CC BY
12УДК 539.3
А.С. Яблоков, к.т.н., доцент ФГБОУВО «ВГУВТ» 603951, г. Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5 А.И. Волков, ведущий инженер
Д.Н. Шишулин, к.т.н., доцент ФГБОУ ВО «НГТУ им. Р.Е. Алексеева» 603950, г. Нижний Новгород, ул. Минина, 24
ОЦЕНКА НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ И УСТАЛОСТНОЙ ДОЛГОВЕЧНОСТИ МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИИ ПЛАВУЧЕГО КРАНА КПЛ 16-30 ПО ЕГО ФАКТИЧЕСКОЙ ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ НАГРУЖЕННОСТИ
Ключевые слова: металлоконструкция, макротрещина, механика поврежденной среды, плавучий кран, микродефекты, ресурс, прочность, многоцикловая усталость.
Для прогноза остаточного ресурса и определения выработанного, приведена оценка напряженно-деформированного состояния стрелы плавучего крана сварной балочной-конструкции, грузоподъемностью 16 тонн на базе методик теории механики поврежденной среды, при усиленных процессах деградирования рассматриваемой стали материала по механизму многоцикловой усталости, проведена оценка кинетики напряженно-деформированного состояния опасных зон рассмотренной металлоконструкции стрелы крана плавучего и выполнен прогноз его остаточного ресурса стрелы по его эксплуатационной фактической нагруженности.
Введение
Основной задачей современного машиностроения является определение и расчет ресурса конструктивных ответственных узлов любых объектов инженерного проектирования на стадии их моделирования, прогноз ресурса остаточного, а также оценка выработанного, кроме того, при эксплуатации инженерного объекта, продление срока службы после выработки такими объектами нормативного срока службы. Особенную важны такие вопросы для объектов, срок технической эксплуатации которых составляет несколько десятков лет. Что особенно важно, в условиях спада промышленного производства обостряется проблема обеспечения безаварийной эксплуатации подъемных сооружений, так как травматизм на объектах производственной эксплуатации подъемных сооружениях занимает третье место, после горнорудной и угольной отраслей. Проблема усугубляется, так как с одной стороны, парк подъемных сооружений значительно постарел (по данным Российского речного регистра более 90% плавучих кранов, используемых на внутренних водных путях Российской Федерации отработали нормативный срок службы), в то же время, у эксплуатантов оборудования сравнительно низкие финансовые возможности и экономическая обоснованность для обновления парка подъемных сооружений, их модернизации, замены и восстановительного ремонта изношенных узлов.
Основными механизмами накопления повреждений для металлоконструкций кранов являются многоцикловая усталость (МнЦУ), малоцикловая усталость (МЦУ) в местах максимальной концентрации напряжений, где возможно образование коррозионных повреждений различной природы и действие знакопеременных пластических деформаций. Сформировавшиеся в процессе эксплуатации дефекты ведут к последовательному ухудшению физико-механических параметров стали - деградации параметров предельных состояний конструктивных узлов подъемного сооружения. Приведенные условия эксплуатации и обстоятельства требуют особого наблюдения за
процессом развития и распространения дефектов при эксплуатации подъемного сооружения. Все это вынуждает конструкторов и прочнистов углубленно исследовать поведение конструкционных сталей в эксплуатационных условиях различного нагру-жения, добиваться понимания процессов распространения поврежденности в определенном объеме узла конструкции при эксплуатации подъемного сооружения, адекватно оценивать связанные процессы накопления повреждений и деформирования.
Рассматривая различные типы разрушения конструкций ответственных инженерных объектов, сделан вывод о том, что хрупкое разрушение конструктивных элементов, выполненных из пластичных материалов как результат процессов усталости опасно и наименее экспериментально и теоретически изучено. Теоретическая возможность определения разрушения в этих условиях в большей степени зависит от комплексного развития теории экспериментальной механики, а также специализированных методов численного расчета и уравнений состояния, с помощью которых возможно определить реальную историю изменения напряжений и деформаций в максимально нагруженных локальных зонах конструктивных элементов при весьма тяжелых режимах эксплуатации.
