Расчетно-экспериментальные методы оценки рассеянных повреждений в металле и деталях машин при регулярной и нерегулярной переменной загруженности

• Автор: Савкин, Алексей Николаевич
• Шифр специальности: 01.02.06
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2008
• Место защиты: Волгоград
• Количество страниц: 363 с. : ил.

1. АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ ПОДХОДОВ К ОПРЕДЕЛЕНИЮ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ДЕТАЛЕЙ МАШИН И ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИЙ ПРИ СТАЦИОНАРНЫХ И НЕСТАЦИОНАРНЫХ РЕЖИМАХ НАГРУЖЕНИЯ
В машиностроении есть проблемы, которые остаются актуальными вне зависимости от уровня его развития. Одна из них — проблема надежности и долговечности машин, деталей, конструкций. На каждом витке развития техники она возникает в новом виде, заявляет о себе гораздо настойчивее, чем прежде, требует все больших усилий и затрат для ее решения. Новейшая техника все убедительнее подтверждает известное правило: чем сложнее машины, тем выше вероятность ее отказа. При этом поломка трактора на пахоте, отказ шасси самолета идущего на посадку - разные по своим последствиям вещи. Невысокая надежность и долговечность, некоторых машин вызывает необходимость приложить много усилий и средств на ремонт и восстановление их работоспособности. Эксплуатационные расходы на техническое обслуживание иных машин превышают в несколько раз затраты на их изготовление. И это наряду с тем, что показатели надежности наиболее сложной и ответственной техники, выпускаемой передовыми отраслями, значительно улучшены. Увеличение ресурсных показателей требует больших предварительных расходов на изучение загруженности конструкций, закономерностей поврежденности материалов, разработки методики и технологии повышения их прочностных характеристик, применения новых конструкционных решений и материалов.
Если исключить из рассмотрения выходы из строя машин и конструкций вследствие природных воздействий, резких нерасчетных перегрузок, не поддающихся контролю, грубых ошибок при проектировании и эксплуатации или неблагоприятного сочетания перечисленных факторов,

то предельные состояния разных по назначению технических объектов можно отнести к следующим группам:
Первая группа - это технические объекты, испытывающие переменные нагрузки, на которые могут накладываться другие неблагоприятные явления, температура, коррозия и т. д. Это наиболее многочисленная группа. Предельное состояние формируется постепенным накоплением в материале деталей рассеянных повреждений, приводящих к зарождению и развитию микроскопических трещин. Часто зародыши и очаги таких трещин, вследствие несовершенства технологии, могут содержаться в элементе до начала его работы. Причиной выхода из строя является развитие трещин до опасных размеров, когда ее рост приобретает ускоренный характер, приводящий к разрушению детали. Причем, величина трещины, в момент перехода от устойчивого к неустойчивому росту может быть незначительной (несколько миллиметров), по сравнению с ее длиной распространения (несколько километров), что наблюдалось при разрушении магистральных трубопроводов.
Вторая группа - технические изделия, связанные с развитием в процессе технологических циклов износовых явлений, которые при наличии переменной загруженности могут быть взаимосвязаны с усталостными повреждениями.
Третья группа объектов - это объекты, повреждение деталей которых определяется выделением в процессе нагружений, в том числе и переменных, пластической деформации. Особенно это становится актуальным при работе технического элемента при повышенной температуре. Для таких технических элементов, как резьбовые соединения, которые присутствуют ВО:’ многих машинах и конструкциях, эти повреждения способствуют снижению первоначально установленных усилий затяжки. Отмечено, что переменная нестационарная загруженность всех отмеченных групп технических объектов способствуют интенсификации повреждающих явлений. Поэтому изучение
закономерностей поврежденное™ этих изделий, разработка моделей суммирования повреждений в зависимости от различных механизмов их развития является актуальным.
В настоящей работе автор развивает полуфеноменологические модели суммирования на основе структурных явлений и различных механизмов повреждения, проходящих в металле при переменной загруженности, и показывает возможности анализа поврежденности различных технических объектов.
1.1.Исследование механизмов поврезвдении деталей машин и элементов
конструкций
Вопросам расчетов на прочность и долговечность деталей машин и элементов конструкций при. переменной загруженности в научной литературе уделяет самое большое внимание [1-7], что говорит об актуальности и важности рассматриваемой проблемы. Понятие долговечности находит широкое использование в теории прочности. Расширенное толкование оно имеет в теории надежности.
Ресурс или долговечность технического объекта могут трактоваться по-разному. Так, согласно ГОСТ 13377-75 ресурсом называют наработку технического объекта от начала или возобновления эксплуатации до наступления предельного состояния. Рассмотрим анализ причин отказов различных технических объектов:
Летательные аппараты как технические объекты проектируются с обеспечением высокой степени надежности. Долговечность пассажирских самолетов достигает 30-35 тыс. часов полета и есть пути к их дальнейшему повышению [8]. Так для новых моделей ТУ-204 и ИЛ-96 этот ресурс превышает 50 тыс.часов. В работе [9] проводилось комплексное исследование прочности шасси самолета. При статистическом анализе

характер суммирования повреждений. Поэтому, при экспериментальной проверке при 2-х ступенчатом нагружении эти формулы оказываются точнее, чем расчет по линейной модели суммирования. Можно отметить, что независимо от физических предпосылок степенная форма суммирования поврежденности является наиболее общей, что доказывает и форма ряда эмпирических формул, разработанных на основании регрессивного анализа. Это говорит о перспективности и необходимости дальнейших разработок на основе полуфеноменологического подхода, путем уточнения физических представлений и кинетики накопления повреждений.
Нелинейная модель может быть более общей, по сравнению с линейной моделью накопления усталостных повреждений, так как линейное суммирование повреждений является ее частным случаем. Нелинейная модель суммирования усталостных повреждений позволяет учитывать влияние на поврежденность кратковременных перегрузок, эксплуатационных нагружений, связанных с резкой сменой режимов загруженности и т. д. Развитие вычислительной техники и программных расчетных комплексов позволяют нивелировать математические сложности при оценке долговечности по этой модели. Дальнейшее развитие нелинейных моделей позволит определить место и условия использования линейной модели суммирования и получать более приемлемые результаты, удовлетворяющие инженерную практику.
Модели повреждения, основанные на понятии роста трещины. Один из подходов в теории суммирования усталостных повреждений -понятие зарождения и развития трещин. Эти модели нашли свое отражение в моделях суммирования, представляющих усталость двухстадийным процессом. Первая стадия - стадия зарождения трещин или развития рассеянных повреждений связана с кинетикой микропластических деформаций, приводящих к развитию повреждений в виде коротких рассеянных трещин. При достижении критической точки процесс