CC BY
10УДК 539.3
И.С. Тарасов, к.т.н., доцент ФГБОУВО «ВГУВТ»
603950, г. Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5
С.Н. Шутов, начальник отдела экспертизы зданий и сооружений
ООО «Экспертный центр»
603004, г. Нижний Новгород, пр. Ленина, 88
ОБОСНОВАНИЕ ПРИМЕНИМОСТИ ЭВОЛЮЦИОННОГО НАКОПЛЕНИЯ ПОВРЕЖДЕНИЙ ДЛЯ ОЦЕНКИ МАЛО И МНОГОЦИКЛОВОЙ УСТАЛОСТИ МЕТАЛЛОВ
Ключевые слова: напряженно-деформированное состояния, пластичность, разрушение, накопление повреждений, малоцикловая усталость, долговечность, ресурс.
Проведена оценка усталостной долговечности фланцевое соединение со сферической частью крышки при циклическом нагружении. Показано, что развитый вариант определяющих соотношений МПС адекватно отражает основные эффекты упруго-пластического деформирования и процессы малоцикловой усталости материалов и конструкций.
С использованием модели механики повреждённой [3] среды числено была Проведена оценка усталостной долговечности фланцевое соединение со сферической частью крышки при малоцикловом нагружении.
Экспериментальные и теоретические исследования процессов накопления усталостных повреждений в конструкционных материалах при переменных нагружениях и отсутствии влияния ползучести на долговечность материала показывают, что усталость охватывает две отличающиеся друг от друга области циклического нагружения
[1-3].
Процесс накопления повреждений в конструкционном материале в области малоцикловой усталости (МЦУ) обусловлен макроскопической пластической деформацией материала. В области многоцикловой усталости (МнЦУ) макроскопическая деформация принимается обратимой (упругой), пластические деформации малы по сравнению с ней, и в инженерных расчетах ими пренебрегают.
При регулярном циклическом деформировании материала уменьшение амплитуды деформации цикла при экспериментальном построении одноосной кривой усталости (переход от малоцикловой усталости материала к многоцикловой) происходит постепенно и зависит от физического взаимодействия механизмов МЦУ и МнЦУ в переходной зоне [1]. Долговечность при малоцикловой усталости в значительной степени определяется характеристиками процессов упругопластического деформирования конструкционных материалов и историей нагружения [1]. Многоцикловая усталость металла, несмотря на его квазиупругое макроскопическое поведение, является следствием микроскопической деформации, вызывающей совокупность необратимых процессов на микро- и мезоуровнях (циклическая вязкость, внутреннее трение, рассеяние энергии и т.д.) [2].
В монографии [3] изложены основные положения формулирования математической модели малоцикловой усталости конструкционных сталей и результаты ее верификации. В работе [2] изложена модель многоцикловой усталости, основанная на энергетическом критерии, и приведены основные результаты ее экспериментального обоснования.
В статье [4] представлены результаты расчетного анализа процессов накопления усталостных повреждений в рабочей части стандартных цилиндрических образцов, изготовленных из стали 08Х18Н10Т, согласно математической модели МЦУ [3], и
И. С. Тарасов, С.Н. Шутов
Обоснование применимости эволюционного накопления повреждений для оценки мало и ...
сравнения полученных результатов с экспериментальными данными и с расчетом по нормативному подходу [5].
В докладе представлен расчет усталостных повреждений по механизмам МЦУ и МнЦУ на более сложном техническом объекте - фланцевом соединении.
Расчетное определение усталостных повреждений осуществлялось на основании двух подходов.
1) «Нормативный подход» - основан на проведении расчетного исследования данного соединения согласно методики, изложенной в «Нормах...» [3], основанной на проведении условно-упругого расчета конструкции и правиле линейного суммировании повреждений.
2) «Эволюционный подход» - основан на применении эволюционного уравнения накопления повреждений, изложенном в [1]. В рамках данного подхода были проведены упругопластические расчеты напряженно-деформированного состояния с применением фактических физико-механических характеристик конструкционных материалов и нелинейное суммирование повреждений.
На рисунке 1 представлен схематично общий вид геометрической модели и упрощенная конечно-элементная модель, построенная с применением инженерных подходов.
В процессе работы фланцевое соединение испытывает циклическое термосиловое нагружение, представляющее комбинированный вид нагружения. Основным видом нагружения является циклическое изменение температурного состояния внутренней среды при постоянном внутреннем давлении. Изменение нагружения представлено на рисунке 2. На рисунках 3-4 представлены поля интенсивности напряженно -деформированного состояния при условно-упругом и упругопластическом расчете в наиболее нагруженный момент времени.
