Разрушение конструкций под действием движущихся тепловых полей

• Автор: Терёшин, Денис Анатольевич
• Шифр специальности: 01.02.06
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2006
• Место защиты: Челябинск
• Количество страниц: 190 с. : ил.

1. АНАЛИЗ ПРОЦЕССОВ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ТРЕЩИН И СУЩЕСТВУЮЩИХ МЕТОДОВ ИХ РАСЧЕТА ПРИ ТЕПЛОВЫХ ВОЗДЕЙСТВИЯХ
1.1. Разрушение под действием тепловых напряжений
1.1.1. Однократное действие тепловых напряжений
1.1.2. Аналогия разрушения под действием остаточных (необратимых) полей напряжений с разрушением при однократном нагреве
1.1.3. Циклическое деформирование под действием тепловых напряжений до появления начального дефекта
1.1.4. Рост трещин при циклическом действии тепловых напряжений
1.1.5. Учет влияния температуры и среды на свойства материала
1.2. Разрушение конструкций под действием тепловых полей с образованием длинных трещин
1.2.1. Примеры разрушений
1.2.2. Аналогия с механическим нагружением движущимися усилиями
1.2.3. Исследования роста трещин под действием подвижных источников тепла
1.3. Существующие подходы к моделированию разрушения конструкций при тепловом нагружении
1.4. Определение целей данного исследования
2. РАСЧЕТНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ЦИКЛА В УСЛОВИЯХ УПРУГОЙ ПРИСПОСОБЛЯЕМОСТИ И СТАБИЛЬНОГО ПЛАСТИЧЕСКОГО ДЕФОРМИРОВАНИЯ ПОД ДЕЙСТВИЕМ ДВИЖУЩЕГОСЯ ТЕПЛОВОГО ПОЛЯ