В последние годы для решения задач по определению процессов деградации и разрушения материалов успешно осваивается научное направление - механика поврежденной среды (МПС). Механика поврежденной среды является достаточно точным, но сложным и трудоемким подходом, требующим большой экспериментальной программы, определения процессов, проходящих в конструкционных сталях. Развитие вычислительной и экспериментальной инновационной техники, а также методов решения краевых нелинейных задач на программных комплексах позволяет использовать современные уравнения МПС для оценки выработанного прогноза остаточного ресурса машиностроительных объектов и подъемных сооружений в процессе эксплуатации.
Различают три основных класса объектов в зависимости от последствий отказов:
1-ый класс. Объекты, функциональный отказ которых создает угрозу для жизни и здоровья людей, окружающей среды или приводит к тяжелым экономическим потерям;
2-ой класс. Объекты, функциональный отказ которых может привести к существенным экономическим потерям:
3-ий класс. Объекты (изделия) общего пользования, отказы которых приводят к несущественным последствиям.
Совокупности нормативных показателей и правил, выполнение которых обеспечивает фактическое достижение требуемых характеристик прочности и надежности объекта как по составу, так и по величине, должны быть соразмерны с классом объекта, так как повышение требований (уменьшение риска) неизбежно ведет к увеличению стоимости и длительности работ по их выполнению.
Одним из основных вопросов является рациональное сочетание необходимости максимального учета всех физических воздействий и явлений, которые могут влиять на скорость процессов поврежденности и выбора практически реализуемых подходов к количественной оценке степени влияния этих воздействий и явлений. На стадии проектирования объекта наибольшая опасность таится в возможности пропуска какого-либо фактора (или ряда факторов), которые могут в реальных условиях эксплуатации оказывать существенное влияние на изменение остаточной прочности (ресурса) объекта. Для обеспечения полноты учета всех существенных факторов должны быть использованы все способы снижения вероятности пропуска: экстраполяция от достигнутого, анализ опыта, аналогии, прецеденты, экспертные оценки и т.д.
Все выявленные факторы должны быть ранжированы по ожидаемой степени влияния с выделением групп факторов, раздельный учет которых недопустим.
Так как процесс старения объекта (накопление повреждений, уменьшение остаточной прочности) зависит от условий его эксплуатации, то уровень знаний об этих
условиях на основе изучения фактической эксплуатации определяет культуру обеспечения прочности и надежности, а для ответственных объектов предупреждение серьезных аварий и катастроф.
Правильное значение условий эксплуатации, но только «в среднем» - недостаточно. Для ответственных объектов необходимо знать индивидуальные условия эксплуатации на каждый (или любой выбранный) момент наработки, фактически определяющие к данному точному моменту текущую остаточную прочность объекта (выработанный ресурс) и позволяющие эксплуатировать объект с учетом фактических темпов его деградации.
Для сложных объектов число факторов, влияющих на процессы старения объекта велико, а сами факторы достаточно разнородны и требуют для своего изучения целый спектр наукоемких методов и средств с большой трудоемкостью.
Для предотвращения аварийных ситуаций на ответственных объектах необходима специальная нормированная процедура диагностики построенная с учетом свойств живучести объекта. Целесообразно на стадии эксплуатации последовательное продление текущих назначенных ресурсов вплоть до достижения планового ресурса до списания, а в случае необходимости и далее (продление ресурса). Это приводит к необходимости обязательного контроля и анализа технического состояния эксплуатирующегося объекта перед каждым допуском объекта на очередной этап эксплуатации. Прогноз уровня безопасности объекта при этом осуществляется лишь на относительно короткий срок, равный продолжительности этапа.
Сроки контроля устанавливаются из условия, чтобы остаточная прочность, уменьшающаяся из-за развивающихся процессов деградации, на последующем этапе эксплуатации объекта не достигла критической. При этом используется информация о текущем техническом состоянии объекта, о прогнозной модели эксплуатации объекта на последующем интервале эксплуатации, о темпах развития поврежденности по доминирующим на данном этапе физическим механизмам деградации, о связи текущей поврежденности объекта с его остаточной прочностью.
1. Модель поврежденной среды для оценки деградации материала по механизму многоцикловой усталости
Согласно статистике, более 80% всех разрушений, в том числе и металлоконструкций подъемных сооружений, происходят из-за усталостных дефектов конструкции. Поэтому определение критических и предельных состояний конструкций и материалов, работающих в условиях циклического нагружения, с учетом технологии производства, эксплуатационных и конструкционных факторов, является одной из важнейших задач в современном строительстве и машиностроении.
