Влияние сжимающей части цикла знакопеременного нагружения на усталостную долговечность элементов металлических конструкций

• Автор: Зимонин, Евгений Александрович
• Шифр специальности: 05.23.01
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2010
• Место защиты: Магнитогорск
• Количество страниц: 168 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
Глава 1 СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ РАСЧЕТА ДОЛГОВЕЧНОСТИ КОНСТРУКЦИЙ. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВ АНИЯ.

1.1 Анализ причин разрушения металлических конструкций

1.2 Эксплуатационные режимы нагружения металлических конструкций

1.3 Анализ результатов дефектоскопии сварных швов

1.4 Анализ методов расчета усталостной долговечности металлических конструкций

1.4.1 Нормативные методы расчета

1.4.2 Концепция КИН и модели роста усталостных трещин.

1.4.3 Влияние сжимающей части цикла знакопеременного нагружения на кинетику развития усталостных трещин.

1.4.4 Подходы к прогнозированию усталостной долговечности металлических конструкций.

Глава 2 МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

2.1 Выбор методики исследования напряженного состояния в окрестности вершины трещины при упругопластическом деформировании материала
2.1.1 Статическое нагружение
2.1.2 Циклическое нагружение разгрузка и повторное нагружение .
2.2 Выбор образца для исследований.
2.3 Выбор сталей для исследования
2.4 Методика определения коэффициента интенсивности напряжений
2.4.1 По полю напряжений
2.4.2 Метод 1интеграла
Глава 3 РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
3.1 Исследование кинетики напряженного состояния материала в вершине
трещины при однократном и циклическом нагружениях
3.1.1 Статическое нагружение
3.1.2 Циклическое нагружение
3.1.3 Влияние циклических пластических деформаций на величину
3.2 Изучение развития пластических деформаций в вершине трещины при однократном и циклическом нагружениях.
3.2.1 Статическое нагружение.
3.2.2 Циклическое нагружение.
3.3 Модель определения эффективного размаха КИН при регулярном знакопеременном нагружении
3.4 Основные результаты и выводы по главе.
Глава 4 МЕТОДИКА РАСЧЕТНОЙ ОЦЕНКИ УСТАЛОСТНОЙ ДОЛГОВЕЧНОСТИ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЙ.
4.1 Общие замечания.
4.2 Расчет долговечности элементов металлических конструкций
4.2 Расчетноэкспериментальная методика оценки усталостной долговечности элементов металлических конструкций.
4.2.1 Схематизация процесса нагружения металлических конструкций .
4.2.2 Методика расчета.
4.3 Пример расчета
ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ
БИЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК.
ВВЕДЕНИЕ
Широкое применение в различных отраслях промышленности находят разнообразные, главным образом сварные металлические конструкции и сооружения резервуары, газгольдеры, магистральные трубопроводы, сосуды давления, мачты, башни, опоры воздушных линий электропередач, подкрановые балки, опорные блоки морских платформ для добычи нефти и газа, несущие конструкции мостов и промышленных зданий. Большинство из них испытывают воздействие повторностатических или циклических нагрузок, вызванных изменениями объема хранимого продукта, колебаниями рабочего давления, порывами ветра, глубоководным волнением, работой установленного на них силового оборудования или движением транспорта. Эксплуатация таких сооружений не обходится без аварийных ситуаций, которые возникают в результате потери несущей способности или разрушения отдельных элементов этих сооружений. Как правило, аварии сопровождаются, значительным материальным и экологическим ущербом, а иногда, и гибелью людей. Стремление к снижению количества аварий и сведения до минимума наносимого ими ущерба приводит к необходимости совершенствования методов расчетной оценки надежности и долговечности конструкций, воспринимающих циклические нагрузки.
В существующих строительных нормах вопросы оценки надежности и долговечности конструкций не нашли должного отражения. Так, в частности, в СНиП И фактор времени эксплуатации учитывается лишь косвенно коэффициентами надежности по нагрузке и условий работы. Несущая способность сечений рассматривается независящей от характера нагружения и неизменной в течение всего срока эксплуатации сооружения. Влияние дефектов на прочность и выносливость конструкций не рассматривается. Предполагается, что на протяжении всего срока службы в расчетных сечениях не должно быть трещин, в том числе усталостных. Однако, при массовом изготовлении сварных металлоконструкций наличие в них дефектов в виде пор, включений, подрезов, непроваров, сварочных трещин практически неизбежно. При однократном нагружении подобные дефекты, как правило, не снижают несущей способности
