CC BY
78
УДК [621.791.053.019:620.178.3]: [629.5.023.4-034.14:539.434]
Нгуен Ньян
ОГРАНИЧЕННАЯ ВЫНОСЛИВОСТЬ ДЕФЕКТНЫХ СВАРНЫХ ШВОВ КОРПУСНЫХ КОНСТРУКЦИЙ
Представлены результаты исследования влияния дефектов сварки корпусных конструкций на усталостную прочность и долговечность корпусной стали PCD 40 с дефектами при циклическом нагружении, а также результаты исследования долговечности стали без дефектов. Анализ напряженно-деформированного состояния образцов с дефектами и без дефектов методом конечных элементов позволил определить коэффициент концентрации напряжений, который составил 3,2. Так как концентраторами напряжений в основном являются сварочные дефекты, была проведена экспериментальная оценка влияния площади дефектов на долговечность сварных соединений. Установлено, что увеличение площади дефектов до 75 % приводит к снижению долговечности сварных соединений на 76 %, причем при увеличении значения относительной площади дефекта до 15 % число циклов до поломки образца уменьшается незначительно. Дальнейшее увеличение площади дефектов до 50 % приводит к снижению долговечности до 42 %. Концентрация напряжений приводит к снижению долговечности сварных соединений примерно на 37 %.
Ключевые слова: выносливость, долговечность, сварное соединение, корпусные конструкции, испытание на усталость, дефекты сварки.
Введение
Прочность и долговечность корпусных конструкций определяется качеством выполнения сварочных работ. В процессе эксплуатации корпус судна испытывает следующие виды нагрузок:
— статические (вес судна и давление воды на погруженную часть корпуса (силы поддержания));
— динамические (проявляющиеся при качке судна на взволнованной поверхности воды: силы инерции массы судна, силы сопротивления воды, ударные силы при слеминге, удары судна о лед и т. п.);
— циклические (действующие при плавании на волнении).
При воздействии на корпус судна переменных циклических нагрузок происходит накопление необратимых микропластических деформаций в структурно-неоднородных объемах металла, перераспределение атомов углерода и примесей, что приводит к уменьшению прочности, а также пластичности и ударной вязкости металла, и, следовательно, к снижению сопротивляемости разрушению [1]. Сварной шов и зона термического влияния является наиболее протяженным структурно-неоднородным объемом металлоконструкции, в котором наиболее вероятно зарождение очага усталостного разрушения.
В предыдущих исследованиях [2, 3] было дано описание экспериментального исследования влияния дефектов сварки на механические свойства корпусной стали, определенные при статическом и динамическом нагружениях. Результаты испытаний показали, что характеристики пластичности корпусной стали, начиная с относительной площади дефектов 35 %, резко снижаются, переводя статическое разрушение из разряда пластического в хрупкое, что также негативно сказывается на работоспособности сварных швов и корпуса судна в целом. Ударная вязкость также снижается при увеличении площади дефекта. При отношении средней площади дефекта к площади сечения образца до 30 % снижение характеристик пластичности и ударной вязкости незначительно.
Испытания на усталость сварных соединений без дефектов [4] показали, что чем больше отношение длины шва к толщине образца, тем больше значения долговечности. Предел выносливости стыковых соединений в исходном состоянии, сваренных различными способами на малоуглеродистых сталях, составляет 40-64 % от предела выносливости основного металла.
Материалы и методы исследования
Для оценки влияния дефектов сварных швов на механические свойства корпусной стали PCD 40, определенные при циклическом нагружении, было вырезано 20 образцов из сварных швов с дефектами. Образцы длиной 220 мм имели прямоугольное сечение 20 X 16 мм. Площадь дефектов выявлялась рентгенографированием. Для уточнения площади применялся метод мак-роструктурного анализа.
На этих же образцах исследовалось влияние концентрации напряжений на характеристики выносливости корпусной стали с дефектами. Концентрация напряжений обеспечивалась нанесением V-образного надреза (рис. 1).
Рис. 1. Образцы для испытания
Усталостные испытания были проведены на установке (рис. 2) [5, 6], по пульсирующему циклу. Циклическая пульсирующая изгибающая нагрузка действовала перпендикулярно сварному шву и образцу.
