CC BY
22
ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА СВАРОЧНОГО ПРОИЗВОДСТВА
УДК 681.326
А.В. Славгородская, К.А. Молоков, А.В. Погодаев
СЛАВГОРОДСКАЯ АЛЕКСАНДРА ВЛАДИМИРОВНА -кандидат технических наук, доцент кафедры конструкции судов Инженерной школы (Дальневосточный федеральный университет, Владивосток). E-mail: alexandri-s@yandex.ru
МОЛОКОВ КОНСТАНТИН АЛЕКСАНДРОВИЧ - кандидат технических наук, доцент кафедры сварочного производства Инженерной школы (Дальневосточный федеральный университет, Владивосток). E-mail: spektrum011277@gmail.com
ПОГОДАЕВ АНТОН ВАСИЛЬЕВИЧ - инженер, кафедра сварочного производства Инженерной школы (Дальневосточный федеральный университет, Владивосток). E-mail: pogodaev-av@mail.ru
ОБ ЭФФЕКТЕ ОХЛАЖДЕНИЯ
ТОНКОЙ ПЕРФОРИРОВАННОЙ ПЛАСТИНЫ
УПРУГОЙ ДЕФОРМАЦИЕЙ
Работа посвящена технике охлаждения тонких поверхностей с помощью перфорации, перераспределения термальных процессов и упругой деформации. Она основана на экспериментальной технологии термодиагностирования и результатах исследования деформации в конструктивных элементах с дефектами. Один из методов техники охлаждения - снижение кавитации поверхности вращающихся винтов путем создания искусственных каверн (отверстий) на поверхности. Некоторые дополнительные положительные эффекты уменьшения срыва жидкого пограничного слоя изложены в данной работе.
Ключевые слова: температурное поле, упругая деформация, гребной винт, кавитация, температура, охлаждение, концентрация напряжений.
On the cooling effect on a thin perforated plate by elastic deformation. Alexandra V. Slavgorodskaya, Konstantin A. Molokov, Anton V. Pogodaev, School of Engineering (Far-Eastern Federal University, Vladivostok).
The paper deals with the technique of cooling thin surfaces by way of perforation, redistribution of thermal processes, and elastic deformation. It is based on the experimental technology of thermo diagnostics as well as the results of the studies on the deformation process in constructive elements having defects. One of the methods of the cooling technique is to decrease the cavitations on the blades of rotating screws by making artificial cavities on their surfaces. Presented are also certain additional positive effects impeding the separation of the boundary liquid layer on them.
Key words: temperature field, elastic deformation, rotating screw, cavitation, temperature, cooling, stress concentration.
© Славгородская А.В., Молоков К.А., Погодаев А.В., 2013
Все реальные конструкции имеют трещины, царапины, отверстия и другие дефекты. В инженерной практике есть примеры многих аварий, произошедших, на первый взгляд, по неизвестным причинам, поскольку разрушение хрупкого типа происходило при достаточно низком уровне напряжений.
Трещина в деформируемом теле создает очаг возмущения напряженного состояния, характерный сильной концентрацией напряжений у ее острия. Казалось бы, любая малая трещина, благодаря стремлению напряжений к неограниченному росту с приближением к кончику трещины, должна была бы породить прогрессирующий процесс разрушения. Однако такой теоретический результат следует из модели идеально упругой сплошной среды и не соответствует реальным физическим свойствам материала. Дискретная структура реального материала и нелинейность механических соотношений для него в сильной степени изменяют картину физико-механического состояния, следующую из линейной теории упругости [1]. В результате, как показывает опыт, в одних условиях трещина может устойчиво существовать, не проявляя себя как-либо, а в других - происходит взрывоподобный рост трещины, приводящий к внезапному разрушению тела [1].
Температура - самое универсальное отражение состояния оборудования. При практически всех «разрушениях» оборудования изменение температуры является самым первым симптомом, указывающим нам на «болезнь».
Применение тепловизионной диагностики основано на том, что наличие практически всех видов дефектов оборудования вызывает изменение температуры дефектных элементов и как следствие изменение интенсивности инфракрасного (ИК) излучения, которое может быть зарегистрировано тепловизионными приборами [2].
Эксперименты по сопоставлению данных статического испытания на растяжение плоских образцов латуни, меди и стали Ст3 проводились на кафедре сварочного производства ДВФУ на универсальной машине фирмы Шимадзу 1000 кН (рис. 1).