конструкции изза их относительно небольших размеров. При циклическом же нагружении даже сравнительно низкого уровня они могут трансформироваться в усталостные трещины. Сочетание таких неблагоприятных факторов, как конструктивная концентрация напряжений от нагрузки, наличие дефектов сварки и остаточных сварочных напряжений значительно сокращает период инициации усталостных трещин, который может составлять не более 5 от общей долговечности. Таким образом, большая часть времени эксплуатации сооружения приходится на стадию роста усталостной трещины, которая характеризуется постепенным снижением несущей способности элемента конструкции. В этих условиях ресурс определяется временем подрастания трещины до некоторого критического размера, соответствующего моменту достижения одного из предельных состояний разгерметизация резервуаров, недопустимое снижение несущей способности расчетного сечения вследствие ослабления его трещиной и др В этой связи на первый план выходит проблема достоверной оценки ресурса, т.е. способности безопасно функционировать при эксплуатационных воздействиях на протяжении заданного периода при наличии несовершенств и технологических дефектов.
В последние четыре десятилетия определенные успехи в решении указанной проблемы связаны с применением методов механики разрушения. Исследованию кинетики роста усталостных трещин и анализу долговечности конструкций посвящены многочисленные работы отечественных и зарубежных авторов, выполненные за этот период. Одним из основных направлений этих исследований является разработка моделей роста трещин, учитывающих влияние ряда факторов эксплуатационного нагружения.
Анализ опубликованных работ показывает, что существующие модели роста трещин не позволяют учитывать влияние величины сжимающей части цикла знакопеременного нагружения на скорость развития усталостных трещин.
Вместе с тем, имеющиеся экспериментальные данные, свидетельствуют, что с увеличением сжимающей части цикла знакопеременного нагружения скорость роста усталостных трещин возрастает.
В связи с этим изучение влияния сжимающей части цикла на долговечность элементов металлических конструкций, в сечениях которых имеет место знакопеременное циклическое изменение напряжений, имеет важное значение.
В рамках настоящей работы были выполнены исследования влияния сжимающей части цикла знакопеременного нагружения на кинетику роста усталостных трещин.
Ниже излагается цель работы, краткое содержание работы по главам, отмечены научная новизна и практическая ценность, приведены выносимые на защиту положения.
Цель работы. Совершенствование методики расчета долговечности элементов металлических конструкций, учитывающей наличие в расчетных сечениях исходных технологических дефектов, макротрещин и влияние на их развитие сжимающей части цикла знакопеременного нагружения
В первой главе анализируются причины разрушения различных металлических конструкций, отмечается наносимый при этом экономический и экологический ущерб. Приводятся данные об эксплуатационных режимах нагружения широко распространенных металлоконструкций. Рассмотрены данные статистической обработки данных дефектоскопии сварных соединений металлических конструкций. Дан критический обзор наиболее известных моделей роста усталостных трещин при циклическом нагружении и подходов к расчету циклической долговечности металлических конструкций. Выполнен анализ опубликованных данных, затрагивающих проблему влияния сжимающей части цикла знакопеременного циклического нагружения на скорость роста усталостных трещин.
Во второй главе описывается методика исследований при статическом и циклическом нагружениях, обосновывается выбор сталей и типа используемого образца. Приводится обоснование выбора методик определения коэффициента интенсивности напряжений КИН.
В третьей главе приведены результаты экспериментального исследования кинетики напряженнодеформированного состояния материала в окрестности вершины трещины при однократном и циклическом знакопеременном нагружении.
Полученные результаты составили необходимую и достаточную экспериментальную базу для разработки математической модели роста трещины при знакопеременном циклическом нагружении. Выполнена проверка адекватности предложенной модели посредством обработки экспериментальных данных, полученных в других исследованиях.
Четвертая глава посвящена разработке методики расчетной оценки долговечности и надежности металлических конструкций, в основу которой положена предложенная в третьей главе диссертации модель роста усталостной трещины. Данная методика позволяет выполнить оценку долговечности элементов металлических конструкций в сечениях которых реализуется знакопеременное изменение напряжений с учетом исходных дефектов и макротрещин.
В этой же главе приведены примеры расчетов усталостной долговечности сварной подкрановой балки и элемента решетчатой конструкции радиорелейной башни.
Список литературы