Многолетние экспериментальные и теоретические исследования усталостных повреждений позволяют сделать вывод о том, что усталость охватывает две области циклического нагружения, отличающиеся друг от друга.
На рис. 1 представлены данные усталостной экспериментальной долговечности стареющей стали [1] в координатах десятичного логарифма «пластическое деформирование - число циклов до разрушения» и «упругая деформация - число циклов до разрушения» для определения кривой, показывающей отношение между усталостной долговечностью и полной деформацией (1 - общая кривая усталостной долговечности, 2 - кривая многоцикловой усталости, 3 - кривая малоцикловой усталости).
е
Рис. 1.
Одна из определенных областей (область МЦУ) - определена при циклическом нагружении, при котором во время определенного цикла проходят знакопеременные пластические макроскопические деформации. Эта область характеризуются небольшим числом циклов Ы/ до усталостного разрушения (Ы/ < 104) и реализуется в элементах конструкций в зонах высоких температур и конструктивной концентрации напряжений при номинальных допускаемых напряжениях 0,5^0,8 стт (предела текучести) материала. Процесс малоцикловой усталости (МЦУ) сопровождается циклическим упрочнением (или разупрочнением) материала и нелинейной зависимостью «напряжение-деформация» при циклическом деформировании. Малоцикловая усталость в значительной мере зависит от циклических свойств конструкционного материала и истории его нагружения.
Другая область - циклического нагружения, при котором макроскопическая деформация во время каждого цикла принимается упругой, а пластическими деформациями пренебрегают. Указанную область определяют малые нагрузки и большие значения долговечности (Ы/ > 105). Эта область называется многоцикловой усталостью. Именно с помощью циклической макроскопической деформации возможно отличить малоцикловую усталость от многоцикловой.
В области долговечностей Ы/ = 104^105 - циклов действуют одновременно два начальных механизма деградации прочностных свойств любого материала.
Согласно последней тенденции общепринято полагать, что процесс разрушения усталостного характера включает в свой состав три фазы. Первая фаза описывается накоплением распределенных по всему материальному объему повреждений, что является причиной возникновения макротрещины. После наступает вторая фаза - описываемая устойчивым развитием трещины. При достижении трещиной критического геометрического размера наступает третья фаза - неустойчивый рост трещины с большой скоростью до полного разрушения.
К настоящему моменту сформировано подтвержденное физическое представление о факте появления макроскопической трещины, так ее развитие предопределяется внутренним ослаблением материала из-за распространения дефектов, ведущих к образованию трещин и их распространению, а также к снижению физико-механических свойств материала, причиной этого являются изменения в микроструктуре материала, что ведет к: снижению общей прочности материала, снижению величины ударной вязкости, что в целом ведет к сокращению остаточного ресурса. Продолжительность последующего интервала разрушения описывается временем распространения существующей трещины в макроструктуре до критических размеров. С учетом теории механики сплошной среды, первый интервал можно описать с помощью уравнений механикой поврежденной среды (МПС), а второй - механикой разрушения (МР).
Модель повреждённой среды при МнЦУ, развитая в [2, 5], включает в себя три взаимосвязанные части:
- соотношения, определяющие зависимость между тензорами деформаций и напряжений с определением связи от процесса разрушения;
- эволюционные уравнения, определяющие процесс кинетического накопления повреждений, носящих усталостный характер;
- критерии прочности повреждённого материала.
а) Уравнения состояния.
В упругой зоне работы материала зависимость между девиаторными и шаровыми переменными тензоров деформаций и напряжений определяется положениями, изложенными законом Гука:
ст = 3Ке , ст; = 2Се;е Act = ЭКАе + АКст/К , Аст; = 20Ае'1е + AGct; /G (1)
здесь ст, Act, e, Ае - шаровые, а
ст;, Act;, e'eij, Ае"ij - девиаторные составляющие тензоров напряжений ст,у, упругих
деформаций е'еу и их приращений Дст;, Ае; соответственно; K (ю) - модуль сжатия объёмного;
G(o) - модуль сдвига (функция повреждённости накопленной ю).
