Введение к работе
Разнооброг-из и сложность условий работы современных конструкций требуют ссвертшютвсвтшя.традиционных it разработки новых методов оценки их несущей способности. В настоящее время существует множество различных подходов и методов определения несущей способности конструкций в зависимости от характера погружения и температуры, казднй из которых примете/, только в ограниченном диапазоне условий эксплуатации.. При расширении диапазона возникают проблемы композита! подходов, часта построенных па разных идеологических приици-пах. Сложности появляются в результате того, что игнорируется собственно фундамент решения задачи, то есть то, что из себя в действительности представляет сам материал.
Данная работа, представляя материал как физическую среду, пересматривает традиционные взгляды на разрушение с единых позиция кинетической концепции прочности.Ока посвящена анализу и моделировании прочностных и деформационных свойств сплавов и новой методологии прогрозирования долговечности элементов конструкций при разных вариантах темперарурно-слповых условий погружения на основе объединения знаний и методов механики, физики и физического металловедения.
Актуальность райоты. Разработка новых методов определения прочности и ресурса необходима в том числе и для летательных аппаратов (ІА) в связи с созданием космических,, сверхзвуковых транспортних и административных самолетов, с проблемаг/и длительной эксплуатации в условиях коррозионных воздействий в разных іслтмзтических зонах, с использованием полімерних и композициошшх материалов, чувствительных к ультрафиолетовому излучению v температурно - влакностны,Ч характеристикам ерздц.
Решение этих проблем невозможно без построения новых моделей сплошной среды, опирающихся на физику и термодинамику внутренних процессов, происходящих, в твёрдом теле под нагрузкой. Только представление о твЗрдом теле как Физической среде дает возможность во взаимосвязи рассматривать процессы дефоршфозания и разруаадшя, структурных превращений, физических и химические воздействий.
Анализ экспериментальных данных с этих позк дій формирует качественно новые представления о свойствах материалов, позволяет определить оптимальный объем эксперимента и последовательность получения характеристик новых сплавов, сокращая тем самим затраты н сро-
iVA проектирования ЛА.
Цель роботи. Целью работы был пересмотр традиционных представлений о прочности материалов с позиций общих законов физики твердого тела и построение на основе единых принципов нового метода прогнозирования долговечности материалов и элементов конструкций вообще и ЛА в особенности, подвергающихся в эксплуатации широкому спектру температурных и силовых воздействий.
Методика проведения работы. В работе использованы как экспериментальные , так и теоретические методы исследования. Экспериментальная часть работы выполнялась на нескольких марках алюминиевых сплавов: Діб Т, АК4-І ТІ, 1201 ТІ. Ряд вопросов исследовался на сталях ЗОХ, ЗОХГСА и ЗОХГСКА с различной термообработкой, аустени-тных сталях ХІ8Н9Т, І2ХІ8Н9Т и на титановом сплаве ВТ5. На образцах материалов определялись долговечность, деформации, поглощение энергии при свободных затухающих и выделение тепла при вынужденных колебаниях.
Извлекаемые из данных стандартного эксперимента макрохарактеристики материалов представлялись их реологическими моделями, вязкие элемента которых описывались уравнениями'физической кинетики. Параметры моделей определялись на основе решений дифференциальных уравнений реологических моделей и термоактивационного анализа процессов деформирования и разрушения сплавов. В ряде задач модели использовались в качестве инструмента для анализа свойств материа-
Составленные из реологических моделей структурные модели материалов применялись затем в расчбтных моделях элементов конструкций, построенных с использованием методов теории упругости и сопротивления материалов. Расчётные оценки долговечности,выполненные по этим моделям для разных случаев статического, циклического, термо-циклического и случайного нагружения, сопоставлялись с их экспериментальными значениями для типовых элементов конструкций. Проводилась и прямая прозерка расчбтных моделей путем сравнения вычисленных значений напряжений на контурах вырезов в пластинках с экспериментальными величинами напряжений.
Деформации,вычисленные по модели пластического гистерезиса, которая применялась к анализу амплитудозависимого внутреннего трения в материале при свободных затухающих изгибных колебаниях образцов, проверялись методами прямого измерения деформаций,а получаемые расчетом амплитудные зависимости коэффициента поглощения энергии со-
поставлялись с теорией дислокационного гистерезиса.
Научная новизна. Разработаны новы» реологические модели твЗрдо-го тела, отракаэдио внутренние термодинамические процессы в материалах и не содеркзщие п себе традиционных механических характеристик материала - "продела прочности11, "продела текучести", "предела усталости". Дагаше характеристики п зависимости от способа, характера и условий нагружения получаются на осново обвдпс физических свойств материала расчетным путем по реологическим уравнениям среда, куда температура и время входят в явном виде.
