Evaluating fatigue life of materials and structures under low-cycle loading
DOI:
https://doi.org/10.7242/1999-6691/2017.10.1.2Keywords:
modeling, stress-strained state, plasticity, low-cycle fatigue, mechanics of deformed media, damage accumulation, strength, durability, failure, service lifeAbstract
The problem of evaluating strength and fatigue life of critical engineering objects, the operational properties of which are characterized by multi-parametric nonstationary thermal-mechanical effects, is discussed. The main degradation mechanisms of structural materials (metals and their alloys) characteristic of such objects are considered. The main requirements for mathematical models of fatigue damage accumulation are formulated. To evaluate the stress-strained state (SSS) and fatigue life of critical engineering facilities (CEF) in the framework of modern achievements of mechanics of damaged media (MDM), a mathematical model is developed which describes the processes of cyclic thermal-plastic deformation and fatigue damage accumulation in structural alloys subject to multiaxial non-proportional paths of combined thermal-mechanical loading. The MDM model consists of three interconnected parts: thermal plasticity constitutive equations, accounting for their dependence on the failure process; an evolution equation of damage accumulation and a strength criterion of a damaged material. To qualitatively and quantitatively assess the constitutive relations of MDM for low-cycle modes of thermal-cyclic loading, the numerical and experimental results for the fatigue life of a notched compact sample in a non-uniaxial stress state under block modes of thermal-cyclic loading were compared, which supported the validity of the constitutive relations of the MDM model for thermal fatigue. An approach based on the Palmgren-Miner rule of linear summation of damage, when used for evaluating the fatigue life of structural elements, may result in both conservative and non-conservative estimates. This conclusion is confirmed by the experimental and theoretical studies of foreign and domestic authors. The results of numerical modeling of the fatigue durability of a compact specimen with an obtuse notch are presented for two loading histories. It is shown that several cycles of more intensive loading at the beginning of the strain history are the reason why the rule of linear summation of damage can overestimate or underestimate the value.
Downloads
References
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.
Downloads
Published
Issue
Section
License
Copyright (c) 2017 Computational Continuum Mechanics
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License.
