Оценка усталостной долговечности материалов и конструкций при малоцикловом нагружении
DOI:
https://doi.org/10.7242/1999-6691/2017.10.1.2Ключевые слова:
моделирование, напряжённо-деформированное состояние, пластичность, малоцикловая усталость, механика повреждённой среды, накопление повреждений, прочность, долговечность, разрушение, ресурсАннотация
Обсуждается проблема оценки прочности и ресурса ответственных инженерных объектов, эксплуатационные свойства которых характеризуются многопараметрическими нестационарными термомеханическими воздействиями. Рассмотрены основные деградационные механизмы конструкционных материалов (металлов и их сплавов), характерные для данных объектов. Сформулированы основные требования к математическим моделям накопления усталостных повреждений. Для оценки напряжённо-деформированного состояния (НДС) и усталостной долговечности ответственных инженерных объектов (ОИО) с современных позиций механики повреждённой среды (МПС) развита математическая модель, описывающая циклическое термопластическое деформирование и накопление усталостных повреждений в конструкционных сплавах при многоосных непропорциональных путях комбинированного термомеханического нагружения. Модель МПС состоит из трёх взаимосвязанных частей: определяющих соотношений термопластичности с учётом их вида в зависимости от процесса разрушения, эволюционных уравнений накопления усталостных повреждений и критерия прочности повреждённого материала. В целях качественной и количественной оценок определяющих соотношений МПС при малоцикловых режимах термоциклического нагружения проведено сравнение численных и экспериментальных результатов, полученных для усталостной долговечности компактного образца с выточками в условиях неодноосного напряжённого состояния при блочных режимах термоциклического нагружения, которое позволило сделать вывод о достоверности определяющих соотношений модели МПС при термической усталости. Подход же, основанный на правиле Пальмгрена-Майнера (правиле линейного суммирования повреждений), может привести при расчёте усталостной долговечности элементов конструкций как к консервативной, так и к неконсервативной оценке, что подтверждается экспериментальными и теоретическими исследованиями зарубежных и отечественных авторов. В работе представлены результаты численного моделирования усталостной долговечности компактного образца с затупленным вырезом при двух историях нагружения. Показано, что несколько циклов повышенного нагружения в начале истории деформирования служат причиной того, что правило линейного суммирования повреждений действительно дает ошибку как в консервативную, так и в неконсервативную сторону.
Скачивания
Библиографические ссылки
Митенков A.Ф., Кайдалов В.Б, Коротких Ю.Г. Методы обоснования ресурса ядерных энергетических установок. - М.: Машиностроение, 2007. - 448 с.
2. Митенков Ф.М., Коротких Ю.Г. К вопросу о создании эксплуатационного мониторинга ресурса оборудования и систем ядерных энергетических установок // Проблемы машиностроения и надежности машин. - 2003. - № 4. - С. 105-116.
3. Волков И.А., Коротких Ю.Г. Уравнения состояния вязкоупругопластических сред с повреждениями. - М.: Физматлит, 2008. - 424 с.
4. Коллинз Дж. Повреждение материалов в конструкциях. Анализ, предсказание, предотвращение. - М.: Мир, 1984. - 624 с.
5. Ellyin F., Kujawski D. An energy-based fatigue failure criterion // Microstructure and mechanical behaviour of materials, EAMS / Ed. by G.U. Haicheng, H.E. Jiawen. - 1986. - Vol. 2/2. - Р. 541-600.
6. Трощенко В.Т. Деформирование и разрушение металлов при многоцикловом нагружении. - Киев: Наукова думка, 1981. - 342 с.
7. Пержина П. Моделирование закритического поведения и разрушения диссипативного твердого тела // Труды Амер. об-ва инж.-мех. Сер. Д. Теорет. основы инж. расчетов. - 1984. - Т. 106, № 4. - С. 107-117. DOI
8. Бойл Дж., Спенс Дж. Анализ напряжений в конструкциях при ползучести. - М.: Мир, 1986. - 360 с.
9. Chaboche J.-L. Continuous damage mechanics - A tool to describe phenomena before crack initiation // Nucl. Eng. Des. - 1981. - Vol. 64, no. 2. - Р. 233-247. DOI
10. Гаруд. Новый подход к расчету усталости при многоосных нагружениях // Труды Амер. об-ва инж.-мех. Сер. Д. Теорет. основы инж. расчетов. - 1981. - Т. 103, № 2. - С. 41-51. DOI
11. Боднер, Линдхолм. Критерии приращения повреждений для зависящего от времени разрушения материалов // Труды Амер. об-ва инж.-мех. Сер. Д. Теорет. основы инж. расчетов. - 1976. - Т. 96, № 2. - С. 51-53. DOI
12. Романов А.Н. Разрушение при малоцикловом нагружении. - М.: Наука, 1988. - 279 с.
