Диссертация (1173027), страница 10

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

Текст из файла (страница 10)

Это связано с однороднымиусловиямизарожденияираспространенияусталостныхтрещинизмногочисленных поверхностных источников пластически деформированногоматериала.Долговечность в области малоцикловой усталости при нагружении спостоянной общей амплитудой деформации за цикл зависит от упругой ипластической составляющих, определяемых из параметров петли механическогогистерезиса (рисунок 2.8 и 2.9): / 2   c / 2    / 2   If / E  2 N f    If  2 N fbгде  ─ амплитуда общей деформации за цикл; c ─ амплитуда упругой деформации;  ─ амплитуда пластической деформации; If − коэффициент усталостной прочности;2 N f ─ число циклов до разрушения; If− коэффициент усталостной пластичности;c,(2.4)57b и с ─ параметры, характеризующие усталостную пластичность.Рисунок 2.8 − Параметры петли механического гистерезиса:1 ─ амплитуда пластической деформации   / 2 ;2 ─ амплитуда общей деформации   / 2 ;3 ─ амплитуда упругой деформации  e / 2Рисунок 2.9 − Построение кривой малоцикловой усталости вкоординатах амплитуда деформации ─ число циклов58Имеются экспериментальные данные, что это уравнение в ряде случаевсправедливо для области многоцикловой усталости [79, 80].Кроме термина малоцикловая усталость существует понятие статическойвыносливости применительно к конструкциям, для которых основной являетсяпостоянная нагрузка, а переменные нагрузки значительной величины действуютза время службы сравнительно небольшое число раз.

По существу областьстатической выносливости охватывает область малоцикловой усталости, но вотличие от обычной малоцикловой усталости периодически повторяющиесянагрузки прикладываются значительно реже [45]. Ниже порогового циклическогонапряжения  K начинается область многоцикловой усталости (кривая ВГД нарисунок 2.7).2.5. Многоцикловая усталостьМногоцикловая усталость ─ усталость материала, при которой усталостноеповреждениеилиразрушениепроисходитвосновномприупругомдеформировании [24]. По результатам циклических испытаний строят кривуюусталости ─ зависимость между напряжением и долговечностью до разрушения.Кривые усталости строят в полулогарифмических координатах(  max , lgN или   , lgN ) или в двойных логарифмических координатах( lg  max , lg N или lg   , lg N ).

База испытаний для определения пределоввыносливости принимается 107 циклов ─ для металлов и сплавов, имеющихпрактически горизонтальный участок на кривой усталости; 108 циклов ─ длялегких сплавов и других металлов и сплавов, ординаты кривых усталостикоторых по всей длине непрерывно уменьшаются с ростом числа циклов.Следует отметить, что деление на малоцикловую и многоцикловую усталостьматериалов довольно условно, хотя в целом оправдано. Например, дляизготовления БТ используется сталь марки АНИ S-135.59Таблица 2.2 − кривая усталости S-N АНИ S-135Кривая усталости S-N АНИ S-135Число циклов до разрушенияАмплитуда напряжения, МПа200000100000900008000070000600005000040000300002000010000460555580590610630660690730780900Кривая усталости S-N АНИ S-135 построена на основе данных таблицы 2.2.(рисунок 2.10).Рисунок 2.10 − Кривая усталости S-N АНИ S-135Для анализа усталости играют существенную роль следующие факторы: методы анализа усталости, тип нагрузки, эффекты среднего напряжения,60 многоосная коррекция напряжения, фактор изменения усталости.2.5.1.

Методы анализа усталостиДля изучения закономерности зарождения и роста трещин при разрушениитвердых тел применяется три способа: Исследование усталости на основе деформации (ИУД), Исследование усталости на основе напряжения (ИУН), Механика разрушения твердых тел.2.5.1.1. Исследование усталости на основе деформацииДля определения малоцикловой усталости можно непосредственно измерятьдеформацию.