б) Уравнения накопления повреждений, носящих усталостный характер.
Математическая модель среды с повреждениями, при влиянии механизма МнЦУ базируется на критерии В.Т. Трощенко, экспериментально обоснованно доказанном для рассматриваемых классов конструкционной стали, при регулярном симметричном циклическом нагружении [8]:
Nf Nf aw ,
YAW = Y[AW -AW (-е- )al = const, (2)
i i у( aw ()
Nf
где YAW = W = const
1
- критическая удельная работа, соответствующая зарождению макроскопической усталостной трещины в элементарном объеме материала;
Y AW =Y ст'Ае'.
¿-^ е Z—1 j j
- удельная полная работа составляющих девиатора напряжений на рассмотренных девиаторах упругой деформаций, сформированная за определенное количество N циклов;
АЖ <
Ж = У [АЖ (-е-)а ]
н У у АЖу
- «неопасная» часть удельной, полной, сформированной работы;
АЖ = аиАееи - удельная работа напряжения на девиаторах, за определенные циклы нагружения, определяющая пределу усталостной выносливости стали.
Для несимметричного нагружения, носящего нерегулярный циклический характер нагружения, на рассматриваемом промежутке времени А? = ? — ? отношение (2) определяется в следующем виде [9]:
АЖ0 = АЖ [1 — /(у)], У = ^ , А Ж = , (3)
/ 1 1 \1/2 „ где стц = (ст^.ст^. у - продолжительность воздействия тензоров напряжения в матери-
але,
Агеи = (е'^е'^ )12 - приращение деформаций по интенсивности,
ст - напряжения на временном промежутке интенсивности тензора, что соответствует определенному пределу выносливости материала, А Ж - «опасная» часть полной удельной энергии упругого деформирования АЖ ; А Ж - девиаторная часть удельной энергии упругого деформирования; А Ж = А Ж ' / (у) - «неопасная» часть удельной энергии А Ж на этапе нагружения.
Функция / (у) - функция относительного значения амплитуды интенсивности напряжений, характеризующая степень влияния механизма многоцикловой усталости на кривую усталости. Данную функцию можно представить в виде уравнения, и графически она представлена на рис. 2:
/ (У) =
1 при у < 1
. у — 1
1 — Ь (--)т при у =, 1 <у<у* . (4)
у * —1
1 — Ь* при у > у *
Интервал у е [0,1] определяется областью непрогрессирующей трещины усталостного характера, на рис. 2 это кривая лежащая ниже значения ст , соответствующего условному пределу выносливости материала. Интервал у е (1, у ) определяет области образования трещины усталостного характера по механизму многоцикловой усталости. Данная область на рис. 2 лежит левее области А, а диапазон у > у соответствует области образования усталостной трещины по совместному механизму малоцикловой и многоцикловой усталости.
/О)
Принятый / ттреде.тг усталости
^Ч. Много циклон «г об.ттгстт» Мл.ПОТ1Т1Тч"ЛГ>П пя ^лпстт.
^ €,.- „ аи„ <
О 1
Рис. 2
Теоретический и экспериментальный анализ процесса распространения повре-ждённости дефектов в материале позволяет обобщить прикладной вид эволюционного уравнения накопления повреждений, носящих усталостный характер в элементарном объёме материала в общем виде [10]:
/2(Р)/з(со )/4(г){^/;
где функция /1(6) учитывает зависимость вводимых параметров траектории деформирования,
/2(Р) - вид (объёмность) напряжённого состояния, /э(ю) - уровень накопленной повреждённости,
/а(£) - накопленная относительная энергия, затраченная на образование дефектов. Уточнение приведенного отношения при усталостных деформациях ведет к последовательной записи уравнения накопления повреждений [2]:
о +1
Дга =-/ (Р) го (1 - га)-г Дг,
г +1
г = , Дг, =
ДЖ
_вг
Ж
[1 -1 (1,)],
(5)
(6)
где о и г - материальные параметры;
Ж = УДЖ. ;
/ ' ег >
Ж - критическое значение «опасной» энергии повреждения в момент образования
макроскопической трещины, для частного случая регулярного циклического нагружения получим:
га = 1 -
1 -
V Кг ,
V 1
р+1
(7)
где N, - число циклов до разрушения.
