Локальное упрочнение элементов тонкостенных конструкций способом местного нагрева

• Автор: Чабаненко, Алексей Андреевич
• Шифр специальности: 01.02.04
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 1985
• Место защиты: Львов
• Количество страниц: 167 c. : ил

I. ВВЕДЕНИЕ
Обеспечение прочности и надежности тонкостенных элементов габаритных конструкций является одним из. основных вопросов современного машиностроения [16 , 30 , 37 , 43-49 , 72 , 75-77 , 96-98, 118-120]. К настоящему времени решено ряд задач и разработаны технологические способы которые, в зависимости от технологических и конструктивных особенностей, обеспечивают достаточно высокую прочность машин и конструкций [6, 24, 35, 41, 55, 57, 63, 68-70, 96-103, Юб]. На практике показано, что при разработке технологических процессов упрочнения необходимо учитывать достаточно большое количество параметров от которых существенно зависит эффект характеризующий увеличение ресурса работы установки.
В связи с этим возникла необходимость ставить и решать задачу отдельно для определенного класса конструктивных соединений, с тем, чтобы выделить основные факторы влияющие на технологический процесс их упрочнения.
Приведенные в работе результаты аналитических и экспериментальных исследований посвящены разработке методики локального упрочнения пластинчатых элементов конструкций, которые подвергаются нагрузке (циклической или статической), обуславливающей напряженное состояние приводящее к разрушению в ограниченной зоне. Следует отметить, что подобного рода разрушения возникают в основном, когда в элементах конструкций имеет место резкое изменение жесткости за счет уменьшения одного из размеров или присоединения другого элемента путем сварки [2, 3, 46-48, 58,
60, 110, 123, 124]. Для решения ряда практических задач большое значение приобретает развитие способов повышения прочности конструкций, связанных £ локальным упрочнением только тех мест, в которых возникновение разрушения наиболее вероятное.

Местный нагрев является одним из наиболее технологичных способов упрочнения, который основывается на дополнительном наведении, в областях предполагаемого разрушения, сжимающих остаточных напряжений в заданном направлении. Нами при разработке методики локального упрочнения с использованием местного нагрева решается вопрос - где, как, до какой температуры и в какой области элемента конструкции произвести нагрев, чтобы возникшие в этой аналитически найденной зоне нагрева термопластические остаточные деформации вызвали остаточные сжимающие напряжения в области предполагаемого разрушения.
Решению подобного класса задач посвящено ряд работ [3-5,
28, 29, 36, 37, 122] в которых приводятся результаты экспериментальных и аналитических исследований. Так чехословацким инженером О.Пухнером [85, 121] было предложено использовать местный нагрев для повышения предела выносливости и долговечности . деталей с надрезом или сварных соединений. Им в частности показано, что остаточные напряжения при циклическом нагружении, после начального быстрого их уменьшения, приходят в установившееся состояние. Исследовательские работы проведенные Британской сварочной ассоциацией [116-118] подтвердили результаты О.Пухне-ра. Основное требование при применении этого метода заключается в том, что при нагреве зон, смежных с концентраторами, сжимающие остаточные напряжения должны быть наведены в области предполагаемого разрушения так, чтобы они действовали параллельно рабочим напряжениям.
Определение расположения областей местного нагрева в указанных работах проводилось исходя из интуитивных соображений. Авторам работы [100] не удалось достичь повышения сопротивления усталости, что возможно связано с использованием нагрева, кото-

рый для данного случая не был оптимальным.
На основании анализа механизма взаимодействия временных и остаточных напряжений от местного нагрева сосредоточенными источниками тепла с остаточными напряжениями от сварки Н.А.Клыков [Зб] сформулировал более определенные рекомендации по выбору зон размещения местного нагрева. Им установлено, что концентратор напряжений (в данном случае окончание, сварного шва) по отношению к месту нагрева должен располагаться в секторе с углом Ср ^ i 45°. В этом случае максимум остаточных напряжений достигается при Ч* = 0, что соответствует расположению центра области нагрева и концентратора напряжений на прямой перпендикулярной к действующему усилию.
Для выработки более точного подхода, при разработке методики применения местного нагрева, необходимо решение многопараметрической задачи по выбору таких значений параметров локального нагрева которые обеспечивали бы наиболее выгодную величину и характер распределения остаточных напряжений в области предполагаемого разрушения. Решению такой задачи и посвящена диссертационная работа.
Учитывая результаты теоретико-экспериментальных исследований по определению параметров местного нагрева [3-5, 36, 61,
85, II6-II8] и последних достижений численно-аналитических методов решения возникающих при этом задач термопластичности [8--10, 17, 21, 32, 56, 84, ИЗ, 115, 120], предложена расчетная модель, в которой учтены основные физико-механические процессы проходящие при местном нагреве принимая также во внимание конструктивные и технологические особенности. Расчетная модель предусматривает следующие этапы решения.
На первом.этапе определяются области размещения остаточных

ваемый ЮЛ] отрезок времени (нагрев к моменту времени с последующим полным остыванием) разбивается на отдельные этапы Т = 0 = Т 0 ,Ті ’ Ъ!,,-Юк, ~Лк, величина которых выбирается опытным путем на основе численных экспериментов (этапы могут быть неодинаковыми).
Рассмотрим некоторый произвольный этап нагружения определяемый отрезком времени аТ . Допустим, что нами уже определены распределения пластических деформаций, размеры области которую они занимают и напряжения в момент времени ТК- лТ . Обозначим их для данного момента через ££ - (х> У> к-і), $к_< >
% О
<о с і (X. Ч, к-1). Приращения их к моменту времени ^ обозР ГІ
начим А (х, у, £), лок, А(э^ (*,%>к). Приращения для ком-
<7 ®
понент тензора напряжений находим из уравнения (3.6) с использованием (3.7).
Л ^ * Л 6^ , (3.8)

(3.9)
+ л €% Г1*/} ихо у ( V - *’ V) •

На определении слагаемой 4<Згу остановимся ниже. Перейдем к определению величин А (э у и входящих в (3.9) А ,
Для этого область д * А разобьем на малые подобласти представив ее в виде * з; тгвг V... 1гя!п к. гз*.
К .
В связи с малостью Зт (т=кМ) ? примем приближенно, что в