Содержание к диссертации
Введение
1. ПРЕДМЕТ И ЦЕЛЬ ИССЛЕДОВАНИЯ 7
1.1. Предмет и цель исследования 7
1.2. Анализ усталостных повреждений элементов тонкостенных конструкций 9
1.2.1. Усталостные повреждения судовых конструкций 9
1.2.2. Усталостные повреждения в сосудах давления 19
1.2.3. Усталостные повреждения в ферменных конструкциях 28
1.3. Дефекты сварных соединений, приводящие к разрушениям 30
2. КРИТЕРИИ РАЗРУШЕНИЯ 41
2.1. Циклическое изменение напряжений и характеристики цикла 41
2.2. Условия возникновения усталостного разрушения 44
2.3. Силовой и энергетический критерии разрушения 45
2.4. Условие устойчивости трещин 52
2.5. Качественная характеристика напряженного состояния вблизи вершины трещины 54
2.6. Аппроксимации диаграмм растяжения 56
3. РАСЧЕТНАЯ ОЦЕНКА ПАРАМЕТРОВ ТРЕЩИНОСТОИКОСТИ И РЕСУРСА КОНСТРУКЦИЙ ИЗ ФЕРРИТО-ПЕРЛИТНЫХ СТАЛЕЙ 62
3.1. Общий алгоритм расчета ресурса сварных конструкций из феррито-перлитных сталей 62
3.2. Режимы сварки и механические характеристики металла в
зоне термического влияния 69
3.2.1. Результат расчета твердости в зоне термического
влияния 80
3.2.2. Методика расчета механических характеристик 83
3.2.3. Распределение температур в зоне термического влияния 91
3.2.4. Остаточные сварочные напряжения 96
3.3. Критерии оценки усталостной прочности 100
3.4. Модели оценки ресурса сварных конструкций 104
3.5. Некоторые причины формирования зон предварительного разрушения в окрестности вершины трещины 108
3.6. Критерий усталостной прочности 111
3.7. Расчетное определение пороговых характеристик 114
3.8. Расчет критических характеристик 120
3.9. Методика определения размеров аустенитных зерен в зоне
термического влияния ...123
ЗЛО. Согласование расчетных данных с экспериментальными 134
3.11. Определение коэффициента асимметрии в зоне термического
влияния 137
4. РАСЧЕТНАЯ ОЦЕНКА ПРЕДЕЛОВ ВЫНОСЛИВОСТИ ФЕРРИТО-ПЕРЛИТНЫХ СТАЛЕЙ ПРИ НАЛИЧИИ ПОСТОЯННОЙ СОСТАВЛЯЮЩЕЙ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ НАГРУЗОК 141
4.1. Факторы, влияющие на сопротивление материалов усталости 141
4.2. Эмпирические зависимости, учитывающие влияние постоянной составляющей нагрузки 142
4.3. Построение приближенных зависимостей, учитывающих влияние статической постоянной составляющей нагрузки на предел усталости металла 144
4.4. Оценка пределов усталости в зоне концентраторов напряжений 159
4.5. Исходные зависимости для построения условий усталостной прочности 172
4.6. Условия усталостной прочности 174
4.7. Расчет запасов усталостной прочности 179
4.8. Алгоритм определения пределов выносливости на стадии проектирования сварных конструкций 180
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 190
ЛИТЕРАТУРА 191
- Анализ усталостных повреждений элементов тонкостенных конструкций
- Циклическое изменение напряжений и характеристики цикла
- Общий алгоритм расчета ресурса сварных конструкций из феррито-перлитных сталей
- Факторы, влияющие на сопротивление материалов усталости
Введение к работе
Актуальность проблемы. Разрушение - сложнейшее явление природы, присущее практически всем процессам, происходящим на земле. Постоянный ущерб от разрушений огромен. Одна из лабораторий Бательского института провела исследование по определению суммарных затрат, связанных с возмещением ущерба от непреднамеренных разрушений, а также с мерами, направленными на предотвращение разрушений. Вся сумма затрат была разбита на три части:
I - потери, связанные с недостаточным внедрением современных методов
расчета, контроля и технологий, а также с использованием устаревших норм и
стандартов;
II - потери, которые могли бы быть потенциально предотвращены,
благодаря разработкам и внедрению современных научных методов;
III - потери, устранение которых станет возможно только после
получения принципиально новых «бездефектных» высокопрочных материалов.