Содержание уравнения (7) аналогично структуре уравнения накопленных повреждений, носящих усталостный характер, определенных в работах [4, 6, 8].
в) Критерий прочности повреждённого материала.
Для определения критерия завершения фазы распространения рассеянных повреждений микроструктуры, назначается условие достижения величиной повреждённо-сти своего критического значения:
ю = < 1. (8)
Проинтегрировав представленные эволюционные уравнения накопления повреждений, по заданной владельцем или организацией-эксплуатантом истории загруже-ния конструкции по циклам в определенном рассматриваемом объёме стали, возможно определить начало формирования дефекта в виде трещины в макроструктуре по различным механизмам, определенных в теории МнЦУ.
На рис. 3 представлены результаты расчёта усталостной кривой Стали 3 при одноосном циклическом растяжении-сжатии лабораторного образца (точками обозначены экспериментальные данные).
Полученная расчётная кривая многоцикловой усталости с точностью, необходимой для инженерных расчетов качественно и количественно согласуется с полученными экспериментальными данными, что подтверждает достоверность определяющих соотношений механики поврежденной среды и правильности выбранных материальных параметров модели.
В настоящее время развиваются различные подходы к решению проблемы оценки выработанного ресурса объектов в процессе эксплуатации:
- методы, базирующиеся на диагностическом определении состояния конструкции материала и узлов неразрушающими физическими методами контроля;
- подходы, основанные на исследовании изменения некоторых диагностических параметров объекта в процессе (например, техническое вибродиагностирование);
- подходы, основанные на математическом моделировании процессов деградации материала на базе современных методов механики поврежденной среды, механики разрушения в условиях эксплуатации с учетом индивидуальных свойств объектов.
Эффективный результат дает совместное использование всех подходов.
Существует большое количество механизмов, позволяющих прогнозировать алгоритм выработки ресурса опасного производственного объекта в зависимости от условий его эксплуатации: многоцикловая усталость, малоцикловая усталость, длительная прочность, коррозия и др. Для указанных механизмов образование макроскопической трещины является результатом последовательного действия определенного числа очень сложных с позиции преобразования начальной характеристики структуры исследуемой стали, начиная с зарождения, развития и взаимодействия разных типов рассматриваемых дефектов кристаллической решетки в металлах и взаимодействие иерархических структурных составляющих различного уровня. Необратимые изменения в структуре материала обуславливают зарождение и рост трещины в макроструктуре рассматриваемого материала и являются неотъемлемой составляющей процесса разрушения материала.
Рис. 3
В этом понимании остаточный ресурс объекта является текущим состоянием, зависящим от условий предшествующей и будущей эксплуатации объекта, которое реализуется на индивидуальном объекте с учетом проводимого систематического переоценивания очередных прогнозов, «отслеживания» реального состояния, использования обратных связей и т.д., то есть такого рода деятельности, которую принято обозначать обобщающим термином «мониторинг».
Мониторинг насыщается определенными методами, имеющими цель определения базового объема рассматриваемых элементов и определенных решений систем результатов мероприятий, применяющихся к объекту на всех этапах его жизни, начиная с проектирования.
2. Численные результаты оценки долговечности балочной коробчатой металлоконструкции грузоподъемной стрелы крана плавучего КПЛ 16-30
Для определения возможности использования на практике метода математического моделирования исчерпания ресурса подъемного сооружения, был выполнен расчет металлической конструкции грузоподъемной стрелы крана плавучего КПЛ 16-30, изготовленного в 1989 году заводом «Теплоход» г. Бор, зав. №2089. За время эксплуатации краном плавучим было совершено 431250 циклов и (по данным организации-владельца) перегружено 3460000 тонн навалочного груза. Материал производства несущей металлоконструкции крана Ст3кп. Определение напряженно-деформированного состояния металлоконструкции крана плавучего выполнялось с учетом условий эксплуатации подъемного сооружения - для расчета был определен условный режим эксплуатации крана, характеризующийся предельной грузоподъемностью - 16 тонн, максимально допускаемой ветровой нагрузке в рабочем состоянии, соответствующей скорости ветра 15 м/с, предельно возможному в условиях эксплуатации инерционной нагрузке и максимальному крену понтона - 3°.