Исследование усталости на основе деформации обычно связано споявлением трещин. Кроме малоцикловой усталости с помощью ИУД можноисследоватьимногоцикловуюусталость.Внастоящеевремяширокоиспользуется подход «Исследование усталости на основе деформации».Основные уравнения исследования усталости на основе деформации: f (2 N f )b   f (2 N f ) c .2E(2.5)Два циклического параметра кривой напряжение-деформация участвуют вследующем уравнении1   n  2 ,E K где‒ полная амплитуда деформации;2 ‒ двойная амплитуда напряжения;E ‒ модуль Юнга;N f ‒ число циклов до слома;2 N f ‒ число полуциклов до слома;(2.6)61 f ‒ коэффициент прочность на усталость;b ‒ показатель прочности на усталость (показатель Баскина); f ─ коэффициент деформируемости усталости;с ‒ показатель деформируемости усталости;K ‒ коэффициент циклической прочности;n ‒ показатель циклического деформационного упрочнения.Для ИУД суммарная деформация (эластика+пластик) является необходимымпараметром.

Но проведение анализа МКЭ для общего решения может быть оченьдорогостоящим и расточительным. Таким образом, принятый подход состоит втом, чтобы принять номинально упругую реакцию, затем использовать уравнениеНойбера, чтобы установить связь между местным напряжением/деформацией иноминальным напряжением/деформацией в месте концентрации напряжений. Длясвязи деформации с напряжением используем правило Нойбера:  Kt2eS ,(2.7)где  ‒ местная деформация; ‒ местное напряжение;Kt ‒ фактор упругой концентрации напряжения;е ‒ номинальная упругая деформация;S ‒ номинальное упругое напряжение.Одновременно с решением уравнения Нойбера и уравнения циклическойдеформации можно рассчитать местные напряжения/деформацию (включаяпластическую реакцию), учитывая только упругие входные данные.

Следуетотметить, что этот расчет нелинейный и решается с помощью итерационныхметодов: ANSYS fatigue использует значение 1 для K t , предполагая хорошее качестворасчетной сетки, чтобы захватывать любые эффекты концентрации напряжений; Исследование усталости на основе напряжения (ИУН); ИУН, основанное на кривых S-N.62ИУН связано с полной жизнью и не различает появления от распространениятрещин в конструкции. С точки зрения числа циклов ИУН обычно применяетсяпри относительном большом числе циклов. Большое количество циклов обычноотносится к более 105 (100 000) циклам.Механика разрушения ─ раздел физики твёрдого тела, изучающийзакономерности зарождения и роста трещин. Механизм разрушения начинается спредполагаемого дефекта известного размера и определяет рост трещины.Поэтому механику разрушения иногда называют «жизнью трещины» и онашироко используется для определения интервалов проведения дефектоскопии.При известном наименьшем обнаруженном размере дефекта можно вычислитьвремя, необходимое для роста трещины до критического размера.

Затемопределяем, что периодичность проведения дефектоскопии или визуальногоосмотра меньше времени роста трещины.Методом ИУД иногда определяется время возникновения трещины, потом спомощью механики разрушения исследуется рост трещины. Поэтому общаяжизнь конструкции равна суммарному времени возникновения трещины и еёроста.2.5.1.2.

Исследование усталости на основе напряженияДля анализа усталости методом ИУН требуется знать следующие параметры:- типы нагрузки,- эффекты среднего напряжения,- корректировка многоосного напряжения,- фактор изменения усталости.Различные типы нагрузки имеют следующие характеристики:- постоянная амплитуда, пропорциональная нагрузка,- постоянная амплитуда, непропорциональная нагрузка,- непостоянная амплитуда, пропорциональная нагрузка,- непостоянная амплитуда, непропорциональная нагрузка.63Свойства типа нагрузки при постоянной амплитуде, пропорциональнойнагрузке:- вычисление среднего и переменного значений,- коэффициент нагрузки ─ соотношение максимального к минимальномунапряжению,- обычными типами нагрузки с постоянной амплитудой являются:• полностью знакопеременная (одинаковые нагрузки, с разными знаками,соотношение нагрузки -1),• основаны на нуле (нагрузка, затем удалить ее, соотношение нагрузки ─ 0).- нагрузка пропорциональна, так как оси основного напряжения не меняютсяи можно определять места критической усталости,- поскольку есть только две нагрузки, никакой подсчет цикла или расчетнакопленного повреждения не проводится.Свойства типа нагрузки при постоянной амплитуде, непропорциональнойнагрузке:- выглядит как случай двух нагрузок, приложенных не по одной оси,- нагрузка имеет постоянную амплитуду, но не пропорциональна, посколькуглавные оси напряжения или деформации могут свободно меняться между двумянагрузками,- из-за изменения направления или величины нагрузок относительноераспределение напряжений в модели меняется.