1
Рис. 1. Установка для испытаний, оборудованная под тепловизор ИРТИС 2000
В работе использовался сканирующий зондовый микроскоп SPM9600 и российский измерительный тепловизор ИРТИС 2000 с выводом термографических изображений на персональный компьютер (рис. 2). При проведении эксперимента придерживались руководящих документов и положений инфракрасной диагностики [2, 7], а в процессе испытания - ГОСТа 1497-84 [3].
Для испытаний использовались плоские образцы латуни размерами 100 х 40 х 1,5 мм, меди - 100 х 40 х 1 мм и конструкционной стали - 60 х 24 х 1,9 мм без вырезов, с вырезом 010 мм и с надрезом 5 мм. Диаграммы растяжения материалов зафиксировали склонность к пластическому деформированию у образцов, имеющих вырезы, однако общая работа (оценивалась по площади диаграммы) на разрушение оказывалась меньше по сравнению с образцами, не имеющими концентраторов напряжений (рис. 3-5).
Рис. 2. Термографические изображения, полученные с ИРТИС 2000: изображение начала деформирования слева, конца - справа
Рис. 3. Диаграммы растяжения плоских образцов латуни (справа - с круглым вырезом)
—
,1 X
У -и
/ \
/ \
\/ \
О 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4
Рис. 4. Диаграммы растяжения плоских образцов меди (справа - с круглым вырезом)
"I 1 1
У к* с* "ч
У
/
-
РИ
-
1
1
1
6 0 10 12 14 16 16 20 22
Рис. 5. Диаграммы растяжения плоских стальных образцов (справа - с круглым вырезом)
Снижение предела прочности было незначительным и укладывалось в нормы стандартного коэффициента концентрации напряжений для круглых отверстий.
Экспериментальные данные благодаря возможностям используемого оборудования были синхронизированы и сохранены в цифровом формате, что значительно упрощает обработку данных и сравнительный анализ.
Из опыта растяжения плоских тонких образцов с круглыми отверстиями прослеживается следующая закономерность: с увеличением количества отверстий при одинаковой площади ослабленного поперечного сечения предел прочности (напряжение, соответствующее максимальной растягивающей силе) практически не изменяется, однако площадь диаграммы растяжения (в координатных осях сила-удлинение) уменьшается за счет уменьшения пластической деформации. Чем больше отверстий, тем более закономерно хрупкое разрушение при более высоком опасном напряжении - эффект временного упрочнения материала (явление иногда называется «наклеп» как следствие предварительного пластического деформирования).
Существует способ снижения опасных напряжений вблизи трещин за счет рассверливания конца трещины круглым отверстием, в таком случае изменяются напряжения вблизи конца трещины, т.е. круглые отверстия исключают возможные касательные сдвиговые перемещения за счет увеличения поверхности (площади) и тем самым - снижения опасных напряжений.
Так как рост трещины происходит за счет притока внешней энергии и сопровождается нагреванием по направлению ее роста, представляется возможным предложить способ охлаждения конструкции, имеющей круглые отверстия, поглощающие энергию при упругом деформировании [8].
На рис. 6 показан вид винта, отличающийся тем, что каждая лопасть выполнена в виде тонкой, предпочтительно тонкой, упругой пластины с обтекаемыми кромками. На участке, примыкающем к ступице 1, лопасть 2 деформирована с образованием складки 3 так, что лопасти придан заданный наклон к поверхности, перпендикулярной продольной оси ступицы, кроме того, лопасти перфорированы, а их конструктивные параметры определены по формуле [4, 5]
п
в-Е А
Ж =-1-83,
' 3
где - момент сопротивления лопасти кручению; В - ширина лопасти; Di - диаметр отверстия; 8 - толщина лопасти.
При этом в каждом продольном сечении лопасти суммарная площадь отверстий 4 перфорации не превышает половины площади сечения лопасти, а диаметр отверстий перфораций не превышает 5 толщин лопасти.
Одной из причин кавитации лопастей гребных винтов является нагрев поверхности, значительно понижающий предел текучести (напряжение, соответствующее началу заметных пластических деформаций и сопровождающихся разогревом материала). Заранее ослабленной поверхности круглыми отверстиями необходима тепловая энергия для развития безопасной упругой деформации.
б
Рис. 6. Гребной винт с перфорированными лопастями (а),
отдельная лопасть (б): 1 - ступица; 2 - лопасть 3 - складки; 4 - отверстия
а
Температурный подогрев иногда используется для снятия остаточных напряжений (пластических) в материале и регуляции кристаллической структуры материала.
Температурные перемещения не всегда создают температурные напряжения: они не возникают при отсутствии препятствия росту температурных перемещений.