Физико-механические характеристики Стали 3 кипящей были выбраны на основе нормативных документов и химического состава стали: модуль упругости Юнга £=1,94х105 МПа, коэффициент Пуассона v=0,28, предел текучести ст = 230 МПа, плотность р=7820 кг/м3. Балочная металлоконструкция стрелы проектировалась в натуральном масштабе с соблюдением принятых параметров и габаритных размеров. Металлоконструкция стрелы имеет симметричное сечение, поэтому в расчете принята половина конструкции стрелы, назначенная по оси симметрии стрелы. Каждое соеди-
нение, используемое для сборки металлоконструкции стрелы было заменено на абсолютно жесткое - сварное, при этом сам сварной шов не моделируется. Моделирование основания стрелы не выполнялось, вместо этого в местах расположения поворотного шарнира стрелы - основание каркаса машинного отделения и в узле крепления тяги подвижного противовеса, были наложены граничные условия, исключающие перемещение узлов по всем осям и направлениям, поворот вокруг осей и плоскостей так же исключался. Принимая характеристики использованной прокатной стали, идеальное представление о конструкции каркаса и его разбиение на сетку конечных элементов проводилось с использованием 8, 10, 20-узловых конечных элементов, симметричных в поперечном сечении. На рис. 4 представлена модель стрелы, на рис. 5 представлена модель стрелы с сеткой конечных элементов.
Рис. 5.
Результаты расчета напряженно-деформированного состояния в опасной зоне стрелы представлены на рис. 6. Видно, что напряженное состояние имеет трехосный (объемный) характер, а максимальное эквивалентное напряжение в опасной зоне стрелы крана (рис. 6а) составляет 120 МПа (область МнЦУ).
б) карта распределения эквивалентных напряжений Сти (МПа)
в) карта распределения нормальных напряжений Стхх (МПа)
г) карта распределения нормальных напряжений Стуу (МПа)
д) карта распределения нормальных напряжений стгг (МПа)
е) карта распределения касательных напряжений Стху (МПа)
ж) карта распределения касательных напряжений Стхг (МПа)
з) карта распределения касательных напряжений о> (МПа)
и) карта распределения эквивалентных деформаций ей
к) карта распределения нормальных деформаций вхх
л) карта распределения нормальных деформаций вуу
м) карта распределения нормальных деформаций
н) карта распределения касательных деформаций вху
о) карта распределения касательных _деформаций вхг_
п) карта распределения касательных _деформаций ву2_
Рис. 6
На базе проведенного анализа кинетики НДС(напряженно-деформированного состояния) в металлоконструкции стрелы выявлена опасная зона 1 с наиболее интенсивным процессом накопления повреждений (рис. 6а). Затем для этой зоны путем интегрирования уравнения накопления усталостных повреждений, для заданной истории нагружения в этой зоне, определяется накопленная к данному моменту времени по-врежденность, и делается вывод об усталостной долговечности стрелы крана.
Результаты расчета тензора деформаций в опасной зоне стрелы показывают, что максимальные значения деформаций имеют вид:
/ 0,000525 0,0004286 0,0004862 \
(9)
\0.0004B62 9,313 X Ю"3 0,0001404 /
Для определения усталостной долговечности крана система определяющих соотношений МПС интегрировалась по заданному закону изменения деформаций. Расчеты получены при следующих значениях материальных параметров определяющих соотношений МПС: Щ=5050 кДж/см3; г =0,3; а = 1; Сту=61,5 МПа; т = 5,3; у*= 3,75; й*=0,3.
Расчет процесса циклического деформирования и накопления усталостных повреждений проводился по программе «EXPMODEL», разработанная на кафедре «Прикладная механика и подъемно-транспортные машины» ФГБОУ ВО ВГУВТ, предназначенной для расчетного моделирования неизотермического вязкопластиче-ского деформирования и накопления повреждений в конструкционных материалах (металлах и сплавах) при произвольном нерегулярном нестационарном термомеханическом нагружении.
На рис. 7а приведена зависимость энергии, идущей на образование повреждений от числа циклов нагружения, а на рис. 7б зависимость величины поврежденности га от числа циклов нагружения. Видно, что, несмотря на то, что зависимость энергии от числа циклов нагружения носит почти линейный характер зависимость величины по-врежденности га от числа циклов нагружения носит экспоненциальный характер.
