Моделирование послеперегрузочной стадии докритического роста усталостных трещин в тонкостенных судовых конструкциях

• Автор: Гибулин, Евгений Николаевич
• Шифр специальности: 05.08.01
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2001
• Место защиты: Нижний Новгород
• Количество страниц: 159 с.

Содержание
1 ВВЕДЕНИЕ

1.1 Актуальность темы

1.2. Состояние проблемы

1.2.1 Рост усталостных трещин при эксплуатационном

нагружении

1.2.2 Влияние различных факторов на скорость РУТ

1.2.3 Влияние перегрузок на РУТ

1.3 Выводы

Т.4 ЦЕЛЬ, НАУЧНАЯ НОВИЗНА, ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ И АПРОБАЦИЯ

РАБОТЫ
2 МОДЕЛЬ ДОКРИТИЧЕСКОГО РУТ В ПОСЛЕПЕРЕГРУЗОЧНЫЙ ПЕРИОД
2.1 Предпосылки построения модели
2.2 Уравнение докритического РУТ при гармоническом нагружении без перегрузки
2.3 Построение 2-го уравнения для системы (2.2), описывающей рост усталостной трещины
В ПОСЛЕПЕРЕГРУЗОЧНЫЙ ПЕРИОД
2.4 Интегрирование системы уравнений типа Вольтерра (2.17) в послеперегрузочном
периоде РУТ
2.4.1 Интегрирование первого уравнения системы (2.17)
для определения остаточных сжимающих напряжений
2.4.2 Определение скорости роста трещины после перегрузки
2.5 Определение максимального значения остаточных напряжений и факторов влияющих на
ТОРМОЖЕНИЕ ТРЕЩИНЫ 1ЮСЛЕ ПЕРЕГРУЗКИ
2.6 Модель РУТ при случайно-переменном нагружении
2.7 Выводы
3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ РУТ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ПЕРЕГРУЗКИ И РАЗЛИЧНОЙ АСИММЕТРИИ НАГРУЖЕНИЯ
3.1 Проведение эксперимента
3.1.1 Конструкция образцов
3.1.2 Методика экспериментального исследования
3.2 Обработка результатов испытаний
3.3 Эксперимент по влиянию блочных перегрузок на РУТ
3.4 Экспериментальное исследование влияния блочного нагружения на РУТ
в алюминиевых сплавах
3.5 Сравнение экспериментальных и теоретических зависимостей
3.5.1 Теоретический расчет периода нестационарного роста усталостной трещины
3.5.2 Применение предлагаемой методики при оценке влияния перегрузок на остаточный ресурс тонкостенных конструкций
3.6 Выводы
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ
ПРИНЯТЫЕ СОКРАЩЕНИЯ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Программа управления
испытательной машиной УРС50/
ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Результаты экспериментов по влиянию асимметрии нагружения
на РУТ при воздействии однократной перегрузки
ПРИЛОЖЕНИЕ 3. Результаты экспериментов по влиянию блочных перегрузок на РУТ
1 Введение
1.1 Актуальность темы
При переходе отечественной экономики от плановой к рыночной произошло старение основных фондов в промышленности и на транспорте. От 50% до 95% всех машин и технологического оборудования предприятий, представляющие собой сложные технические системы повышенной опасности, исчерпала свой нормативный срок службы [49]. Однако, в настоящее время, это оборудование не может быть заменено новым из-за экономических возможностей предприятий, хотя эксплуатация таких технических объектов связана с повышенной опасностью для экологии и риском для жизни людей.
В настоящее время обеспечение надежности и безопасности промышленных объектов и транспортных средств (сосудов под давлением, трубопроводов, судов на подводных крыльях, судов на воздушной подушке, экранопланов, самолетов и др.) требует разработки эффективных методов оценки остаточного ресурса этих конструкций. Большие эксплуатационные внешние нагрузки и высокая частота их воздействия, а также требование минимальной металлоемкости предопределяют высокие уровни действующих напряжений в данных конструкциях. Анализ повреждений элементов конструкций скоростных судов и других тонкостенных конструкций позволяет сделать вывод о том, что их разрушение носит усталостный характер и является следствием воздействия переменных нагрузок большой повторяемости.
Как известно, усталостное разрушение можно условно разделить на три этапа: возникновение повреждения, его медленный докритический рост и катастрофическое разрушение элемента конструкции. Применение алюминиевых сплавов, наличие конструктивных концентраторов,
Нижегородский государственный технический университет.
Кафедра "СМК и СМ1'
снижающих прочность и усталостные характеристики, неизбежные технологические дефекты, а также возникновение дефектов при сварке приводят к относительно невысоким ресурсам на стадии образования усталостных трещин. Накопленный на сегодня опыт строительства и эксплуатации судов показывает, что на современном уровне развития техники и технологии предотвратить возникновение усталостных трещин в тонкостенных конструкциях невозможно и уже при изготовлении корпуса судов могут содержать технологические трещины длиной до 10 мм [1, 24, 42, 59]. Конструкции вводятся в эксплуатацию с некоторыми дефектами металлургической (дислокации, включения, поры и т.д.) и технологической природы (волосовины, непровары, подрезы, задиры и т.п.) и, как следствие, происходит быстрое зарождение и рост трещин во время эксплуатации. Однако появление в элементах конструкции усталостных трещин еще не означает окончательного выхода этих элементов из строя и необходимости немедленного проведения ремонтных работ. Увеличение усталостной трещины на стадии докритического роста происходит довольно медленно и может тормозиться в результате различных воздействий эксплуатационного (перегрузки, асимметрия циклов нагружения) и конструктивного характера (наличие ребер жесткости, клепанное соединение листов металла). У тонкостенных судовых конструкций период развития трещин усталости может составлять до 90-95% от общей продолжительности "жизни" изделия.
В связи с этим, использование в качестве критерия опасного повреждения - появление первоначальной видимой трещины является необъективным и нерациональным, так как при этом не учитываются дополнительные резервы работоспособности конструкций, обусловленные распространением усталостных трещин.
В настоящее время в скоростном судостроении и авиации получило развитие проектирование конструкций исходя из принципа безопасного повреждения, согласно которому в конструкции допускаются усталостные
Нижегородский государственный технический университет.
Кафедра "СМК и СМ1'