9 10 11 12 13
Рис. 2. Установка для испытаний: 1- электродвигатель; 2 - муфта; 3 - опора подшипника;
4 - вал; 5 - эксцентрик; 6 - обойма; 7 - втулка; 8 - гайка; 9 - фиксирующее устройство;
10 - система пружин; 11 - образец; 12 - тензорезистивный датчик; 13 - основание
Установка работает следующим образом: образец устанавливается на фиксирующем устройстве 9, две стороны которого регулируются болтами для предварительного нагружения. Образцы, имеющие сварочные дефекты, проходят усталостные испытания до полного разрушения образца или шва. При включении электродвигателя 1, который жестко закреплен на основании 13, происходит передача крутящего момента через муфту 2 валу 4, установленному в опорных подшипниках 3, обеспечивающих точную и стабильную центровку вращающихся частей. Вал 4 передает вращение эксцентрику 5, который создает пульсирующую циклическую нагрузку и передает ее через систему пружин 10 на образец 11. Для изменения величины нагрузки используются эксцентрики 5 с различным эксцентриситетом. Время прохождения испытаний и количество циклов до разрушения образца фиксируются. Для измерения напряжения в образцах использован тензо-резистивный датчик 12.
Испытания образцов проводились при одном уровне напряжений, который составлял 350 МПа. Результаты испытаний на усталость образцов с наличием дефектов представлены в таблице.
Результаты испытаний
№ образца Размеры дефекта, мм2 Относительная площадь дефекта, % Число циклов до разрушения, N ■ 104
1 9,0 5,0 100,8
2 12,6 7,0 94,1
3 27,9 15,5 69,2
4 45,0 25,0 75,6
5 72,0 40,0 58,8
6 76,1 42,3 42,3
7 90,7 50,4 25,2
8 108,0 60,0 98,3
9 117,0 65,0 30,0
10 144,4 80,2 85,2
11 14,4 8,0 100,8
12 18,2 10,1 94,1
13 22,1 12,3 69,2
14 30,6 17,0 75,6
15 54,9 30,5 58,8
16 63,7 35,4 42,3
17 57,6 32,0 25,2
18 84,8 47,1 98,3
19 93,6 52,0 30,0
20 17,1 9,5 85,2
Для оценки влияния концентрации напряжений на долговечность было испытано 5 образцов без надреза и без дефектов. Результаты показали число циклов до разрушения: N = 162,9 • 10 ; N2 = 156,6 • 104; N3 = 153,7 • 104; N4 = 165,8 • 104; N5 = 163,5 • 104. Средняя долговечность образцов
без надреза и дефектов составила N = 160,5 • 104 циклов.
В связи с тем, что ферритно-перлитные корпусные стали обладают значительной пластичностью, во всех случаях при испытаниях разрушение носило вязкий характер, область разрушения была деформирована, удлинение составляло не более 2 % относительно рабочей длины образца. На рис. 3 представлены характерные изломы разрушенных образцов с дефектами. Поверхность разрушения представляет собой классический усталостный излом.
Падрез
Рис. 3. Излом образцов с дефектами после испытаний
Для определения коэффициента концентрации напряжений был проведен анализ напряженно-деформированного состояния (НДС) методом конечных элементов (МКЭ). На рис. 4 представлена модель анализа МКЭ образца без концентратора напряжения (слева) и образца с концентратором напряжения (справа).
Рис. 4. Схема расчета методом конечных элементов образца без надреза и с У-образным надрезом
Анализ НДС образцов без надреза и образцов с надрезом показал, что коэффициент концентрации напряжений составил 3,2.
По результатам испытаний был построен график зависимости числа циклов до поломки образцов от относительной площади дефекта (рис. 5).
Рис. 5. Зависимость числа циклов до разрушения от относительной площади дефекта
Как видно из рис. 5, с увеличением относительной площади дефекта число циклов до разрушения образца снижается, причем этот показатель становится значительнее при достижении значения площади дефекта 30% .
Заключение
Таким образом, по результатам испытаний образцов установлено, что при циклическом на-гружении увеличение площади дефектов до 75 % приводит к снижению долговечности сварных соединений на 76 %, причем при увеличении значения относительной площади дефекта до 15 % число циклов до поломки образца уменьшается незначительно. Дальнейшее увеличение площади дефектов до 50 % приводит к снижению долговечности до 42 %. Концентрация напряжений приводит к снижению долговечности сварных соединений примерно на 37 %.
Результаты этого исследования могут быть использованы при назначении допускаемых без исправления размеров дефектов сварных швов корпусных конструкций, что в свою очередь приведет к сокращению сроков постройки и ремонта корпусов судов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Трощенко В. Т. Трещиностойкость металлов при циклическом нагружении: моногр. / В. Т. Трощенко, В. В. Покровский, А. В. Прокопенко. Киев: Наукова думка, 1987. 256 с.
2. Нгуен Ньян. Влияние дефектов сварных швов на механические свойства корпусной стали, определяемые при статическом нагружении / Ньян Нгуен, А. Р. Рубан // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. Сер.: Морская техника и технология. 2015. № 2. С. 13-21.
