Математическое моделирование процесса разрушения сплава АМг2.5 в режиме много- и гигацикловой усталости
DOI:
https://doi.org/10.7242/1999-6691/2018.11.3.24Ключевые слова:
численное моделирование, гигацикловая усталость, дуальность кривой Вёлера, циклическое нагружение, усталостное разрушение, предел выносливостиАннотация
Прогнозирование предела выносливости в много- и гигацикловом диапазоне нагружения (102-1010) является актуальной проблемой в таких областях, как авиационное моторостроение, скоростной железнодорожный транспорт, и предполагает разработку моделей и их экспериментальную верификацию с учётом стадийности развития повреждённости и развития усталостных трещин в повреждённой среде. Предложена модель развития повреждённости, учитывающая кинетику дефектов и эффекты микропластичности, которая применена для исследования процесса усталостного разрушения конструкционного сплава АМг2.5. Параметры модели идентифицированы и верифицированы с использованием экспериментальных данных по статическому, динамическому и усталостному нагружению, а также испытаний при различных температурах. На основе численно полученных данных построена кривая Вёлера, которая хорошо согласуется с экспериментальной в области многоцикловой усталости. Описан эффект дуальности S-N диаграммы. Вычислительный эксперимент по исследованию влияния динамического нагружения на усталостную прочность показал слабую зависимость величины предела усталости от предварительного динамического деформирования, что подтверждается экспериментальными данными. Проведено сравнение различных математических пакетов и численных методов для решения построенной системы дифференциальных уравнений. Показано, что метод Адамса и его модификации оптимальны для численного интегрирования уравнений рассматриваемой задачи, а предпочтительным программным комплексом является Wolfram Mathematica. Исследован вопрос сходимости численного решения.
Скачивания
Библиографические ссылки
Coffin L.F. A study of the effect of cyclic thermal stresses on a ductile metal // Trans. ASME. 1954. No. 76. P. 931-950.
Bathias C. There is no infinite fatigue life in metallic materials // Fatig. Fract. Eng. Mater. Struct. 1999. Vol. 22. No. 22. P. 559-65. DOI
Murakami Y., Nomoto T., Ueda T. Factors influencing the mechanism of superlong fatigue failure in steels // Fatig. Fract. Eng. Mater. Struct. 1999. Vol. 22. No. 22. P. 581-90. DOI
Терентьев В.Ф. Усталостная прочность металлов и сплавов. М.: Интермет Инжиниринг, 2002. 288 с.
Ботвина Л.Р. Гигацикловая усталость – новая проблема физики и механики разрушения // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2004. Т. 70, № 4. C. 41-51.
Mughrabi H. Specific features and mechanisms of fatigue in the ultrahigh-cycle regime // Int. J. Fatig. 2006. Vol. 28. No. 11. P.1501-1508. DOI
Pang H.T., Reed P.A.S. Microstructure effects on high temperature fatigue crack initiation and short crack growth in turbine nickel-base superalloy Udimet720Li // Mater. Sci. Eng. 2007. Vol. 448. No. 1-2. P. 67-69. DOI
Froustey C., Lataillade J.L. Influence of the microstructure of aluminium alloys on their residual impact properties after a fatigue loading program // Sci. Eng. 2009. Vol. 500. No. 1-2. P. 155-163. DOI
Palin-Luc T., Perez-Mora R., Bathias C., Dominguez G., ParisC., Arana J.L. Fatigue crack initiation and growth on a steel in the very high cycle regime with sea water corrosion // Eng. Fract. Mech. 2010. Vol. 77. No. 11. Р. 1953-1962. DOI
Оборин В.А., Банников М.В., Наймарк О.Б., Palin-Luc T. Масштабная инвариантность роста усталостной трещины при гигацикловом режиме нагружения // ПЖТФ. 2010. Т. 36, № 22. С. 76-82. (English version DOI)
Шанявский А.А. Моделирование усталостных разрушений металлов. Синергетика в авиации. Уфа: ООО «Монография», 2007. 500 c.