Общие затраты связанные с разрушениями с 1976 по 1986 г.г. в среднем составляют примерно 4% валового национального продукта развитых стран (соответствующие части затрат - 36, 29 и 58 млрд. долларов).
Обеспечение качества їй повышение надежности тяжелонагруженных сварных конструкций невозможно без совершенствования и разработки методов оценки усталости на этапах проектирования, изготовления и эксплуатации. Количество значимых факторов, снижающих усталость конструкций, исчисляется не единицами.
Широкое применение сварки во всех отраслях современной промышленности обусловлено целым рядом ее преимуществ по сравнению с другими технологическими процессами получения неразъемных соединений. К таким преимуществам относятся простота соединения, уменьшение веса конструкции, большие возможности для механизации и автоматизации процесса, оздоровление условий труда, уменьшение трудоемкости и сокращение сроков изготовления сложных конструкций и др.
Однако, наряду с преимуществами, сварка обладает и некоторыми недостатками, своего рода «болезнями», которые часто снижают ее эффективность. К ним относится, например, изменение физико-механических свойств в зоне термического влияния (ЗТВ) — образование зон со структурной и механической неоднородностью металла. Одним из существенных недостатков является возникновение сварочных напряжений и деформаций как следствие неравномерного нагрева конструкции при сварке.
Появляющиеся в результате сварки остаточные деформации затрудняют процесс сборки крупногабаритных конструкций из отдельных сварных блоков, узлов и секций. Зачастую трудоемкость операций устранения сварочных деформаций соизмерима с трудоемкостью собственно сварочных работ.
Остаточные сварочные деформации ухудшают внешний вид и эксплуатационные характеристики конструкции. В некоторых случаях, особенно в сочетании с другими неблагоприятными факторами (низкая
температура, неудачная форма узла или соединения, пониженные пластические свойства и т.п.), остаточные сварочные напряжения (ОСН) снижают прочность . и работоспособность конструкций и даже вызывают разрушение при отсутствии рабочих нагрузок.
Напряжения, возникающие в процессе нагрева и остывания металла при сварке, могут существенно сказываться на усталостной прочности металла конструкций при знакопеременных нагрузках в период эксплуатации.
Усталость металлов относится к числу важнейших факторов, определяющих выбор размеров конструкций и побуждающих к совершенствованию технологии их изготовления.
Решению проблемы усталости материалов конструкций посвящены работы ведущих ученых России и зарубежья: Махутова Н.А., Матохина Г.В., Серенсена СВ., Карзова Г.П., Черепанова Г.П., Мюнзе В.Х., Партона В.З., Максимаджи А.И., Броека Д., Гудмана Р. Однако опыт эксплуатации конструкций показывает, что исключить возможность появления разрушений, связанных с усталостью не удается, несмотря на возрастающие масштабы исследований усталости материала конструкций и развитие методов анализа прочности и проектирования.
Усталостные повреждения — трещины, чаще других возникают в конструкциях. Процесс разрушения, как правило, сложен, и часто усталость является его инициатором: трещина снижает несущую способность пластин, оболочек и может привести к непредвиденной потере устойчивости при действии сжимающих усилий. При благоприятных условиях незначительная усталостная трещина может оказаться причиной внезапного разрушения.
Усталостное повреждение представляется как процесс, проходящий две стадии: стадию зарождения трещины усталости и стадию ее распространения. Несмотря на определенную условность их разделения, в настоящее время это разделение целесообразно, так как имеются уже достаточно современные для практического применения методы расчета усталости в рамках каждой из этих стадий.
Тем не менее, оценка расчетных состояний конструкций с трещинами усталости - сложная проблема, для решения которой необходимы дальнейшие исследования как теоретические, так и экспериментальные.
В диссертации рассматриваются вопросы дальнейшего развития расчетных методов оценки усталости материалов конструкций, в основу которых положена структурно-механическая модель, разработанная профессором, д.т.н. Матохиным Г.В.