13. Новожилов В.В. О пластическом разрыхлении // ПММ. - 1965. - Т. 29, № 4. - С. 681-689. DOI
14. Леметр Ж. Континуальная модель повреждения, используемая для расчета разрушения пластичных материалов // Труды Амер. об-ва инж.-мех. Сер. Д. Теорет. основы инж. расчетов. - 1985. - Т. 107, № 1. - С. 90-97. DOI
15. Соси Д. Модели разрушения при многоосной усталости // Труды Амер. об-ва инж.-мех. Сер. Д. Теорет. основы инж. расчетов. - 1988. - Т. 110, № 9.- С. 9-21. DOI
16. Волков И.А., Коротких Ю.Г., Тарасов И.С. Моделирование сложного пластического деформирования и разрушения металлов при многоосном непропорциональном нагружении // ПМТФ. - 2009. - Т. 50, № 5. - С. 193-205. DOI
17. Волков И.А., Коротких Ю.Г., Тарасов И.С. Численное моделирование накопления повреждений при сложном пластическом деформировании // Вычисл. мех. сплош. сред. - 2009. - Т. 2, № 1. - С. 5-18. DOI
18. Волков И.А, Коротких Ю.Г. Моделирование процессов усталостной долговечности материалов и конструкций при малоцикловом нагружении // МТТ. - 2014. - № 3. - С. 66-78. DOI
19. Соболев Н.Д., Егоров В.И., Пирогов Е.Н. Изучение накопления повреждений в условиях неоднородного напряжённого состояния при термоусталостном нагружении // Прочность и деформация материалов в неравномерных физических полях / Под ред. Я.Б. Фридмана. - М.: Атомиздат, 1968. - Вып. II. - С. 26-33.
20. Михеев М.А., Михеева И.М. Основы теплопередачи. - М.: Энергия, 1977. - 344 с.
21. Киселев Е.В., Кутьин В.Б., Матюхин В.И. Электрические печи сопротивления: Учеб. пособие. - Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2010. - 79 с.
22. Волков И.А., Игумнов Л.А., Шишулин Д.Н., Тарасов И.С., Гусева М.А. Оценка усталостной долговечности компактного образца с концентраторами при термоциклическом нагружении в условиях неоднородного напряжённого состояния // Проблемы прочности и пластичности. - 2016. - Т. 78, № 3. - С. 333-349.
23. Даулинг Н.Е. Расчет усталостной долговечности при сложных историях нагружения // Труды Амер. об-ва инж.-мех. Сер. Д. Теорет. основы инж. расчетов. - 1983. - Т. 105, № 3. - С. 69-79. DOI
24. Волков И.А., Тарасов И.С., Фомин М.Н., Ереев М.Н. Численный анализ усталостной долговечности компактного образца с затуплённым вырезом при блочных режимах малоциклового нагружения // Вестник научно-технического развития. - 2011. - № 1(41). - С. 39-51.
###
Mitenkov A.F., Kajdalov V.B, Korotkih U.G. Metody obosnovania resursa adernyh energeticeskih ustanovok. - M.: Masinostroenie, 2007. - 448 s.
2. Mitenkov F.M., Korotkih U.G. K voprosu o sozdanii ekspluatacionnogo monitoringa resursa oborudovania i sistem adernyh energeticeskih ustanovok // Problemy masinostroenia i nadeznosti masin. - 2003. - No 4. - S. 105-116.
3. Volkov I.A., Korotkih U.G. Uravnenia sostoania vazkouprugoplasticeskih sred s povrezdeniami. - M.: Fizmatlit, 2008. - 424 s.
4. Kollinz Dz. Povrezdenie materialov v konstrukciah. Analiz, predskazanie, predotvrasenie. - M.: Mir, 1984. - 624 s.
5. Ellyin F., Kujawski D. An energy-based fatigue failure criterion // Microstructure and mechanical behaviour of materials, EAMS / Ed. by G.U. Haicheng, H.E. Jiawen. - 1986. - Vol. 2/2. - R. 541-600.
6. Trosenko V.T. Deformirovanie i razrusenie metallov pri mnogociklovom nagruzenii. - Kiev: Naukova dumka, 1981. - 342 s.
