследования.
Методы исследования. При решении вышеуказанных задач были использованы современные методы исследования закономерностей накопления усталостных повреждений: термодинамика необратимых процессов, теория усталости, механика разрушения, строительная механика, механика деформированного твердого тела. Использованы экспериментальные методы ряда авторов, натурные опьпы на реальных конструкциях. При обработке результатов экспериментов применялись методы математической статистики, вычислительная техника.
Научная новизна работы.
-
Исследованы закономерности накопления повреждающей энергии машиностроительных сталей после термообработки при разных коэффициентах асимметрии цикла.
-
Разработана методика расчета поврежденное и ресурса машиностроительных сталей с учетом влияния термической предыстории. Подтверждена линейная гипотеза суммирования повреждений.
-
Получены энергетические и механические критерии усталостной прочности машиностроительных сталей после разных видов термообработки. Показана их работоспособность при проектировании и оценке ресурса деталей машин и элементов конструкций.
-
Доказано влияние термообработки на параметры полученных критериев усталостной прочности.
Практическая ценность работы. Результаты работы использованы при проведении исследований в рамках трех научно-технических программ:
1. «Разработка методики определения предельного состояния конструкций перегрузочных комплексов при эксплуатации в условиях Дальнего Востока» - в рам-
ках межвузовской региональной программы «Научно-технические и социально-экономические проблемы развития Дальневосточного региона России», 2000-2003 годы.
-
«Теория и методы исследования предельных состояний тонкостенных конструкций и стержневых систем» - в рамках межвузовской научно-технической программы Министерства образования Российской Федерации, 2000-2003 годы.
-
Разработка и исследование принципов расчета усталостной прочности конструкций - в рамках межвузовской научно-технической программы Министерства образования Российской Федерации, 2000-2002 годы.
Результаты экспериментальных исследований процесса накопления повреждений с учетом технологической наследственности и полученные расчетные зависимости были использованы при оценке ресурса деталей машин и элементов конструкций перегрузочных комплексов порта «Восточный». Теоретический и экспериментальный материал нашел практическое применение в учебном процессе ДВГТУ по дисциплинам: теория трещин, прочность материалов и конструкций, детали машин.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Методика исследования необратимых затрат энергии при циклическом деформировании образцов после термообработки в условиях одноосного напряженного состояния в рамках термодинамической концепции усталости.
-
Результаты экспериментального исследования кинетики накопления повреждений в машиностроительных сталях после различной термообработки при циклическом деформировании в области многоцикловой усталости.
-
Критерии усталостной прочности с позиции термодинамики необратимых процессов.
-
Критерии усталостной прочности с позиции феноменологического подхода.
-
Основы методики оценки остаточной долговечности элементов машин и конструкций перегрузочных комплексов.
-
Оценка влияния термообработки на долговечность элементов деталей машин и конструкций.
Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на международных и региональных конференциях в том числе: Научно-технические проблемы прогнозирования надежности и долговечности конструкций и методы их решения, 4-я Международная конференция по "машиностроению в Санкт-Петербурге (2001); конференции преподавателей и сотрудников ДВГТУ (ДВПИ) (2000-2003); научно-техническая конференция ДВГТУ «Вологдинские чтения» (2000-2002); Fourth and fifth International Young Scholars Forum of the Asia-Pacific Region Countries (2001,2003).
Разработки научно-исследовательской работы нашли практическое применение при проведении модернизационных работ различных конструкционных узлов перегрузочных комплексов ОАО «Восточный порт»
Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ, в том числе: 2 в материалах международных конференций.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав и заключения. Она содержит 126 страниц машинописного текста, 72 рисунка, 24 таблицы, а также список литературы из 119 наименований на 11 страницах.
