Автореферат (Малоцикловая прочность элементов шлюзовых ворот транспортных гидросооружений и методы продления их ресурса), страница 5

Расчетная схема шпаций, полученных с применением сварки встык, и соответствующая конечно-элементная сетка представлена на рис. 12 (а, б). Расчетная схема шпаций, полученных с применением сварки внахлест, представлена на рис. 12 (в).

а)

б)

Р

г)

в)

ис. 12 (а, б).

Рис. 12 (в, г).

Как видно из представленных рисунков, основным видом нагружения в этих задачах, является распределенная нагрузка в виде давления, а в качестве краевых условий на левом и правом граничных контуров рассмотрены случаи полужесткого защемления. Известно, что на практике при производстве сварных работ наблюдаются различные дефекты сварки. При этом основным (по частоте обнаружения) дефектом является так называемый подрез. Расчетная схема шпаций с подрезами и соответствующая конечноэлементная сетка представлена на рис. 12 (г).

Как показывают представленные схемы дискретизации исследуемой части узла сварного соединения, сетка сгущена к точке у основания сварного шва в соответствии с увеличением градиента напряжений и деформаций при приближении к контуру. В целях получения достоверных значений компонент напряжений и деформаций, а также для сравнения результатов численного анализа с экспериментальными данными, полученными методом малобазной тензометрии, необходимо в окрестности концентратора напряжений от сварки провести интенсивное сгущение сетки конечных элементов.

На рис. 13 (а-г) показаны результаты проведенного численного исследования полей упругопластических деформаций для расчетных моделей, представленных на рис. 12. В дополнение к расчетным схемам с жесткой заделкой использованы также расчетные схемы с консольными схемами нагружения. Данные решения, представленные в виде изолиний деформаций, показывают значительную концентрацию деформаций в окрестности сварного шва в точке сопряжения валика шва с основным металлом.

а)

б)

Рис. 13 (а,б).

в)

г)

Рис. 13 (в, г).

Полученные расчетные данные показывают, что величины максимальных деформаций в зоне шпаций, непосредственно прилегающих к дефектам сварки типа подрезы, могут отличаться от соответствующих значений в шпациях без подрезов в 2 и более раза. Конкретное значение максимальных деформаций в рассматриваемых зонах шпаций определяется геометрией сварного соединения, величинами нагрузочных параметров и свойствами конструкционных сталей.

На рис. 14 представлены сводные данные по результатам численного исследования НДС шпаций с различными видами сварных соединений, имеющими место в реальной конструкции шлюзовых ворот. Видно, что исследование НДС было проведено для нахлесточных сварных швов с газосварочным оплавлением (1), нахлесточных сварных швов без оплавления и подреза (2), сварных швов встык со сварным валиком (3), сварных швов встык со снятием сварного валиком (4), нахлесточных сварных швов второго ремонта без снятия сварного валика (5), нахлесточных сварных швов второго ремонта со снятием сварного валика с напорной стороны (6), сварных швов встык с оплавлением сварного валиком с напорной стороны (7), сварных швов встык после первого ремонта без оплавления (8), сварных швов встык после второго ремонта с оплавлением сварного валика с напорной и ненапорной стороны (9).

Рис. 14.

Представленные данные показывают, что наибольшим ресурсом обладают шпации с нахлесточными сварными швами после газосварочной обработки (1). Так, при циклическом отнулевом перемещении средней части такой шпации, равном 3 мм, количество циклов до образования микротрещины составило 310⁵. Наименьший ресурс показали шпации с нахлесточными сварными швами второго ремонта без снятия сварного валика (5). При том же значении циклического перемещения ресурс такой шпации составил всего 210³ циклов. Таким образом, установлено, что вид сварного соединения оказывает весьма сильное влияние на ресурс рассматриваемых элементов шлюзовых ворот. Снижение ресурса, при этом может составлять два порядка и больше по числу циклов нагружения.

Полученная система расчетных данных для шпаций с заделками по концам и для консольных видов нагружения позволяет провести сопоставление их с экспериментальными данными, которое показывает, что порядок величин, полученных в эксперименте с помощью малобазной тензометрии (глава 5), находится в достаточном соответствии с расчетными данными. Сопоставление деформаций, измеренных в эксперименте на расстоянии 0,75-I,0 мм от основания сварного шва с максимальными расчетными деформациями, полученными непосредственно в зоне около основания усиления сварного шва, показывает, что последние в I,5-2 раза выше, чем в зоне измерения во время эксперимента.

В седьмой главе рассмотрены полученные в работе основные закономерности сопротивления высоконагруженных элементов шлюзовых ворот циклическому упругопластическому нагружению.

Как было показано ранее, уровень циклической напряженности конструкции, полученный при натурном тензометрировании и расчетном исследовании, подтверждает возможность малоциклового разрушения элементов ворот шлюза. Для расчетного определения значений ресурса элементов шлюзовых ворот в этих условиях необходима разработка адекватных критериальных уравнений. Такие уравнения с учетом экспериментальных или расчетных данных о циклических упругопластических деформациях, экспериментальных данных по сопротивлению конструкционных материалов циклическому упругопластическому нагружению (кривые малоцикловой усталости) и известной программе циклического нагружения позволяют определять значения чисел циклов до разрушения (появления макротрещин) рассматриваемых конструкций.

