Инженерный анализ несущей способности и ресурса трубчатых элементов конструкций при нестационарном термомеханическом нагружении, страница 10

В этом направлении существует большое количество работ ипубликаций с результатами экспериментов. В первую очередь такие данныенеобходимы для создания на их основе точных математических моделейповедения конструкционных материалов. Зачастую полученные результатыиспользуются для сравнения существующих моделей материалов с реальнымего поведением. Как уже было сказано, таких работ много и они проводятсяуже более 50 лет, но за последнее время их количество заметно70уменьшилось. Из последних опубликованных данных для циклическогонагружения образцов можно выделить 2 монографии [29] и [1].В [29] приводятсярезультаты экспериментальных исследованийпроцессов упругопластического деформирования и разрушения материалов.Представленобольшоеколичествоэкспериментальныхданныхпомалоцикловому нагружению образцов из различных типов стали (Х18Н9Б,ЭИ-654(15Х18Н12С4ТЮ),ЭИ696А(Х12Н20Т2Р),12Х18Н10Т,22К,15Х2МФА, Р2М, 38ХН3МФА, 5ХНМ), жаропрочных никелевых сплавов(ВЖ-98(ХН60ВТ),высокопрочногоВЖЛ-12У),чугунаХНМ.алюминиевогоОписанысплавапроведениеиД16Тирезультатыэкспериментов по влиянию анизотропии материала на характеристикиразрушения при малоцикловой усталости.В [1] приведены результаты экспериментального изучения циклическихсвойствтонкостенныхтрубчатыхобразцовизнержавеющейстали08Х18Н10Т при сложных траекториях нагружения.Большинство элементов машин и конструкций в процессе своей работыиспытывают регулярные циклические воздействия, которые разделяются намного- и малоцикловые [26, 42].

Системы, работающие в многоцикловойобласти (более 105 циклов нагружения до разрушения конструкции), обычнодостаточно прочные и, как правило, их полное разрушение практически недостижимо, что позволяет проводить их анализ и прогнозирование ресурса идолговечности по приближенным аналитическим зависимостям. Подробнометодики расчета таких конструкций приводятся в [42], рассматриваетсянесколько примеров расчетов на прочность при многоцикловом характеренагружения,вчастностипримердляполосысотверстиемприпульсирующем изменении растягивающей силы. Системы, испытывающиевоздействия малоцикловых нагрузок, менее прочны и надежны, нежелисистемы с многоцикловым характером воздействий.

Поэтому их расчеты71требуют большей точности и адекватности, реально происходящимпроцессам в конструкции.Разработкой методов расчета малоцикловой усталости конструкций,моделейповеденияинакопления поврежденийв конструкционныхматериалах занимаются уже более полувека. Наибольшие успехи в решенииэтих проблем были достигнуты в работах Биргера И.А. [7,8], ИльюшинаА.А., Боли Б., Коваленко А.Д., Малинина Н.Н [39], Мэлана Э., РаботноваЮ.Н., Прагера В., Шорра Б.Ф. и других.Ранее упоминалось о необходимости использования экспериментальныхданных для разработки точных математических моделей поведенияконструкционных материалов. Такие модели для малоциклового характеранагружения представлены в [26, 28, 29].

Работы [33, 42] посвященыизучению методов расчета усталостной прочности конструкций. В [33]рассматриваетсярасчетвыносливостиконструкциивертикальногоцилиндрического сосуда, нагруженного циклически изменяемым силовымвоздействием.Приводитсяпримероценкидолговечностисосуда,вычисляется число циклов до образования трещины, исходя из эмпирическойзависимости Мэнсона – Коффина для «жесткого» нагружения. В [42]вводятся закономерности малоциклового разрушения, основанные наэкспериментально полученных зависимостях и коэффициентах. Говорится онеобходимости учета, как пластических деформаций, так и упругих за циклдля определения критерия малоцикловой прочности. Монография [29]содержит разработанные на основе проведенных экспериментов критериималоциклового разрушения и уравнения связи между напряжениями идеформациями.Внейописаныметодыоценкинапряженно-деформированного состояния при циклических нагружениях.

В [28]описываютсянесколькоподходовдляоценкитекущегосостоянияконструкции, выработанного ресурса и прогноза остаточного ресурса. Всеэто сводится в единую модель поведения материала и накопления в нем72повреждений.Работаконструкционных[26] посвященаматериалов,разработкеприменяемыхмоделивповедениямашиностроении.Представлено математическое обоснование предложенной модели, выводзависимостей, описывающих основные параметры напряженного состояния вматериале.Применениеповрежденийвматематическихконструкционныхмоделейповеденияматериалахиинакопленияметодоврасчетамалоцикловой усталости конструкций сложно, так как их соотношенияобычнопредставляютсобойдостаточносложныесистемыдифференциальных уравнений, зачастую остальные уравнения записаны вприращениях, что приводит к большому количеству различных побочныхвычислений.