где 0,0* - разрыхление и критическое разрыхление материала; И* - число циклов растяжения конструкции, после достижения которого в области 0<х<х* накапливается 0=0* - и происходит продвижение вершины трещины на величину х=х*. Критерий разрушения (2.3) для области вершины
трещины 0<х<х* (рисунок 2.4) запишется:

в, + е;№)т=в.' (2.4)
где в ,в* - величины повреждения (пластического разрыхления) в первом и повторном циклах растяжения.
С учетом циклических и реологических свойств материала пластическое разрыхление в повторных циклах нагружения определяется выражением [5]:
в: = в'М^М~ (2.5)
где ©о - базовая частота, на которой производится испытание образцов
на РУТ с целью определения параметров, входящих в уравнение для докритической скорости развития трещин; а - коэффициент циклического упрочнения (а>0) или разупрочнения (а<0) материала в области х<х»; р -коэффициент интенсивности старения или ползучести (при Р>0 имеет место релаксация остаточных микронапряжений, при Р<0 происходит увеличение пластической деформации во времени [5]); 1=Нсо - время циклического нагружения конструкции с трещиной; со, N - частота и число циклов нагружения рассматриваемой конструкции в эксплуатации.
Рассматривая НДС материала в области вершины сквозной трещины, связь деформаций с размерами пластических зон на конце трещины и пластических зон с КИН, связь пластического разрыхления с КИН нормального отрыва получена в виде [53]:
в' =4А1п(к1,-К;1,У и»2 у,
в.'=4лМк?-К1} , (2.6)
Нижегородский государственный технический университет.
Кафедра "СМК и СМ"