Инженерный анализ несущей способности и ресурса трубчатых элементов конструкций при нестационарном термомеханическом нагружении (1095022), страница 11

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 11)

Единственное чтоможно утверждать наверняка – расчеты технологических трубопроводов икожухотрубчатых теплообменников авторами работ не проводились.Основной целью данной работы является разработка программногообеспечения,позволяющегопроводитьрасчеттехнологическихтрубопроводов и кожухотрубчатых теплообменников при нестационарномтермомеханическомнагружениивусловияхмалоцикловойработы.Предложенный в данной работе программный продукт позволяет проводитьчисленный анализ состояния конструкции и прогнозирование ресурса идолговечности аппарата. В его основе лежат сложные математическиемодели поведения материала и накопления повреждений в тонкостенныхцилиндрических конструкциях, что позволяет достигать высокого уровняточностичисленногорасчета.Оправданностьсозданияинструмента76численного расчета заключается в практической его ценности и остройнеобходимости в проведении подобного рода расчетов.Выводы по главе и формулировка задач научного исследованияАналитический обзор печатных изданий и экспериментальных работ,касающихся вопросов малоцикловой усталости в целом и трубчатыхэлементов конструкций в частности, позволил оценить современноесостояние методов исследований и сделать следующие выводы:1.

Использованиенормативно-техническойдокументацииприпроектировании трубчатых элементов конструкций приводит кзавышенным оценкам ресурса и не позволяет оценить опасностьвозможных накоплений повреждений2. Сложные условия работы трубчатых элементов при нестационарныхтермомеханическихнагрузках,сложностьпримененияметодовнеразрушающего контроля определяют актуальность развития методовкомпьютерного анализа.3.

Отсутствие работ, касающихся расчетной оценки ресурса работытрубчатых элементов конструкций, требует проведения исследований вданной области.Выводы, сделанные в результате проведенного анализа, позволяютсформулировать задачи научного исследования:1. Предложитьматематическуюмодельупругопластическогодеформирования трубчатого элемента конструкции на основематематическоймоделиупругопластическогодеформированияматериала и математической модели кинетики процесса накопленияповреждений.772.

Разработать метод и алгоритм инженерного анализа трубчатыхэлементовконструкцийнаосноветеориинеизотермическогопластического течения.3. Разработать программное обеспечение инженерного анализа ресурсарассматриваемых элементов оборудования.4. Исследоватьресурструбчатыхэлементовконструкцийприноминальных и форсированных режимах нагружения в условияхколебания термомеханического воздействия.78Глава 2 МАЛОЦИКЛОВАЯ УСТАЛОСТЬ ТРУБЧАТЫХЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИЙ2.1 Основные положения теории знакопеременной циклическойтермопластичности [8, 33]Под циклическими (или переменными) нагружениями тел понимаютсятакие изменения во времени силовых или температурных (или тех и других)внешних параметров, когда во всем теле или в его конечных областяхпроисходит чередование нагружения и разгрузки.Для более полного описания развития пластических деформацийпротивоположного знака по теории течения необходимы дополнительныеопытные данные.Рисунок 2.30 - Схема знакопеременного упругопластического нагружения79Рассмотрим вначале упругопластическое растяжение-сжатие припостоянной температуре.

Растянув образец до величины пластическойдеформации  01p , а затем разгрузив и подвергнув сжатию, получим кривуюдеформирования 0123, показанную на рис.2.1. Проведя подобные испытаниядля серии образцов, растянутых до различных значений  01p , а такжеиспользовав опыт при сжатии без предварительного растяжения, можнонаряду с кривой деформирования АА получить кривую начала пластическогодеформирования при изменении знака напряжения – линию ББ.