Круглые отверстия являются концентраторами напряжений, менее опасными, чем трещины, но при деформации увеличивается площадь концентратора, часть напряжений снижается и перераспределяется по направлению вырезов. Приток энергии извне исключает развитие пластических деформаций и тратится на температурные перемещения, что способствует безопасным упругим деформациям.
Лазерные технологии позволяют вырезать отверстия сложной геометрической формы на тонкой лопасти без остаточных деформаций, без рваных краев и других дефектов кромки, точность резки составляет 0,1 мм (рис. 7).
Рис. 7. Лазерная резка металла в Российско-японском центре передовых технологий ДВФУ
Перфорация лопасти кроме снижения температуры поверхности за счет упругой деформации должна обладать другими положительными свойствами:
- меньшее гидродинамическое сопротивление за счет так называемых искусственных каверн (в нашем случае это круглые отверстия), создающих эффект удержания пограничного слоя [6]. (Пример - суперкавитирующие винты, когда присутствие и генерация кавитации дает увеличение КПД);
- заранее известное направление деформаций позволит задать оптимальное положение отверстий, снижающее риск разрушения лопасти.
Наличие концентраторов напряжений не только снижает запас прочности, но и вызывает изменение распределения опасных зон в конструкции. Даже при, казалось бы, хрупком разрушении стального образца с надрезом зондовый микроскоп фиксировал зоны пластического деформирования вблизи концентратора напряжений.
Перераспределение опасных напряжений в перфорированной пластине при упругой деформации демонстрируется изменением температурного поля, которое можно характеризовать как эффект охлаждения. Если действительно повышение температуры объясняется наличием внутреннего трения, то, исключив его возможность переносом критических
напряжений в менее опасную зону, например вблизи круглого выреза, можно не только увеличить прочность конструкции перфорацией, но и добиться снижения температуры материала за счет его расширения, что, как правило, характерно для вязкой среды. Предположение, что снижение даже на 1-2° может отодвинуть температуру кавитации в гребных винтах, требует проверки, а пока может использоваться в терморегуляторах, когда для более быстрого охлаждения можно создать упругую встряску. Прочность перфорированных конструкций обсуждалась еще на заре самолетостроения, однако до сих пор положительный эффект снижения температурных напряжений используется не так активно.
Полученные результаты подтверждают предположение о зависимости формы концентратора напряжений от направления развития деформаций. Факт развития пластических деформаций в концентраторах вносит повреждения в материал при циклической нагрузке, что увеличивает вероятность появления трещин в области концентрации напряжений. Между тем, как мы убедились, зарождение пластических деформаций в концентраторах напряжений можно идентифицировать уже на ранних стадиях работы конструкции, используя методику термодиагностирования [9].
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Аносов А.П., Славгородская А.В. Вопросы циклической прочности судовых конструкций: учеб. пособие. Владивосток: Дальрыбвтуз, 2003. 160 с.
2. Госсорг Ж. Инфракрасная термография. Основы, техника, применение. М.: МИР, 1988. 416 с.
3. ГОСТ 1497-84. Металлы. Методы испытаний на растяжение. М.: Изд-во стандартов, 1986.
4. Гребной винт: Пат. 126315U1 Российская Федерация / А.В. Славгородская, А.И. Богаевский, А.В. Погодаев, К.А. Молоков. Заявл. 06.09.2012, опубл. 27.03.2013, Бюл. № 9.
5. Гребной винт: Пат. № 109092 Российская Федерация / А.В. Славгородская, А.И. Богаевский, А.В. Погодаев, К.А. Молоков. Опубл. 10.10.2011.
6. Поспорить с Архимедом, или теория гребных винтов с волнистыми лопастями. LAP Lambert Academic Publishing, 2012. 55 c.
7. РД 153-34.0-20.363-99 Основные положения методики инфракрасной диагностики электрооборудования и ВЛ. URL: http://npimpuls.ru/metodiki-osnovnye-polozheniya (дата обращения: 22.04.2013).
8. Славгородская А.В. Способ охлаждения тонкой перфорированной поверхности упругой деформацией // Авиация и космонавтика-2012: тез. докл. 11-й Международной конференции, СПб., 13-15 ноября 2012 / Московский авиационный ин-т. СПб., 2012. С. 54-55.
9. Some technical possibilities by computer modeling and thermo vision diagnostic for stability of constructions, Intern. J. of Modeling and Optimization, 2013, Vol. 3, N 1, Febr., р. 36-40. URL: www.ijmo.org (дата обращения: 15.03.2013).
