Партон В.З. - Механика разрушения. От теории к практике (1015817), страница 31
Текст из файла (страница 31)
Около концентратора описывается эллипс (полуэллипс) с большой от т до де оА кл рг д) Рнс. И6. Коэффициенты концентрации нанряженнй у разгружагощнх отверстий а) внутренняя трещина, б) краевая трещина. Здесь сцлошнан линия — расчет но негоден теорнн уцругостн; нунктнр- ная — по методу зкзнзалентного эллнцса осью (полуосью), равной длине концентратора, и минимальным радиусом кривизны в вершине трещины, равным радпусу отверстия.
На рис. 116 приведены коэффициенты концентрации напряжений на контуре разгружающего отверстия, полученные прк решении соответствующих задач методами теории упругости и по формуле «эквивалентного эллипса», имеющей согласно (39) следующий вид: (97) Представленные графики указывают на приемлемую в практических расчетах аппроксимацию К, по формуле (97). Для усиления разгруекающего действия отверстия иногда в пих с натягом вставляют шайбы, заклепки или болты, вызывающие сжатие в окружающем материале.
Дело в том, что один из наиболее аффективных методов 187 борьбы с образованием и движением трещин — созданне в материале сжимающих напряжений, которые препятствуют подводу энергии к вершинам трещнны. Этой идее уже больше ста лет, причем начало использования сжимающих напряжений датировано 1861 г. п связано с пмепем русского ипягеяера 1'адолина и с его «технологией скрепления артиллерийских орудийз. Основа ее— создание предварительного сжатия в стволе орудия за счет насадки горячих колец.
После остыванпя растягпвающпе напряжения сосредоточивались в кольцах, а в основной конструкции, и в том числе у поверхностей нарезного ствола орудия, создавалось сжатие, Этот принцип повторяется в множестве вариантов, растягпваемым элементом может служить и высокопрочпая проволока, намотанная на поверхность сосуда давления, арматура в предварительно напряженном железобетоне, внутренние слои стекла в закаленном стеклянном стакане илп же уже знакомая нам накладка-стрпнгер. Попав в зону сжимающих напряжений возле стрингера, неустойчивая трещина моязет стать устойчивой (см. з 13).
Другим известным методом торможения и, может быть, остановки трещины, лежащим в основе многих технических решений, является создание на пути движения трещины границы раздела. На такой границе связи между частицами тела ослаблены, а именно эта «слабппказ увеличивает вязкость материала, его сопротивления распространению трещин. Мы, рассматривая копцоптрацию напряжения около эллиптического отверстия, видели, что, помимо максимума напряжений пормальпого разрыва в вершине трещины, на некотором расстоянии пород ее концом наблюдается пнк растягпвающпх напряжений в направлении, параллельном липин трещпны.
Этот ппк в несколько раз меньше (в пзотроппом материале примерно в 5 раз), но этих напряжений может быть достаточно для того, чтобы вызвать поперечный разрыв на границе раздела, который поймает основную трещину и, затупнв ее, затормозит. Возможная последовательность событий пзобраязена схепатичоски на рис. 117. Такой механизм торможения трещин назван по имени ученых, объяснивших его, механизмом торлшиеения ло 1(уку — 1'ордену. Правда, изобрела этот механизм сама Прпрода. В бпологнческих матерпалзх, например, в кости ~лп в древесине может быть мноязество внутреншзх поверхностей раздела, которые не ослабляют материал в целом, а упрочняют его, 188 Рнс. И7.
Механизм тормонгення трещины на границе раздела по Куку — Гордону: 7 — пик напряжений перед вершиной трещины еще не подошел к поверхности раздела; з — пиковые напршкения отрывают материал на части поверхности раздела; 3 — образуется поперечная трещина; 4 — основная трещина дорастает до поперечной, образуется затупленная Т-образная трещина. А — основная трещина,  — поверхность раздела, С вЂ” вторичная трещина Юдг Ллсжаал а ЮЖ7 75сП 2070 ег, Нва Риш 118. Зависимость между вязкостью разрушения и пределом текучести для типичных металлических материалов 189 делая вязким. К счастью, в таких материалах отсутствует известное экспериментаторам отрицательное явление, которое заставляет в металлах за увеличение предела текучести о, платить уменьшением трещпностойкостп К„(рис.
118). Мехапизлг торможения, заниствованптпй у природы, обеспечивает и рекордную трещиностойкость искусственных композитов. Даже если такой композпт состоит Рис. (19. Тллппчллая картина раврущепия: (а) — дяя материалов, обладающих слабьллля поверхпостнмп (композпт, древесина) и (б)— двя одпородпых матерпааов (метавл, стеяло) нз хрупких стеклянных волокон, потру конных в хрупкую эпоксидную смолу, оп обладает болыпой вязкостью разрушения эа слет лшожественных торможений магистральной трещины на поверхностях раздела волокон и связующего (рис.
119). Расчет напряженного состояния 190 у вершины втори шой трещины расщеплення показывает, что постепегшо растущее расщепление превращается иа трещины нормального разрыва (Кг) в трещину поперечного сдвига (Кгг). Обычно вязкость разрушения сдвигом Кн, больше, чем вяакость разрушения отрывом Квв а значит, на распго пление расходуется больше ввергни. Расщепление вызывает концентрацию напряжений на соседних волокнах, и когда расщепление распространится до места, в котором прочность волокна понижева, оно разорвот волокно п разрушение отрывом пойдет далыпе, пока по затормозится другой поверхностью раздела (рнс.