7. Perzina P. Modelirovanie zakriticeskogo povedenia i razrusenia dissipativnogo tverdogo tela // Trudy Amer. ob-va inz.-meh. Ser. D. Teoret. osnovy inz. rascetov. - 1984. - T. 106, No 4. - S. 107-117. DOI
8. Bojl Dz., Spens Dz. Analiz naprazenij v konstrukciah pri polzucesti. - M.: Mir, 1986. - 360 s.
9. Chaboche J.-L. Continuous damage mechanics - A tool to describe phenomena before crack initiation // Nucl. Eng. Des. - 1981. - Vol. 64, no. 2. - R. 233-247. DOI
10. Garud. Novyj podhod k rascetu ustalosti pri mnogoosnyh nagruzeniah // Trudy Amer. ob-va inz.-meh. Ser. D. Teoret. osnovy inz. rascetov. - 1981. - T. 103, No 2. - S. 41-51. DOI
11. Bodner, Lindholm. Kriterii prirasenia povrezdenij dla zavisasego ot vremeni razrusenia materialov // Trudy Amer. ob-va inz.-meh. Ser. D. Teoret. osnovy inz. rascetov. - 1976. - T. 96, No 2. - S. 51-53. DOI
12. Romanov A.N. Razrusenie pri malociklovom nagruzenii. - M.: Nauka, 1988. - 279 s.
13. Novozilov V.V. O plasticeskom razryhlenii // PMM. - 1965. - T. 29, No 4. - S. 681-689. DOI
14. Lemetr Z. Kontinual’naa model’ povrezdenia, ispol’zuemaa dla rasceta razrusenia plasticnyh materialov // Trudy Amer. ob-va inz.-meh. Ser. D. Teoret. osnovy inz. rascetov. - 1985. - T. 107, No 1. - S. 90-97. DOI
15. Sosi D. Modeli razrusenia pri mnogoosnoj ustalosti // Trudy Amer. ob-va inz.-meh. Ser. D. Teoret. osnovy inz. rascetov. - 1988. - T. 110, No 9.- S. 9-21. DOI
16. Volkov I.A., Korotkih U.G., Tarasov I.S. Modelirovanie sloznogo plasticeskogo deformirovania i razrusenia metallov pri mnogoosnom neproporcional’nom nagruzenii // PMTF. - 2009. - T. 50, No 5. - S. 193-205. DOI
17. Volkov I.A., Korotkih U.G., Tarasov I.S. Cislennoe modelirovanie nakoplenia povrezdenij pri sloznom plasticeskom deformirovanii // Vycisl. meh. splos. sred. - 2009. - T. 2, No 1. - S. 5-18. DOI
18. Volkov I.A, Korotkih U.G. Modelirovanie processov ustalostnoj dolgovecnosti materialov i konstrukcij pri malociklovom nagruzenii // MTT. - 2014. - No 3. - S. 66-78. DOI
19. Sobolev N.D., Egorov V.I., Pirogov E.N. Izucenie nakoplenia povrezdenij v usloviah neodnorodnogo naprazennogo sostoania pri termoustalostnom nagruzenii // Procnost’ i deformacia materialov v neravnomernyh fiziceskih polah / Pod red. A.B. Fridmana. - M.: Atomizdat, 1968. - Vyp. II. - S. 26-33.
20. Miheev M.A., Miheeva I.M. Osnovy teploperedaci. - M.: Energia, 1977. - 344 s.
21. Kiselev E.V., Kut’in V.B., Matuhin V.I. Elektriceskie peci soprotivlenia: Uceb. posobie. - Ekaterinburg: UGTU-UPI, 2010. - 79 s.
22. Volkov I.A., Igumnov L.A., Sisulin D.N., Tarasov I.S., Guseva M.A. Ocenka ustalostnoj dolgovecnosti kompaktnogo obrazca s koncentratorami pri termocikliceskom nagruzenii v usloviah neodnorodnogo naprazennogo sostoania // Problemy procnosti i plasticnosti. - 2016. - T. 78, No 3. - S. 333-349.
23. Dauling N.E. Rascet ustalostnoj dolgovecnosti pri sloznyh istoriah nagruzenia // Trudy Amer. ob-va inz.-meh. Ser. D. Teoret. osnovy inz. rascetov. - 1983. - T. 105, No 3. - S. 69-79. DOI
24. Volkov I.A., Tarasov I.S., Fomin M.N., Ereev M.N. Cislennyj analiz ustalostnoj dolgovecnosti kompaktnogo obrazca s zatuplennym vyrezom pri blocnyh rezimah malociklovogo nagruzenia // Vestnik naucno-tehniceskogo razvitia. - 2011. - No 1(41). - S. 39-51.
Загрузки
Опубликован
Выпуск
Раздел
Лицензия
Copyright (c) 2017 Вычислительная механика сплошных сред
Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution-NonCommercial» («Атрибуция — Некоммерческое использование») 4.0 Всемирная.