2.1. Условия приспособляемости и характеристики предельного цикла пластины под действием движущегося теплового пятна
2.1.1. Решение модельных задач о бесконечной пластине под действием подвижных
осесимметричных тепловых пятен
2.1.2 Общий случай: пластина постоянной ширины под действием распределенной нагрузки и движущегося теплового поля произвольной формы
2.2. Оценка характеристик стабильного цикла при развитом пластическом
ДЕФОРМИРОВАНИИ, СРАВНЕНИЕ С ЭКСПЕРИМЕНТОМ
2.2.1. Простейшая модель циклического деформирования при движении теплового
фронта
2.2.2. Экспериментальная реализация стабильного циклического деформирования под действием движущегося теплового поля, приводящего к возникновению трещины
3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ РАЗВИТИЯ ТРЕЩИН ПОД ДЕЙСТВИЕМ ПОДВИЖНОЙ ТЕПЛОВОЙ НАГРУЗКИ И МЕТОДИКИ РАСЧЕТНЫХ ОЦЕНОК
3.1. Пластина с трещиной под действием подвижного температурного пятна
3.1.1. Определение коэффициентов интенсивности напряжений
3.1.2. Модификация метода сечений для определения КИН
3.1.3. Расчетные оценки развития трещин под действием подвижных и неподвижных тепловых полей
3.2. УСТОЙЧИВОСТЬ НАПРАВЛЕНИЯ РАЗВИТИЯ ТРЕЩИНЫ
3.3. Цилиндрическая оболочка с продольной трещиной при осевом движении теплового поля
3.3.1. Оценка наиболее опасных условий нагружения
3.3.2. Уточненный расчет конструкции с трещиной методом конечных элементов
3.3.3. Кинетика роста трещины при подвижном уровне теплоносителя
4. РАЗВИТИЕ ОДИНОЧНОЙ ТРЕЩИНЫ И СИСТЕМ ТРЕЩИН ПОД ДЕЙСТВИЕМ КВАЗИСТАЦИОНАРНОЙ ДВИЖУЩЕЙСЯ ТЕПЛОВОЙ НАГРУЗКИ, ФОРМИРОВАНИЕ СТРУКТУР РАЗРУШЕНИЯ
4.1. Развитие тепловых трещин в конструкциях из пластичных материалов
4.1.1. Расчетно-экспериментальное определение наиболее жестких условий
нагружения
4.1.2. Расчетные методики для определения напряженности трещины
4.1.3. Возможность развития длинных квазистатических трещин
4.1.4. Возможность ускорения усталостного роста трещин в условиях накопления пластических деформаций
4.2. Экспериментальная проверка развития одиночных трещин и систем трещин в тонкостенных оболочках из хрупкого материала
4.2.1. Развитие трещин по сонаправленному механизму
4.2.2. Развитие трещин по противонаправленному механизму
4.2.3. Развитие смешанных периодических систем трещин
5. РОСТ ТРЕЩИНЫ ПОД ДЕЙСТВИЕМ ДВИЖУЩЕГОСЯ ТЕПЛОВОГО ПОЛЯ И ПОСТОЯННОЙ МЕХАНИЧЕСКОЙ НАГРУЗКИ (НЕАВТОМОДЕЛЬНЫЙ РЕЖИМ)
5.1. Выбор схемы проведения эксперимента
5.2. Особенности расчетных методик
5.3. Экспериментальное изучение роста трещин в трубчатых образцах. Сопоставление с расчетом
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ЛИТЕРАТУРА
ПРИЛОЖЕНИЕ
ПРИЛОЖЕНИЕ
ПРИЛОЖЕНИЕ
ПРИЛОЖЕНИЕ
ПРИЛОЖЕНИЕ
ПРИЛОЖЕНИЕ
Анализ процессов распространения трещин и существующих методов их расчета при тепловых воздействиях показал, что в механике разрушения традиционно основное внимание уделяется проблеме роста трещин под действием механических нагрузок. Этот рост при возрастании нагрузки обычно переходит в неустойчивый, приводящий к катастрофическому разрушению, поэтому чаще всего при однократном силовом нагружении рассматривают только условия начала неустойчивого роста трещины. Соответственно, большая часть работ, посвященных разрушению трещинами, посвящена разработке критериев разрушения - начала роста трещины - и определению этих параметров разрушения для различных тел.
Однако тепловое нагружение имеет свою специфику: тепловые напряжения являются самоуравновешенными, поэтому в теле имеются области растяжения и сжатия. В таком случае, характерном для высокотемпературного оборудования, когда начальная перегрузка до старта трещины невелика, и материал обладает значительной вязкостью разрушения, тепловые трещины развиваются квазистатически. Поэтому в данной работе развитие динамических трещин не рассматривается. Развитие существующих критериев “квазистатичности” и “динамичности” трещин также не входит в задачи настоящей работы. Как показывают типичные примеры разрушений, квазистатическое развитие трещин обычно приводит лишь к локальному разрушению - без разделения тела на части. Такие трещины имеют размер, ограниченный областью высоких тепловых напряжений, размер которой, как правило, невелик. В работах В.С Егорова, А.Г. Ланина показано, что при наличии лишь теплового нагружения трещины, развивающиеся квазистатически, могут приводить к фрагментации тела лишь при увеличении этой нагрузки на порядок относительно нагрузки появления первых трещин. Причиной, вызывающей полное разрушение тела при развитии трещин, может также являться добавочная растягивающая внешняя нагрузка.
Развитие трещин под действием остаточных и других неизменных во времени самоуравновешенных напряжений имеет те же закономерности, что и в случае однократного нагрева (если не оговорено, под однократным нагревом подразумевается случай, когда тепловые источники неподвижны).
В случае циклического теплового нагружения размах коэффициента интенсивности напряжений (КИН) по мере развития трещины после достижения максимального значения уменьшается аналогично тому, как КИН при однократном нагружении, поэтому предельный размер усталостной трещины, как и статической, ограничивается областью,
где действуют растягивающие номинальные напряжения.

Из построения этого годографа, который показан на рис.2.6, видно, что в отличие от пятна с однородно распределенной температурой в данном случае начало течения достигается в центре пятна. Соответствующий механизм деформирования - обжатие по направлению Ох, происходящее по линии Оу: Лрх < 0. При этом имеется определенный произвол в выборе остаточных напряжений ру, соответствующих приспособляемости (для х = 0 0 <р,< (г,) (рис.2.6). При использовании критерия текучести Мизеса механизм деформирования аналогичный, а критический параметр нагрузки незначительно превышает полученный для критерия Треска.
поверхность текучести, в координатах ял - 5|
Из рассмотренных примеров с осесимметричными тепловыми пятнами следует, что для движущихся пятен в предельном цикле ожидать знакопеременного течения следует лишь для весьма высоких градиентов температур, в остальных случаях реализуется прогрессирующее пластическое обжатие. Вероятность прогрессирующего формоизменения еще более повышается в связи с тем, что предел текучести о> для реальных материалов при повешенных температурах внутри пятна, где действуют наибольшие напряжения сжатия, понижается.
Известно [137, 150], что за пределами упругой приспособляемости на фоне развитого прогрессирующего формоизменения может начаться знакопеременное течение. Для пятен с невысокими градиентами температур по мере повышения тепловой нагрузки также может происходить знакопеременное течение на фоне интенсивного формоизменения.
Для других форм тепловых полей (например, для теплового фронта) следует ожидать отличающихся предельных состояний, для их исследования должен быть разработан более общий метод решения.
Рис.2.5. Годограф напряжений, вписанный в Рис.2.6. Определяющий годограф