Цель работы — разработка расчетной методики оценки усталостной выносливости элементов сварных конструкций при наличии статических напряжений, учете концентрации напряжений, структурной и механической неоднородности сварных соединений.
Методы исследования. Использованы современные методы механики разрушения: структурно-механическая модель; теория усталости; метод конечных элементов (МКЭ).
Научная новизна работы.
-
На основе механики разрушения получены аналитические зависимости, позволяющие строить полные диаграммы усталости для феррито-перлитных сталей.
-
Показана возможность расчетной оценки влияния концентратора напряжения на предел выносливости в зависимости от механических характеристик и структуры феррито-перлитных сталей.
-
Исследовано влияние структуры материала и механической неоднородности в ЗТВ на предел выносливости элемента конструкции.
-
Разработан метод оценки пределов выносливости сталей при наличии статических (остаточных) напряжений в сварных конструкциях.
-
Реализован алгоритм с использованием метода конечных элементов для расчета пределов выносливости материала тонкостенных конструкций с учетом статических напряжений.
Достоверность определялась сравнением результатов полученных решений с существующими решениями и экспериментальными данными, опубликованными в литературе.
Практическая ценность работы. Определяется возможность
использования полученных результатов в практике проектирования тяжелонагруженных конструкций с остаточными сварочными напряжениями.
Основные положения,'выносимые на защиту.
-
Обоснование линейной зависимости порогового коэффициента интенсивности напряжений для феррито-перлитных сталей от предела текучести.
-
Расчетный метод оценки пределов выносливости феррито-перлитных сталей при наличии статических составляющих эксплуатационной нагрузки.
-
Качественный алгоритм оценки влияния концентрации напряжений на предел выносливости материала конструкции.
Апробация работы. По теме диссертации опубликовано 6 работ, а также материал методического характера в рамках учебного процесса, основные положения и результаты проведенных исследований доложены и обсуждены на научно-технических конференциях в 2003-2006 гг., в том числе: Four International Young Scholars' Forum of the Asia-Pacific Region Countries 2003; Materials of a conference The Eighteenths Asian Technical Exchange And Advisory Meeting on Marine Structures (TEAM '2004), Russia, 2004. p. 161-167; The Seventh International Symposium on Marine Engineering Tokyo, October 24-28, 2005. p. 147.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов и заключения. Основная часть работы содержит 201 страницу машинописного текста, 77 рисунков и 20 таблиц, а также список литературы из 110 наименований.
Анализ усталостных повреждений элементов тонкостенных конструкций
В процессе проектирования, как правило, производится детальный анализ основных режимов работы конструкции и принимаются меры по обеспечению ее прочности. Однако такие меры не всегда могут быть достаточной гарантией работоспособности конкретных изделий. Причины различны, но в основе всех случаев нарушения работоспособности лежит недостаточность имеющихся представлений о неблагоприятных ситуациях, возможных для рассматриваемого класса конструкций, принятых конструктивных решений, использовании материалов и технологии изготовления.
Ниже приведен анализ усталостных повреждений тонкостенных конструкций, таких как морские суда, сосуды давления и ферменные конструкции.
Некоторые усталостные повреждения приводят к серьезным разрушениям, таким как переломы корпусов транспортных судов, тонкостенных корпусных конструкций.
Несмотря на то что для судов смешанного плавания определяющим является усталостный критерий, приближенно представленный правилами в виде требований к минимальному моменту сопротивления, разрушение корпуса чаще всего происходит в виде исчерпания предельной пластической прочности корпуса как вследствие остаточных деформаций и неровномерного износа, так и усталостных трещин. В ряде случаев [66] исчерпание существенной доли пластической деформации некоторых элементов судов возможно еще на стадии сборки и сварки корпуса за счет ОСН [37, 73].
Причиной упомянутых повреждений в общем случае являются переменные напряжения от общего изгиба корпуса на волнении. Трещины усталости появляются в районе концентраторов напряжений, которыми являются, прерывистые связи [44], жесткие точки, сварные швы вызывающие локализованные пластические деформации и ОСН. Пластические деформации являются мерой поврежденности материала и снижают выносливость [83]. К источникам повышенных напряжений относятся грузовые и прочие люки, двери, иллюминаторы, облегчающие вырезы при сборке, а также узлы пересечения и соединения различных связей, дефекты проката сварных швов [67, 68, 69, 70, 71].