Составленная из реологических моделей структурная модель металлического сплава описывает основные свойства материала для одноосного напряженно-деформированного состояния (НДС) без введения каких-либо параметрических зависимостей или схематизации внешних условий нагружения:
неустановившуюся и установившуюся стадии ползучести;
логарифмическую ползучесть;
циклическую ползучесть;
возврат ползучести;
эффект Баущингера;
закономерности деформирования в широком диапазоне скоростей нагружения (или деформации) и температуры;
температурно-вроменную зависимость прочности;
усталостную долговечность при разных значениях температуры и частоты, при разных формах цикла и асимметрии нагружения,а также при случайном характере изменения температуры и нагрузки;
зависимость долговечности от частоты теплосмен и величин экстремальных значений температуры цикла;
- раскрытие петли пластического гистерезиса и демпфирующие харак
теристики материалов при произвольном характере нагружения.
Замена некоторых параметров в реологических уравнениях на функ
ции позволяет описывать сопутствующие термоактивировашше процессы
релаксационного характера, распад пересыщенного твердого раствора
и связанные с этим изменения твердости, прочностных и деформацион
ных характеристик сплава. Введенные поправки на квантовые эффекты
дают основания для прогнозирования кинетики деформирования и раз
рушения при криогенных температурах вплоть до абсолютного нуля.
. Суммирование повреадений'ведется по структурным уровням деформаций материала. Разрушение на каждом структурном уровне происходит с разной скоростью, и в зависимости от характера нагружения и
величины нагрузки определяющим долговечность оказывается тот уровень, где скорость наибольшая. За критерий, определяющий момент времени появления макротрещины, принята продольная величина концентрации микротрещин и пор в локальном объеме.
Практическая ценность. Разработаны методики анализа прочностных и деформационных свойств сплавов и прогнозирования долговечности элементов конструкций до момента зарождения макротрещины при различных вариантах темперагурно-силовых условий нагружения. Решена задача определения демпфирующих свойств сплавов при произвольном характере нагружения.
Методика прогнозирования долговечности позволяет корректно составлять эквивалентные и форсированные программы испытаний конструкций, .находя расчётным путем такие их варианты,чтобы ответстввшшм за разрушение был тот же структурный фактор,что и при эксплуатационном нагружении.
Разработанные методики реализованы в виде алгоритмов и программ. Некоторые из них использовались при анализе разр'тпения натурных конструкций, работавших в условиях тэплосмен, при испытаниях в СибНИА, приобретены АО "КамАЗ". По заказу НПО "Молния" методики представлены в виде программного продукта для оценки ресурса деталей при полигармонических процессах нагружония.
На защиту выносится:
единый подход к прогнозированию поведения материалов при разных вариантах температурно-силовой программы нагружения на основе физических представлений о процессах деформирования и разрушения;
новые реологические модели материалов, отражающие термодинамические процессы в твёрдых телах - деформирование, разрушение, структурные превращения;
струкурная модель сплошной среды, составленная из реологических элементов нового вида;
принцип суммирования повреждений по структурным уровням деформаций;
методика прогнозирования прочностных и деформационных свойств металлических сплавов на основе их структурных моделей;
методика прогнозирования прочности и долговечности элементов конструкций на основе моделирования эволюции НДС в опасных местах;
методики обработки экспериментальных данных для получения параметров реологических моделей материалов;
методики анализа кинетики деформаций и амплитудозависимого вну-
треннего трения на основе разработанных моделей сплошной среды;
методика моделирования реальных спектров случайного нагрукения;
методики корректной разработки эквивалентных и форсированных программ испытаний конструкций.
Апробация работ. Материалы отдельных частей работы докладывались и обсузданись на научно - технических конференциях СибіІИЛ по проблемам усталостной прочности авиационных конструкций в 1977 и 1981 гг., на Всесоюзных семинарах "Прочность материалов и элементов конструкций при звуковых и ультразвуковых частотах нагружония" в Киеве в 1978 и 1981 гг., на Межвузовском научно-техническом семинаре "Проблемы повышения надежности конструкций" в Куйбышевском политехническом институте в 1980 г.,на Новосибирском городском научном семинаре по проблемам современного материаловедения в НЭТИ в 1978 и 1980 гг., на конференциях Киевского ИПП по вопросам рассеяния энергии при колебаниях механических систем в Киеве и Каменец-Подольском в 1983 и 1989 гг.,на конференциях ЦАГИ по ресурсу авиаконструкций в 1983 и 1986 гг., на II Всесоюзной конференции "Ползучесть в конструкциях" в Новосибирске в 1984 г., на II Всесоюзной конференции "Современные проблемы строительной механики и прочности летательных аппаратов" в КуАИ в 1986 г., на семинаре "Технико-экономические проблемы оценки и прогнозирования надежности и ресурса авиационных конструкций" в КНИГА в 1987 г., на III Всесоюзной конференции "Современные проблемы строительной механики и прочности летательных аппаратов" в КАИ в 1988 г.
Публикации,' По основным результатам проведенных исследований и разработок опубликовано 18 печатных работ и одна находится в печати. Получен патент РФ на способ, применяемый в методиках исследований автора.
Обвёл работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Бе общий объем составляет 138 страниц,включая библиографию из 130 наименований и приложения из 16 таблиц и 29 рисунков:. > ,