Для упрощения расчетов, правда с достаточной потерейточности, можно применять аналитические зависимости представленные в[2, 42, 45]. В [45] предлагается подход к проведению расчетов простейшихсистем по теории ползучести. Однако, предложенные методы не учитываютряд возможных условий и относятся только к материалу, а не к конструкциив целом.

В [42] предложен подход использования коэффициентов,полученныхэкспериментальнымпутем,дляупрощениярасчетаопределенной конструкции корпуса сосуда нагруженного циклическимвнутренним давлением и изменяющейся температурой. Чтобы применитьописанный метод для других материалов и конструкций, необходимо иметьопытные результаты для них. Метод графического решения такого родазадач предложен в [2]. Для решения используется метод сведения задачи кпоследовательному решению упругих задач с использованием методаупругих решений.

Предлагаемый метод основан на нахождении значениядополнительных деформаций по заранее известному закону связи  - ,представленному в виде графика. При формулировании методов расчета нерассматриваются термомеханические случаи нагружения конструкции.73Как вариант приведения расчетов к более простой форме можноиспользовать упрощенные схемы нагружения, не принимать во вниманиеодин или несколько факторов, воздействующих на систему.

Примерырасчетов таким образом представлены в [29, 33, 42, 45]. Следует отметить,что подобные упрощения могут привести к сильному уменьшению точностивследствие пренебрежения влияния какого-либо воздействующего наконструкциюфактора.Чащевсего[2,29,33]опускаютвлияниетемпературного воздействия на систему.Проводя численный анализ состояния конструкции при малоцикловомхарактере нагружения, важно правильно давать оценку еересурса идолговечности.

Методы, применимые для этого, представлены в работах [28,29, 33, 42]. В [28] описываются несколько подходов для оценкивыработанного ресурса и прогноза остаточного ресурса. А именно:диагностикасостояния(акустическими);материалаизмерениеобъектадиагностическихфизическимипараметровметодамивпроцессеэксплуатирования объекта; математическое моделирование поврежденийобъекта.

Указывается, что последний подход наиболее перспективный инаиболее дешевый и с тем же наиболее сложный в реализации.Формулируются основные положения современного подхода к оценкевыработанного ресурса: моделирование основных физических стадий развития процессаразрушения; учет нелинейного суммирования повреждений при изменениинагружений; учет реальной истории нагружения и ее влияние на скоростипротекания процессов; разработкаресурса.алгоритмовоперативнойоценкивыработанного74В книге приводится постановка проблемы и основные принципымоделирования процессов деформирования и разрушения материалов иконструкций.В [29, 33] предложены аналитические выражения, основанные намногочисленных натурных экспериментах по растягиванию стандартногообразца для большого ряда материалов, не учитывая геометрическихпараметров конструкций и тепловых воздействий на нее.

В работе [42]представленметодоценкиресурсакорпусациклическимвнутренним давлением исосуданагруженногоизменяющейсятемпературой,основанный на проведенных экспериментах и использующий полученные вих ходе коэффициенты.Как было сказано раньше, повторные воздействия механическойнагрузки и нестационарного температурного поля вызывают в ряде случаевциклическое упругопластическое деформирование элементов конструкций иприводят к накоплению усталостных и квазистатических повреждений.Образование предельных состояний по возникновению трещин или поокончательному разрушению становится возможным при ограниченномчисле циклов нагружения.

В [51] рассматривается природа усталостногоразрушения, основные периоды и стадии, механизмы зарождения ираспространения усталостной трещины. Даны различные точки зрения наприроду предела выносливости, их сопоставления и характеристикифакторов влияния на сопротивление усталости металлических материалов. В[4] приведены расчеты тонкостенных элементов с некоторыми допущениями,мало отзывающихся на точности расчета на прочность. Так же представленыпрактические примеры разрушения при переменных нагрузках и механизмпоявления и развития трещин усталости.Применениевычислительнойтехникидляпроведениярасчетовконструкций при малоцикловом термомеханическом нагружении позволяетповысить точность получаемых результатов путем использования более75совершенныхмоделейповеденияматериала.Ресурсовсовременныхкомпьютеров вполне достаточно для осуществления численного анализатакого рода.

Созданию программных средств, выполняющих расчеты намалоцикловую усталость, посвящено крайне мало работ, из которыхвнимания заслуживают [26, 50]. В обеих работах представлено описаниепрограммных продуктов основанных на МКЭ. В [50] говорится о комплексепрограмм Cycle 2D, позволяющем моделировать кинетику НДСиповреждаемости деталей при циклическом деформировании.

При этомимеется возможность оценить число циклов до начала образования трещиныиз условия достижения критической повреждаемости и проследить процессразвития трещины. Дано применение этой программы для прогноза трещин вободе диска компенсатора ГТД, выполненного из материала ВТ-3. Работа[26] посвящена разработке подсистемы численного расчета на основепредложеннойавтороммоделиповеденияматериала.Представленычисленные эксперименты, проведенные с использованием этой программы.По приведенным в работах данным сложно дать оценку областиприменимости представленных программных продуктов.