Это может оказаться важным вситуациях с нелинейными контактными поверхностями, где только сжатие или наболтах,- примеры такого типа нагрузки, такие как:• переменная между двумя различными нагрузками (например, изгибающие искручивающие нагрузки),• применение переменной нагрузки, наложенной на статическую нагрузку- не нужен подсчет циклов.64Поскольку нагрузка не пропорциональна, зона концентрации напряжения(критическое место усталости) может находиться в трудно идентифицированномпространственном местоположении.2.5.2. Мониторинг нагрузок на бурильный инструментЦиклические воздействия механических нагрузок на БИ имеют переменнуюамплитуду. Как показано на рисунке 2.11, запись геолого-технологическихпараметров ведется синхронно по единой шкале времени.

В столбце 1 записьнагрузки на долото (синего цвета) отражает изменение амплитуды 5-15 т, встолбце 4 (розового цвета) отражает колебания крутящего момента 5-10 кН/м.Настоящее представление о нагрузке играет ключевую роль для успешногоанализа усталостного износа конструкции БИ. В дальнейшем требуется точноизмерить действующие нагрузки на конструкции или элементы БИ и дать прогноздействующих нагрузок [107, 112, 114].В большинстве предприятий тяжелого и среднего машиностроения примониторинге нагрузок на конструкции машин и оборудования преобразователи,чаще ─ электрические резистивные тензодатчики прикрепляются к критическимучасткам [138, 141]. В буровой нефтегазовой отрасли мониторингу напряжений вБИ не уделяется серьезного внимания.

Устанавливаются, как правило, наземныедатчики и определяются косвенные значения осевой нагрузки на долото икрутящего момента на БТ. Критические области находятся аналитически методомконечныхэлементовлибоэкспериментально.Полученныеданныеоттензодатчиков обычно записываются и сохраняются компьютером или другимиустройствами.

Записанные данные можно отфильтровать для исключенияпервичных нагрузок от шума, а потом суммировать или сжимать методомподсчета циклов для упрощения вычисления усталостного повреждения. Методыподсчета циклов обсуждаются в разделе 2.5.4. В конструкции БИ критическаязона в основном ─ ЗРС, где невозможно закрепить тензодатчики.65Рисунок 2.11 − Диаграммы станции геолого-технологических исследованийЕсли используются электрогидравлические испытательные системы сзамкнутымциклом,реальныеисториинагрузокможноприменитьнепосредственно на небольших образцах, компонентах, узлах и даже на целомпродукте. По традиции сложилось так, что сложные истории нагрузок иногдазаменяются в тестовых программах более упрощенными нагрузками, напримерблок-программами, показанными на рисунке 2.12 или с постоянной амплитудой.Существуют различные методы анализа для позирования усталостнойпрочности конструкции за счет циклов нагрузки с переменной амплитудой.

Дляосновы берутся данные испытаний с постоянной амплитудой. Анализ может бытьпростым, с соотношением напряжения, равным -1 и с предположением линейногонакопления повреждения после каждого цикла; или более сложным, прирассмотрении ранних стадий усталости путем анализа деформации надреза и напоследующих этапах анализа рост трещины.66Рисунок 2.12 − Блок программа нагрузок:а) программированное шестиуровневое тестирование,б) случайные блоки нагрузкиВ простых испытаниях, где нагрузки имеют знакопеременные и равныеабсолютные пиковые значения, происходит слом из-за усталости послеопределенного количества циклов (иначе нагрузка не превышает предельногонапряжения усталости).2.5.3.

Характеристики

Список файлов диссертации