Междуэтими кривыми заключена упругая область. Средняя линия этой области,равноудаленная от кривых прямого и обратного деформирования, показанаштриховой линией ОВ.Обозначив координаты кривой АА – мгновенные пределы текучести припрямом деформировании – через  Т , а координаты кривой ББ – мгновенныепределы текучести при обратном деформировании – через  Т , найдемкоординаты средней линии Т*    Т   Т 12(2.1)и мгновенную ширину упругой области2   Т*   Т   Т ,(2.2)где  Т* – величина возможного изменения упругого напряжения в ту илидругую сторону от средней линии.Понятие о мгновенной ширине упругой области позволяет отделитьобщее (изотропное) упрочнение от направленного (анизотропного).Изотропным упрочнением материала называется возрастание шириныупругой области с увеличением пластической деформации, изотропнымразупрочнением – убывание ширины упругой области и, наконец, стабильнопластичным состоянием (или просто стабильным) – сохранение постояннойширины упругой области2   Т*  const .(2.3)Для большинства конструкционных материалов изотропное упрочнениеили разупрочнение проявляется в начальной стадии пластического80деформирования, а затем, обычно, устанавливается стабильно пластическоесостояние с постоянной шириной упругой области.Что касается смещения упругой области в целом, характеризующуюсяфункцией   0p  , то оно отражает анизотропное упрочнение материала внаправлении действия напряжения.

При прямом нагружении оба типаупрочнения действуют в одном направлении, при обратном – впротивоположном, что приводит к уменьшению величины  Т по сравнениюс  Т , т.е. так называемому эффекту Баушингера.В соответствии с данными рис. 2.1 при достигнутой пластическойдеформации  0p действующее напряжение  0 представляется в виде суммы 0   0*   ,(2.4)где  0* – активные напряжения, а  – остаточные микронапряжения, так каканизотропное упрочнение может быть объяснено наведением в теле системывнутренних микронапряжений.Если абсолютная величина активных напряжений  0* достигает значения Т* , соответствующего деформации 0pи напряжение  0 продолжаетизменяться в том же направлении, в котором действует активное напряжение 0* , то будет происходить упругопластическое деформирование, т.е.

условиятекучести имеют вид 0*   Т*  0p (2.5) 0*d 0  0(2.6)Текучесть наступает как при  0*   Т* (в точке 1 на рис.2.1), так и при 0*   Т* (в точке 2). В обоих случаях изменение пластической деформацииd 0p совпадает с направлением активного напряжения  0* , т.е. 0* d 0Р  0 ,(2.7)но темп дальнейшего развития пластического течения оказываетсяразличным.При догружении в том же направлении пластическая деформацияразвивается по кривой 1А, являющийся продолжением начальной кривой А1,81а после изменения знака напряжения – по кривой 23, имеющей вид, близкийк участку начальной пластической деформации А1.При дальнейшем знакопеременном нагружении кривые зависимостей 0  f  0p  и   f  0p  приобретают сложный петлевидный вид (рис.2.2.). Еслиизменение пластической деформации на участках 12 и 13 по величинеодинаково, то изменение ширины упругой зоны на этих участках тожепримерно одинаково, так что  Т* 2   Т* 3 .

Следовательно, изменение шириныупругой области 2   Т* по мере развития пластической деформации, в томчисле и при перемене знака, т.е. изотропное упрочнение, представляет собойнеобратимый, хотя и не обязательно монотонный процесс, зависящий отнакопленной пластической деформации: Т*  f  0p ,(2.8) 0p   d 0p .(2.9)гдеСовершенно иначе меняются координаты средней линии упругой зоны , описывающие процесс анизотропного упрочнения.

На рис.2.2 видно, чтопри каждом изменении направления пластического деформирования онименяются по величине, следуя по направлению за изменением пластическойдеформации.82Рисунок 2.31 - Кривая пластического деформирования (сплошная линия) исредняя линия упругой зоны (штриховая линия) при знакопеременномнагружении83Рисунок 2.32 - Диаграмма деформирования при линейном анизотропномупрочненииПризначительномразвитиипластическойдеформациипротивоположного направления микронапряжения  меняют знак (на рис.2.21  0 , а  2  0 ).