Охарактеризуем подробнее повреждения в указанных элементах.
Типичными повреждениями прерывистых связей являются трещины в углах люков и других вырезов. Трещины возникают в зоне повышенных напряжений и могут распространяться в сварных конструкциях по значительно менее напряженным элементам, достигая часто критических размеров. Опасность усугубляется тем, что при воздействии циклических нагрузок существенно снижается временное сопротивление разрыву при низких температурах и повышается критическая температура хрупкости [67]. Это приводит к тому, что на определенном этапе общая поврежденность корпуса такова, что с учетом повышения критической температуры хрупкости трещина не тормозится и развивается катастрофически по всему корпусу.
Циклическое изменение напряжений и характеристики цикла
Фундаментальные исследования усталости в период между 1852 и 1887 гг. были выполнены немецким инженером и ученым Августом Велером. Тот факт, что переменность напряжений во времени с чередующимися возрастаниями и уменьшениями является условием, необходимым для возникновения усталостного разрушения, был известен и до Велера. Велеру принадлежит честь обнаружения достаточного условия для усталостного разрушения.
А. Велер испытал серию образцов, при этом уровень напряжений в каждом из них был свой собственный. Некоторые из образцов, те, в которых максимальные напряжения были большими, после некоторого числа циклов изменения напряжений разрушались, другие же образцы, с меньшими по величине максимальными напряжениями, не разрушались, как бы ни было велико (десятки миллионов) число циклов.
Результаты таких испытаний можно отразить с помощью графика (кривой усталости), аналогичного графику, приведенному на рис. 2.2.
Особенностью кривой усталости является асимптотическое одностороннее приближение ее к некоторой прямой, параллельной оси N и отсекающей от оси ординат отрезок а (смысл индекса будет пояснен ниже).
Максимальное напряжение, непревышение которого гарантирует неразрушение образца при сколь угодно большом числе циклов, называется пределом неограниченной выносливости.
Так было установлено достаточное условие для возникновения усталостного разрушения - превышение предела выносливости.
Так как неограниченное число циклов практически не реализуемо, обычно принимается, что если образец выдержал, не разрушившись, 107 циклов, то он не разрушится и при большем их числе.
Хрупкое разрушение связано с возникновением в материале трещин, инициированных дефектами в структуре материала, состоянием поверхности, обусловленным технологией обработки или коррозией, действием повторно-переменных нагрузок (усталостные трещины).
Первые основополагающие исследования развития хрупких трещин связывают с именем А.А. Гриффитса, который в 1920 г. опубликовал работу «Явление разрушения и течения в твердых телах». В этой работе был предложен энергетический подход к решению задачи об устойчивости трещины.
Рассмотрим некоторую пластину единичной толщины и растянутую напряжениями сг. Она имеет малую бесконечно тонкую щель (трещину) длиной 2І показанную на рис. 2.3. Если ширина полосы Ь» 1, то можно считать, пластина имеет неограниченные размеры в плане.
Ставится задача установить, при какой интенсивности внешней нагрузки, приложенной к концам пластины на бесконечности, трещина с начальной длиной 2 станет неустойчивой, т.е. начнет быстро распространяться при неизменном О" .
На рис. 2.4 а, показана трещина и внутренние связи, изображенные условно в виде стерженьков. Для продвижения трещины необходимо разрушить часть внутренних связей, для чего должна быть затрачена работа.
Общий алгоритм расчета ресурса сварных конструкций из феррито-перлитных сталей
Процесс усталостного разрушения разделяют на две стадии, являющиеся основными составляющими ресурса конструкции: образование макротрещины и устойчивое их развитие до критических размеров.
Первая стадия характеризуется накоплением рассеянных в микрообъемах материала повреждений, приводящих к развитию микротрещин, которые на определенном этапе эксплуатации конструкции образуют одну или несколько макротрещин в окрестности наиболее опасных точек.
Описать развитие системы микротрещин с помощью структурных (физических) моделей чрезвычайно сложно.