а)
На рис. 8 показана кривая поврежденности га от числа относительных циклов
нагружения , где Ы/ - число циклов до образования макротрещины, маркером
/ К1
обозначено полученное значение накопленной поврежденности. Большой анализ и опыт экспериментальных характеристик, полученных на различных по свойствам и структуре материалах и режимах нагружения позволили определить, что в зависимости от эксплуатационных и физико-механических свойств материалов и термомеханических воздействий уровень поврежденности, при котором образуется макроскопическая трещина лежит в интервале 0,2 < ю< 0,8 - зона повышенного риска образова-
ния макроскопической трещины [3, 7]. Анализируя полученный результат матриц максимальных деформаций и напряжений, сделан вывод о том, что количество накопленных повреждений находится в относительно опасной зоне (зоне повышенного риска образования макроскопической трещины).
(!)
Рис. 8 Заключение
По результатам расчетной оценки металлоконструкции стрелы плавучего крана КПЛ 16-30 зав. №2089 сделан вывод о текущем ресурсе металлоконструкции стрелы крана (остаточный ресурс находится в зоне повышенного риска образования макроскопической трещины). Таким образом, эксплуатация крана в паспортном режиме допускается с проведением ежегодной экспертизы промышленной безопасности, с применением неразрушающих методов контроля опасных узлов металлоконструкции стрелового устройства.
Список литературы:
[1] Трощенко В.Т. Энергетический критерий усталостного разрушения. / Трощенко В.Т., Фо-мичев Л.А. // Проблемы прочности. № 1. Киев. - 1993. - С. 3-10.
[2] Боднер, Линдхолм. Критерий приращения повреждения для зависящего от времени разрушения материалов // Теоретические основы инженерных расчетов. 1976, №2. С. 51 - 58.
[3] Романов А.Н. Разрушение при малоцикловом нагружении / А.Н. Романов. - М.: Наука, 1988. - 279 С.
[4] Коротких, Ю.Г. Моделирование эффектов локальной анизотропии упрочнения в рамках модели пластичности с комбинированным упрочнением / Ю.Г. Коротких, Г.А. Маковкин, В.А. Сбитнев // Прикладные проблемы прочности и пластичности. Численное моделирование физико-механических процессов : межвуз. сб. / М.: Товарищ. научн. изд. КМК. - 1995. - С. 23-31.
[5] Волков И.А. Уравнения состояния вязкоупругопластических сред с повреждениями / И.А. Волков, Ю.Г. Коротких - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2008. - 424 С.
[6] Chaboche J.L. Continuous damage mechanics a tool to describe phenomena before crack initiation / J.L. Chaboche // Journal Engineering Design. - 1981. - vol. 64. - P. 233-247.
[7] Леметр Ж. Модель механики повреждения сплошных сред при вязком разрушении // J. of Engineering Materials and Technology. 1985. V. 107. P.3-9
[8] Коротких Ю.Г. Математическое моделирование процессов деформирования и разрушения конструкционных материалов / Ю.Г. Коротких, И.А. Волков, Г.А. Маковкин - Н. Новгород: ВГАВТ, 1996. - 345 с.
[9] Chaboche J. L. Continuous damage mechanics a tool to describe phenomena before crack initiation // Engineering Design. 1981. vol. 64. р. 233-247.
[10] CAD/CAE система APM WinMachine
EVALUATION OF THE STRESS-STRAIN STATE AND THE FATIGUE LIFE OF METAL FLOATING CRANE KPL 16-30 ON ITS ACTUAL , OPERATIONAL LOADING
A.S. Yablokov, A.I. Volkov, D.N. Shishulin
Keywords: metalwork, macrocrack, mechanic damaged the environment, floating crane, micro-defects, life, strength, cycle fatigue.
To predict a residual resource and determining the generated Welded beam metalworks boom floating crane, lifting capacity of 16 tonnes on the basis of methods of the theory of mechanics of the damaged environment, while strengthening the process degradate considered steel material on the mechanism of high-cycle fatigue, evaluated the kinetics of the stress-strain state hazardous areas considered jib metal floating and a forecast of its residual resource boom on his actual operational loading.
Статья поступила в редакцию 21.09.2016 г.