При рассмотрении вопроса о выборе и использовании в практических оценочных расчетах указанных критериев необходимо учитывать данные экспериментов по малоцикловой прочности конструкционных материалов шлюзовых ворот. Как было показано в данной работе ранее, адекватным уравнением для проведения указанной оценки с достаточной для практических приложений точностью является уравнение деформационно-кинетического критерия малоцикловой прочности. В связи с этим имеет смысл рассмотреть применение именно этого критерия для оценки малоциклового ресурса самих элементов шлюзовых ворот. Данный критерий, как показали многочисленные исследования, успешно применяется при решении аналогичных задач для многочисленных конструктивных элементов и материалов в машиностроении, атомной промышленности, авиации и т.д.

Для случая нормальных и умеренно повышенных температур деформационно-кинетический критерий малоцикловой прочности может быть записан в следующем виде:

(4)

где N_i определяется при заданной (полученной экспериментально или численно) в цикле нагружения интенсивности деформаций по кривой малоциклового усталостного разрушения материала в условиях жесткого (когда от цикла к циклу поддерживаются постоянными максимальные и средние деформации) нагружения; N_f - искомое число циклов до разрушения (появление трещины); е - односторонне накопленная в процессе статического и циклического нагружении деформация; e_f - односторонне накопленная деформация в момент разрушения (появления трещины); _f - пластичность при монотонном (статическом) нагружении. В уравнении (4) первое слагаемое характеризует накопленное усталостное повреждение, второе — квазистатическое.

Как показали данные натурного тензометрирования, интенсивного накопления односторонних деформаций в процессе экспериментов не наблюдалось. Для этого случая критериальное уравнение (4) может быть использовано в виде

(5)

где доля квазистатического повреждения не рассматривается.

Отметим, что уравнение (5) учитывает возможную нестационарность процесса циклического нагружения элементов конструкции. Вместе с тем, как упоминалось ранее, для исследуемого случая оценки ресурса элементов ворот шлюза характерен эксплуатационный режим нагружения, близкий к стационарному. Кроме того, как показали данные тензометрирования, в конструкции отсутствует ярко выраженная кинетика местных максимальных деформаций с числом циклов нагружения. В этих условиях оценка ресурса, выраженного в циклах нагружения, может быть произведена путем сопоставления величин циклических деформаций, возникающих в конструкции шлюзовых ворот при эксплуатационных нагрузках, и разрушающих деформаций по моменту образования трещин, получаемых при испытаниях образцов материала в условиях жесткого нагружения. Оценка должна проводиться в инвариантных к типу напряженного состояния величинах, в качестве которых используются интенсивности циклических деформаций. Амплитуда интенсивности деформаций на поверхности обшивки ворот (в зоне концентрации) напряжения ε_i определялась по известной формуле

, (6)

где величины двух главных деформаций ε₁ и ε₂ (6) измерялись малобазными тензодатчиками деформаций при максимальной и минимальной нагрузке вдоль и поперек оси зон концентраций в сечении, в котором происходило разрушение испытуемого объекта, а третья вычислялась с использованием гипотезы постоянства объема. Располагая характеристиками сопротивления усталости и сопоставляя значения циклических деформаций конструкции и разрушающих деформаций конструкционного материала, была получена оценка долговечности высоконагруженных элементов ворот шлюза на уровне 9000-25000 циклов для циклических деформаций порядка 0,3-0,4 %. Указанная долговечность при числе циклов нагружения за одну навигацию порядка 3800-4000 соответствуют сроку эксплуатации до появления трещин усталости от двух до шести лет.

Следует подчеркнуть, что проведенная оценка ресурса высоконагруженных элементов конструкции ворот шлюза произведена по фактическим характеристикам сопротивления малоцикловому нагружению конструкционного материала ворот. В расчете не учитывалось влияние коррозионной среды, непроваров и других подобных технологических дефектов на долговечность ворот. При наличии таких дефектов трещины могут обнаруживаться и на более ранней стадии, что иногда имеет место в эксплуатации. При этом для учета возможного снижения эксплуатационной долговечности вводятся запасы прочности по числу циклов и деформациям. В первом приближении запасы прочности для элементов ворот шлюза при наличии данных натурного тензометрирования о величинах циклических деформаций в максимально нагруженных зонах конструкции могут быть приняты η_N = 3 и η_ε = 1,25 (кривая 4 на рис. 7). Основной металл и металл сварного соединения (кривые 1,2 на рис. 7) имеют одинаковые характеристики сопротивления усталости и экспериментальные точки, соответствующие долговечности образцов, образуют единую полосу разброса.

Для аналитического представления кривой усталости материала в диссертации предложено следующее уравнение