3. Нгуен Ньян. Влияние дефектов сварных швов на механические свойства корпусной стали, определяемые при динамическом нагружении / Ньян Нгуен, А. Р. Рубан // Вестн. гос. ун-та мор. и реч. флота им. адм. С. О. Макарова. 2015. № 4 (32). С. 126-130.
4. Кудрявцев И. В. Усталость сварных конструкций / И. В. Кудрявцев, Н. Е. Наумченков. М.: Машиностроение, 1976. 270 с.
5. Нгуен Ньян. Экспериментальная установка для испытаний плоских образцов с искусственными дефектами / Ньян Нгуен, А. Р. Рубан // Естественные и технические науки. 2015. № 2 (80). С. 116-118.
6. Пат. на полезную модель № 148280 РФ, МПК 00Ш 3/32. Установка для испытаний образцов на усталость / Рубан А. Р., Нгуен Ньян, Чанчиков В. В., Никульшин А. В. № 148280 РФ; опубл. 27.11.2014.
Статья поступила в редакцию 05.02.2016
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРЕ
Нгуен Ньян — Россия, 414056, Астрахань; Астраханский государственный технический университет; аспирант кафедры «Судостроение и энергетические комплексы морской техники»; nhannguyen.ast@gmail.com.
Nguyen Nhan
LIMITED DURABILITY OF DEFECT WELDING JOINTS OF THE HULL STRUCTURES
Abstract. The article presents the results of investigation of the influence of welding defects in the hull structures on fatigue strength and durability of hull steel PCD 40 with defects under cyclic loading, as well as the results of the study of steel durability without defects. The analysis of stress-strain state of the samples with and without defects using the finite element method allowed us to determine the stress concentration factor, which was 3.2. Since stress concentrators are mostly welding defects, the experimental evaluation of the influence of the area of defects on the durability of the welded joints is made. It is stated that an increase in the area of defects up to 75 % leads to a decrease in the durability of welded joints by 76 %, and by increasing the value of the relative area of the defect up to 15 % the number of cycles before the breaking up of the sample slightly decreases. Further increase in the area of defects up to 50 % results in a decrease in durability up to 42 %. The stress concentration leads to a decrease in the durability of the welding joints by about 37 %.
Key words: endurance, durability, welding joint, hull structures, fatigue test, weld defects.
REFERENCES
1. Troshchenko V. T., Pokrovskii V. V., Prokopenko A. V. Treshchinostoikost' metallov pri tsiklicheskom nagruzhenii [Seam resistance of metals while cycling load]. Kiev, Naukova dumka Publ., 1987. 256 p.
2. Nguen N'ian, Ruban A. R. Vliianie defektov svarnykh shvov na mekhanicheskie svoistva korpusnoi stali, opredeliaemye pri staticheskom nagruzhenii [Influence of defects of welding joints on the mechanical properties of the hull steel, determined at static load]. Vestnik Astrakhanskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo uni-versiteta. Seriia: Morskaia tekhnika i tekhnologiia, 2015, no. 2, pp. 13-21.
3. Nguen N'ian, Ruban A. R. Vliianie defektov svarnykh shvov na mekhanicheskie svoistva korpusnoi stali, opredeliaemye pri dinamicheskom nagruzhenii [Influence of defects of the welding joints on the mechanical properties of the hull steel, determined at dynamic load]. Vestnik gosudarstvennogo universiteta morskogo i rechnogo flota imeni admirala S. O. Makarova, 2015, no. 4 (32), pp. 126-130.
4. Kudriavtsev I. V., Naumchenkov N. E. Ustalost' svarnykh konstruktsii [Fatigue of the welded constructions]. Moscow, Mashinostroenie Publ., 1976. 270 p.
5. Nguen N'ian, Ruban A. R. Eksperimental'naia ustanovka dlia ispytanii ploskikh obraztsov s iskusstvennymi defektami [Experimental units for tests of plane samples with artificial defects]. Estestvennye i tekhnicheskie nauki, 2015, no. 2 (80), pp. 116-118.
6. Ruban A. R., Nguen N'ian, Chanchikov V. V., Nikul'shin A. V. Ustanovka dlia ispytanii obraztsov na ustalost' [Unit for testing the samples for fatigue]. Patent RF № 148280. 27.11.2014.
The article submitted to the editors 05.02.2016
INFORMATION ABOUT THE AUTHOR
Nguyen Nhan - Russia, 414056, Astrakhan; Astrakhan State Technical University; Postgraduate Student of the Department "Shipbuilding and Power Complexes of Marine Technological Equipment"; nhannguyen.ast@gmail.com.