В таблице 1 представлены результаты расчета величины усталостного повреждения для наиболее нагруженных зон фланцевого соединения по двум подходам (нумерация узлов представлена на рисунке 2). В таблице 1 пс, пм - коэффициенты запаса по напряжениям и числу циклов, соответственно.
Таблица 1
Зона конструкции Номер узла Величина поврежденности расчетных узлов
По «Нормам...» [3] «Эволюционный подход» (ю)
ип = 2, пы = 10 пп = 1, пм = 1
Фланец №1 1 31,46 3,14 0,004
Сварной шов 2 1,1 0,109 0,26
Фланец №2 3 7,15 0,71 0,0028
На рисунке 5 представлено графическое сравнение величин поврежденности в сварном шве (узел 2) по двум подходам.
И. С. Тарасов, С.Н. Шутов
Обоснование применимости эволюционного накопления повреждений для оценки мало и
Рис. 3.
Рис. 4.
Из анализа результатов расчета по двум подходам можно сделать следующие выводы:
1. Согласно методике «Норм ...» [5] требуемый ресурс данного соединения не обеспечивается даже без использования нормативных коэффициентов запаса циклической прочности по напряжениям и числу циклов. Для решения данной проблемы необходимо проведение ресурсных испытаний.
2. На основании результатов «Эволюционного подхода» наиболее нагруженной зоной данного соединения является сварной шов (узел 2) и он будет определять ресурс конструкции. Использование подхода показало, что ресурс данного фланцевого соединения превышает требуемый на ~ 25%.
3. Использование линейного суммирования повреждений в «нормативном подходе» при определении усталостных повреждений в сварном шве без учета коэффициентов запаса приводит к ошибке в неконсервативную сторону (см. рисунок 5).
Список литературы:
[1] Коллинз Дж. Повреждение материалов в конструкциях. Анализ. Предсказание. Предотвращение / Дж. Коллинз. - М.: Мир, 1984. - 530 с.
[2] Трощенко В.Т. Энергетический критерий усталостного разрушения / В.Т. Трощенко, Л.А. Фомичев // Проблемы прочности. - 1993. - №1. - С. 3-10.
[3] Волков И.А., Коротких Ю.Г. Уравнение состояния вязкоупругопластических сред с повреждениями. - М.: Физматлит, 2008. 424 с.
[4] «Молодежь в науке». Сборник докладов седьмой научно-технической конференции (г. Са-ров, 28-30 октября 2008 г.) с. 753. Изд. 2009 г. Доклад «Применение энергетического принципа для анализа термоусталостной долговечности конструкционных материалов ЯЭУ» c. 485-487.
[5] ПНАЭ Г-7-002-86 Нормы расчета на прочность оборудования и трубопроводов атомных энергетических установок. М., Энергоатомиздат. 1986.
JUSTIFY THE APPLICATION OF AN EVOLUTION EQUATION OF DAMAGE ACCUMULATION FOR EVALUATION AND LITTLE CYCLE FATIGUE METALS
I.S. Tarasov, S.N. Shutov
Key words: stress-strain state, ductility, fracture, damage accumulation, low cycle fatigue, durability, resource.
The estimation of the fatigue life of the flange connection with the spherical part of the cover under cyclic loading. It is shown that the developed version of the defining relations of the Ministry of Railways adequately reflects the main effects of elastic-plastic deformation processes and low-cycle fatigue of materials and structures.
УДК 621.01
А.С. Яблоков, к.т.н., доцент ФГБОУВО «ВГУВТ» Е.А. Брыскина, студентка ФГБОУ ВО «ВГУВТ» С.А. Гусева, студентка ФГБОУ ВО «ВГУВТ» 603950, г. Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5
РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТА НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ КАРКАСА КРАНА КПЛ 5-30
Ключевые слова: пластичность, ползучесть, многоцикловая усталость, механика поврежденной среды, эксперимент, поврежденность, материальные параметры
В статье обсуждается проблема оценки долговечности металлоконструкций каркаса машинного отделения плавучего крана. Для оценки выработанного и прогноза остаточного ресурса крана на базе уравнений механики поврежденной среды был произведен расчет и анализ напряженно-деформированного состояния металлоконструкции каркаса плавучего крана КПЛ 5-30 используя уравнения многоцикловой усталости
Одной из основных задач современного машиностроения является оценка ресурса ответственных конструктивных узлов инженерных объектов на стадии их проектирования, оценка выработанного и прогноз остаточного ресурса в процессе эксплуатации объекта, продление срока службы после отработки этими объектами нормативного