Huang Z., Wagner D., Wang Q.Y., Bathias C. Effect of carburizing treatment on the “fish eye” crack growth for a low alloyed chromium steel in very high cycle fatigue // Mater. Sci. Eng. 2013. Vol. 559. P. 790-797. DOI
Nguyen H.Q., Gallimard L., Bathias C. Numerical simulation of fish-eye fatigue crack growth in very high cycle fatigue // Eng. Frac. Mech. 2015. Vol. 135. P. 81-93. DOI
Наймарк О.Б., Плехов О.А., Бетехтин В.И., Кадомцев А.Г., Нарыкова М.В. Кинетика накопления дефектов и дуальность кривой Вёллера при гигацикловой усталости металлов // ЖТФ. 2014. Т. 84, № 3. С. 89-93. (English version DOI)
Волков И.А., Коротких Ю.Г., Панов В.А., Шишулин Д.Н Моделирование процессов накопления усталостных повреждений в конструкционных сталях при блочном малоцикловом нагружении // Вычисл. мех. сплош. сред. 2014. Т. 7, № 1. С. 15-22. DOI
Волков И.А., Игумнов Л.А., Тарасов И.С. Оценка усталостной долговечности материалов и конструкций при малоцикловом нагружении // Вычисл. мех. сплош. сред. 2017. Т. 10, № 1. С. 17-30. DOI
Гучинский Р.В., Петинов С.В. Численное моделирование распространения полуэллиптической трещины усталости на основании оценки накопления повреждений // Вычисл. мех. сплош. сред. 2015. Т. 8, № 4. С. 376-385. DOI
Билалов Д.А., Соковиков М.А., Чудинов В.В., Оборин В.А., Баяндин Ю.В., Терёхина А.И., Наймарк О.Б. Исследование локализации пластического сдвига в алюминиевых сплавах при динамическом нагружении // Вычисл. мех. сплош. сред. 2015. Т. 8, № 3. С. 319-328. DOI
Билалов Д.А., Соковиков М.А., Чудинов В.В., Оборин В.А., Баяндин Ю.В., Терёхина А.И., Наймарк О.Б. Численное моделирование и экспериментальное исследование локализации пластической деформации при динамическом нагружении образцов в условиях близких к чистому сдвигу // Вычисл. мех. сплош. сред. 2017. Т. 10, № 1. С.103‑ DOI
Аннин Б.Д., Коробейников С.Н. Допустимые формы упругих законов деформирования в определяющих соотношениях упруго-пластичности // Сиб. журн. индустр. матем. 1998. Т. 1, № 1. С. 21-34.
Новокшанов Р.С., Роговой А.А. О построении эволюционных определяющих уравнений // Вестник ПНИПУ. Механика. 2001. № 9. С. 103-109.
Годунов С.К., Демчук А.Ф., Козин Н.С., Мали В.И. Интерполяционные формулы зависимости максвелловской вязкости некоторых металлов от интенсивности касательных напряжений и температур // ПМТФ. 1974. № 4. С.114-118.
Банкина О.С., Дзюба А.С., Хватан А.М. Метод построения диаграмм деформирования σ-ε по справочным механическим характеристикам материала // Труды ЦАГИ. 2000. № 2639. С. 36-38.
Машиностроение. Энциклопедия / под ред. К.В. Фролова. М.: Машиностроение, 2001. Т. II-3: Цветные металлы и сплавы. Композиционные металлические материалы. 880 с.
Махутов Н.А. Деформационные критерии разрушения и расчет элементов конструкций на прочность. М.: Машиностроение, 1981. 272 c.
###
Coffin L.F. A study of the effect of cyclic thermal stresses on a ductile metal. Trans ASME, 1954, no. 76, pp. 931-950.
Bathias C. There is no infinite fatigue life in metallic materials. Fract. Eng. Mater. Struct., 1999, vol. 22, no. 22, pp. 559-65. DOI
Murakami Y., Nomoto T., Ueda T. Factors influencing the mechanism of superlong fatigue failure in steels. Fract. Eng. Mater. Struct., 1999, vol. 22, no. 22, pp. 581–90. DOI
Terent’yev V.F. Ustalostnaya prochnost’ metallov i splavov [Fatigue strength of metals and alloys]. : Intermet Inzhiniring, 2002. 288 p.
Botvina L.R. Gigatsiklovaya ustalost’ – novaya problema fiziki i mekhaniki razrusheniya [Very high cycle fatigue is a new problem in fracture mechanics and physics]. Zavodskaya laboratoriya. Diagnostika materialov – Industrial Laboratory. Diagnostics of Materials, 2004, vol. 70, no. 4, pp. 41-51.