110). Своеобразно проявляется роль поверхностен раздела в строительство асфальтооетопных дорожных покрытий. Вы навергып;а обраща:ш внимание на сетку трещин, покрывающую полотно дороги. Трещины зтп образуются, как правило, весной нлв осенью, когда еще пли уже достаточно холодно, а значит, покрытие более хрупко, и в то же время грунт, па котором лежит дорога, насыщен водой и обладает повышенной податливостью. Далее, под колесами автомобшгей полотно выкрашпвается, а что такое плотве доропг, мне Вам объггспггть, наверное, не надо. Вот решают дорожники сложную пнженерноэкопомпческую задачу. Наложить ли слой свежего асфальта просто сверху плп, может быть, снять потрескавпшйся слой (илп его часть) п сколько дорога поело ремонта прослужит? Прп атом неооходпмо учесть нехватку раоочей силы, удорожание асфальта (пз-за взшшчивання цеп на нефть), помноженное па тысячи километров дорог н т.
д. н т. и. Стоит ошибиться в расчетах, и значительно быстрее, чем хотелось бы, апакомый узор появится па поверхности дорог: сетка трещин в точности повторнт старую (у дорожников такие трещины называются отразгег*ньмги). Этот феномен легко объгтснпм с позиций механики разрушения, ведь каждая оставшаяся под слоем нового асфальта трещгггга — зто концентратор напряжений. У старательпыт строителей итогом работы обычно бывает слишком сильное сцеплопие между слоями, что приведет по Куку — Гордону к преждевременному появлению отраженных трещин.
У халтурщиков, положивших асфальт в лужу, результат будег также плачевным. Истина лежит, наверное, посередине, п, действительно, очень хорошие результаты дает использование тонкон резинобптумной прослойки, обладагощей невысокой прочностью, но большой вязкостью. 191 В з 1 мы много говорили о разрушении судов. Так вот, кораблестроители в послевоенные годы стали бороться с проблемой рааламывания судового корпуса, создавая стыки с накладками. Эти заклепочные илн сварпые соединения, называемые обычно барьерными >ивами, также являются хорошими ловушками опасных трещин.
Проблема торможения быстрых трещин активным воздействием по команде датчиков, обнаруживших ее лавинообразный полет,— дело недалекого будущего. Уже сегодня в этом направлении ведутся интенсивные исследования. Во-первых, трещину можно останавливать тепловыми источникамп; оказывается, она, подобно мотыльку, летящему на свет, поворачивает в нагретую, а значит, более вязкую, область. Во-вторых, используя то свойство трещины, что вершина ее является концентратором не только механических напряжений, но и электрического тока, можно затормозить трещину импульсом тока.
Дело в том, что последний вызывает разогрев н даже оплавление материала в окрестности вершины трещины, В-третьих, действуя па быструю трещину упругими волнамп, ион«но заставить ее ветвиться, а каждое ветвление — это снижение скорости иногда па несколько километров в секунду, вплоть до полной остановки. В арсенале ученых мощные электрические п магнитные поля, другие более экзотические средства воздействия, Работа по спасению «агонизирующей» конструкции продолжается... й 29.
Механика разрушения и проблемы энергетики Наша экскурсия по практическим приложениям достин<ений современной механики разрушения может показаться несколько пестроп — наряду с очень масштабнымп и важными проолемами встретятся н пе столь важные, но, с моей точки зрения, крайне любопытные и поучительные. В популярной книга, наверное, вообще невозможно отравить все многообразие прикладных вопросов механики разрушения, да еще п расположив их по степени значимости.
Поэтому я решил остановиться прежде всего на тех, с которымп мне пришлось столкнуться лично. Длительное время я участвую в разработке крайне важного раздела механики разрушения — прикладной механикой разрушения элементов энергооборудования 192 тепловых электростанций (ТЭС)*). Быль может, я буду несколько пристрастен, по пе удержусь от утверждения, что эта проблема и масштабна, и ваькпа, и весьма поучительна.
Значительную часть электрической шьергип дают ТЭС, мощности эпергоустановок постоянно растут, и в наши дпн турбина ТЭС вЂ” это громадное сооружение весом от (0 до 60 т, длиной от 3 до 6м, имеющее массивный корпус толщиной от $0 до 40 см и цельноковапый ротор толщиной 20 — 30 см. Лроектыььй ресурс**) многих существугощих турбип составляет 400 тыс.
ч (примерно И,5 лет), однако решение национальной эпергетпческой программы требует увеличения предельного ресурса е*) до 200 тыс. ч и более. Прп этом пеооходпмо как можно реже останавливать турбины для ремонта, ведь к затратам па сам ремонт добавляются огромпыо убыткп от простоев. Необходимо также использовать существующие энергоустаповкн в процессе регулирования постоянно меняющейся нагрузки энергосистем, хотя большинство нз ннх создано без учета возможности работы при малоцикловом пагружепин, которое всегда сопряжено с переменным роььытьгом работы. Традиционные методы обеспечения прочности роторов и корпусов турбпн оказались совершенно недостаточными иа-за того, что пм приходится работать длительное время при интенсивных переменных термомеханнческих воздействиях, которые в процессе эксплуатации приводят к развптшо исходных макродофектов.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