Вследствие этого для оценки продолжительности первой стадии целесообразно использовать полуэмпирические модели [1], параметры которых можно рассчитать по сведениям о фактической поврежденности металла обследуемого элемента конструкции. Основу данного расчетного метода составляет гипотеза накопления повреждений, предложенная Генри и примененная в [58]. Согласно Генри, поврежденность при усталости может быть определена как отношение величины уменьшения предела выносливости к пределу выносливости исходного материала где Р - поврежденность; JFr, oFr- пределы выносливости исходного и поврежденного металла соответственно.
При формулировке гипотезы Генри предполагается также, что кривая усталости может быть аппроксимирована выражением X= о" С3-2) где сг - амплитуда приложенного напряжения; к - постоянная материала; N -количество циклов до появления макротрещины.
Предполагается, что при накоплении повреждений форма кривой усталости не меняется где Nr - оставшееся количество циклов до разрушения.
Анализ экспериментальных данных позволил Генри записать условие N Используя (3.2), (3.3), из (3.4) найдем отношение —-, определяющее долгою остаточного ресурса.
Определив количество циклов развития макротрещины от своего минимального размера до критического, можно по выражению (3.5) рассчитать полный и остаточный ресурс элементов конструкций при любых параметрах на-гружения и для любой поврежденности металла, полученной на первой стадии, рис. 3.1.
Факторы, влияющие на сопротивление материалов усталости
Явление усталости исключительно сложно по своей природе, и исчерпывающего описания, охватывающего все его стороны, нет, В ходе исследования этого явления исторически сложился такой подход, при котором выделяется реакция материалов на простейший вид переменного нагружения - циклическое нагружение. Отличие условий усталостного повреждения конструкций от условий испытаний гладких образцов определяется влиянием ряда факторов.
К числу важнейших для усталости относятся:
- постоянная составляющая нагружения;
- концентрация напряжений;
- масштабный фактор, наиболее существенный для конструкций, в которых имеется концентрация напряжений, коррозия;
- остаточные, в том числе сварочные, напряжения;
- вид напряженного состояния области, в которой зарождается и развивается усталостное повреждение;
- структурные особенности материала;
- предварительная пластическая деформация;
- состояние поверхности объекта;
- случайный характер нагружения в действительных условиях и т. д.
Для получения представлений о влиянии этих факторов на усталость проводят исследования при циклическом нагружении с учетом отдельных факторов или их ограниченных комбинаций. Анализ результатов опытов позволяет выделить роль этих факторов, установить закономерности разрушения, протекающего при их участии. На основе анализа влияния наиболее существенных факторов строится приближенная модель усталости реальной конструкции.
Достоверность такой модели оценивается по результатам испытаний натурных конструкций или технологически адекватных им крупномасштабных образцов и моделей.
Ко времени исследований А. Велера уже была известна отрицательная роль постоянного растяжения, которое в сумме с растяжением циклического нагружения приводит к углублению процессов усталостного повреждения, сокращению долговечности материала и снижению предела усталости. Эмпирическую формулу для определения предела усталости при действии постоянной составляющей нагрузки первым предложил В. Гербер (1874): где ат - постоянная часть напряжения, гв - предел прочности материала; ае -предельное значение амплитуды нагрузки; показатель степени 2 - кривая огибает верхний уровень экспериментальных данных, может быть заменен на 1 -нижний уровень экспериментальных данных [45]. В этой формуле отражено существовавшее в то время мнение, что предел усталости снижается и при постоянном сжатии.
В последствии получила распространение формула Гудмана (1899), отражающая наблюдавшееся в опытах некоторое увеличение предела усталости при небольшом сжатии.
Формула Гудмана дает более консервативные (т.е. в сторону увеличения запаса прочности) результаты, чем результаты, полученные по формуле (4.1). По данным работы [93], зависимость (4.2) удовлетворительно характеризует пределы усталости некоторых алюминиевых сплавов, но заметно занижает показатели прочности малоуглеродистых и легированных сталей.
Экспериментальные данные для ряда материалов, приведенные в работах [73], [97], показывают, что при действии постоянной составляющей нагрузки реакция материалов не подчиняется какой-либо из указанных выше зависимостей. Подобные наблюдения привели к появлению ряда формул, пригодных для описания характеристик ряда материалов в определенных границах.