Это указывает на хотя бы частично обратимый характеранизотропного упрочнения. При каждом изменении направленияпластической деформации анизотропное упрочнение начинает развиватьсякак бы заново.Простейшую идеализацию свойств материала при знакопеременнойнагрузке дает стабильно пластичный материал ( 2   Т*  const ) с линейныманизотропным упрочнением, диаграмма деформирования которого показанана рисунке 2.3, а. Произвольное изотропное упрочнение при линейноманизотропном упрочнении показано на рисунке 2.3, б.При циклических изменениях пластических деформаций наблюдаетсяряд специфических особенностей, которые являются весьма существеннымидля оценки несущей способности упругопластнческих тел.Схематические диаграммы циклического деформирования образцов сизменением пластической деформации при постоянных амплитудах84напряжения или деформации представлены на рисунке 2.4 Здесь по осямотложены некоторое условное напряжение  и деформация  .

Как видим,для материалов а с увеличением числа нагружений при неизменнойамплитуде напряжений соответствующие деформации уменьшаются, а вопытах с заданной амплитудой деформации соответствующие напряжения отцикла к циклу растут. Такие материалы называют циклически упрочняющимися. Для циклически разупрочняющихся материалов б картина прямопротивоположная, а для циклически идеальных (стабильных) материалов вдиаграммы деформаций повторяются от цикла к циклу.Рисунок 2.33 - Схематические диаграммы циклического деформирования.Имеются и так называемые циклически анизотропные материалы г содносторонним накоплением деформаций.Наибольшее изменение диаграмм деформирования происходит припервых циклах, более того, как правило, с увеличением числа циклическихнагружений нестабильных материалов наступает стационарное состояние,такое, что при любом последующем нагружений происходит повторениедиаграмм деформирования, т.

е. материал становится циклически идеальным(стабильным).2.2. Математическая модель пластического течения материалапри нестационарном термомеханическом нагружении [18, 27, 3840, 59]Для более точного и достоверного расчета желательно применениематематической модели учитывающей сложное поведение материала, аименно нелинейное анизотропное упрочнение.Уравнения пластического течения материала, связывающие приращениянапряжений и деформаций в процессе нагружения конструкции, получим на85основе соотношений теории неизотермического пластического течения странсляционным и изотропным упрочнением. Полагаем, что тензордеформации может быть представлен в виде суммы упругой (обратимой) ипластической (необратимой) составляющих.

Приращения пластическихкомпонентов тензора деформаций являются следствием изменения нагрузкии температуры на данном этапе нагружения конструкции. Влияниемпластических деформаций на характеристики упругости материалапренебрегаем. Изменение объема полагаем упругим:  iip = 0.Представим приращение тензора полной деформации в виде суммыприращений упругих, пластических и температурных деформаций:d ij  d ije  d ijp   ij d T ,где(2.10)d ije – тензор приращений упругих деформаций;приращений пластических деформаций; ijd ijp – тензор– символ Кронекера;d T   T   dT – температурное расширение.Запишем уравнения обобщенного закона Гука в матричной форме:{ }e  [ Be ]{ } ,(2.11)где{ }  [ x y  z  xy  yz  zx ]T ;(2.12){ }  [ x y  z  xy  yz  zx ]T ;(2.13)[ ]Т – символ транспонирования;[ B e ] [0] [Be ]   1e  [0] [ B2 ](2.14)– симметричная квадратная матрица размерности 6*6; 11[ B ]   E e11 1 0 00 0 0 1e   ; [ B2 ]  0 1 0 ; [0]  0 0 0 .G0 0 10 0 01 Полагая коэффициенты упругости зависящими от температуры, изуравнения (2.11) получим соотношения между приращениями деформаций инапряжений:86 d{d }e  [ B e ]{d }  [ B e ] { }dT . dT(2.15)Рассматривая деформации пластического течения, полагаем, что впространстве девиаторов напряжений существует область, в пределахкоторой поведение материала упругое.

Характеристики

Список файлов диссертации