Эти разрушения, как правило, связаны с распространением трещины и происходят при уровнях напряжений ниже расчетных , , . В институте тяжелого машиностроения им. В. Ульбрихта г. Лейпциг, ФРГ был проведен статистический анализ обрушения стальных конструкций . Были рассмотрены 4 случая повреждений металлических конструкций в разных странах за разные периоды времени. Исследования показали, что интенсивное трещинообразован не является одной из существенных причин разрушения, как для строительных конструкций, так и для различного вида сооружений в целом. Из числа аварий, происходящих в результате превышения нормативных нагрузок, большой процент составляют аварии, характеризующиеся превышением предела усталости, а также аварии, произошедшие в результате хрупких разрушений, причиной которых послужили усталостные трещины. Причиной разрушения сварных металлоконструкций, воспринимающих циклические нагрузки, как правило, является наличие в сечениях элементов трещин усталости. В большинстве случаев усталостные трещины образуются из дефектов сварки, расположенных в зонах конструктивной концентрации напряжений, обусловленной геометрической формой элементов и технологией их изготовления. Концентратор вызывает локализацию пластической деформации в зоне зарождения разрушения, что при повторностатическом нагружении конструкции приводит к накоплению усталостных повреждений металла при относительно низких уровнях напряжений. Процесс образования усталостных трещин ускоряется при наличии неблагоприятных остаточных сварочных напряжений. Для многих строительных конструкций характерен период нормальной эксплуатации после появления в них усталостных трещин. Продолжительность этого периода может составлять от общего срока службы конструкции. Следовательно, возможность разрушения металлических конструкций, работающих в условиях циклического нагружения, требует дальнейшего изучения. Нагрузки, действующие на металлические конструкции и сооружения, можно разделить на статические, периодически повторяющиеся и непрерывно изменяющиеся во времени. Обеспечение усталостной долговечности конструкций связано с нагрузками второго и третьего видов переменными во времени. Такие нагрузки весьма разнообразны по величине, повторяемости и характеру воздействия на отдельные элементы конструкций. Типичными нагрузками, вызывающими циклические напряжения в элементах сооружений, являются воздействие ветра на высотные сооружения башенного типа мачты, дымовые трубы и др. Ветер это движение воздуха, вызываемое разностью давлений в атмосфере. Все перепады давления связаны с перепадами температуры. Именно изменением температуры в основном объясняется изменение скорости и направления ветра. Поэтому имеют место периодические тренды, соответствующие годовому, метеорологическому длительностью около 4 суток и суточному циклам инсоляции. На рис. На этом же рисунке показан еще один пик в области гораздо меньших периодов. Этот четвертый пик, называемый часто микрометеорологическим в противоположность первым трем макрометеорологическим пикам объясняется турбулентностью, возникающей в потоке воздуха при его трении о поверхность земли. Между микро и макрометеорологическими пиками при значениях периодов от 5 ч до мин имеется характерная для всех ветровых спектров область очень малых ординат спектральный провал. Рис. Реакция сооружения на ветровое воздействие существенно зависит от типа самого сооружения. При очень малых периодах собственных колебаний порядка сотых или тысячных долей секунды жесткие конструкции, низкие здания практически весь ветровой спектр располагается значительно левее спектрального провала и воздействие ветра приводит лишь к колебаниям статической компоненты реакции. В случае высоких и гибких сооружений период собственных колебаний может лежать в диапазоне от нескольких десятых долей до нескольких секунд, что соответствует большим ординатам на графике спектральной плотности. При этом могут возникать значительные динамические и резонансные эффекты. Именно в такого типа сооружениях нередки усталостные разрушения от ветровой нагрузки. К ехрафСН 1.