Mughrabi H. Specific features and mechanisms of fatigue in the ultrahigh-cycle regime. J. Fatig., 2006, vol. 28, no. 11, pp. 1501-1508. DOI
Pang H.T., Reed P.A.S. Microstructure effects on high temperature fatigue crack initiation and short crack growth in turbine nickel-base superalloy Udimet720Li. Sci. Eng., 2007, vol. 448, no. 1-2. P. 67-69. DOI
Froustey C., Lataillade J.L. Influence of the microstructure of aluminium alloys on their residual impact properties after a fatigue loading program. Sci. Eng., 2009, vol. 500, no. 1-2, pp. 155-163. DOI
Palin-Luc T., Perez-Mora R., Bathias C., Dominguez G., Paris P.C., Arana J.L. Fatigue crack initiation and growth on a steel in the very high cycle regime with sea water corrosion. Fract. Mech., 2010, vol. 77, no. 11, pp. 1953-1962. DOI
Oborin V., Bannikov M., Naimark O., Palin-Luc T. Scaling invariance of fatigue crack growth in gigacycle loading regime. Phys. Lett., 2010, vol. 36, no. 11, pp. 1061-1063. DOI
Shanyavskiy A.A. Modelirovaniye ustalostnykh razrusheniy metallov. Sinergetika v aviatsii [Modeling of fatigue fractures of metals. Synergetics in aviation]. Ufa: Monografiya, 2007. 500 p.
Huang Z., Wagner D., Wang Q.Y., Bathias C. Effect of carburizing treatment on the “fish eye” crack growth for a low lloyed chromium steel in very high cycle fatigue. Mater. Sci. Eng., 2013, vol. 559, pp. 790-797. DOI
Nguyen H.Q., Gallimard L., Bathias C. Numerical simulation of fish-eye fatigue crack growth in very high cycle fatigue. Frac. Mech., 2015, vol. 135, pp. 81-93. DOI
Naimark O.B., Plekhov O.A., Betekhtin V.I., Kadomtsev A.G., Narykova M.V. Kinetics of defect accumulation and duality of the weller curve in gigacycle fatigue of metals. Phys., 2014, vol. 59, no. 3, pp. 398-401. DOI
Volkov I.A., Korotkih Yu.G., Panov V.A., Shishulin D.N. Modeling of fatigue damage accumulation in structural steels under low-cycle block loading. mekh. splosh. sred – Computational Continuum Mechanics, 2014, vol. 7, no. 1, pp. 15-22. DOI
Volkov I.A., Igumnov L.A., Tarasov I.S. Evaluating fatigue life of materials and structures under low-cycle loading. mekh. splosh. sred – Computational Continuum Mechanics, 2017, vol. 10, no. 1, pp. 17-30. DOI
Guchinskij R.V., Petinov S.V. Numerical modeling of the semi-elliptical fatigue crack growth using damage accumulation approach. mekh. splosh. sred – Computational Continuum Mechanics, 2015, vol. 8, no. 4, pp. 367-385. DOI
Bilalov D.A., Sokovikov M.A., Chudinov V.V., Oborin V.A., Bayandin Yu.V., Terekhina A.I., Naimark O.B. Study of plastic shear localization in aluminum alloys under dynamic loading. mekh. splosh. sred – Computational Continuum Mechanics, 2015, vol. 8, no. 3, pp. 319-328. DOI
Bilalov D.A., Sokovikov M.A., Chudinov V.V., Oborin V.A., Bayandin Yu.V., Terekhina A.I., Naimark O.B. Numerical modeling and experimental study of plastic strain localization at dynamic loading of samples under conditions close to pure shear. mekh. splosh. sred – Computational Continuum Mechanics, 2017, vol. 10, no. 1, pp. 103-112. DOI
Annin B.D., KorobeynikovN. Dopustimyye formy uprugikh zakonov deformirovaniya v opredelyayushchikh sootnosheniyakh uprugo-plastichnosti [Admissible forms of elastic laws of deformation in the constitutive relations of elastoplasticity]. Sibirskiy zhurnal industrial’noy matematiki – Journal of Applied and Industrial Mathematics, 1998, vol. 1, no. 1, pp. 21-34.
Novokshanov R.S., Rogovoy A.A. O postroyenii evolyutsionnykh opredelyayushchikh uravneniy [On the construction of evolutionary defining equations]. Vestnik PNIPU. Mekhanika – Bulletin of the PNRPU. Mechanics, 2001, no. 9, pp. 103‑109.
Godunov S.K., Demchuk A.F., Kozin N.S., Mali V.I. Interpolation formulas for maxwell viscosity of certain metals as a function of shear-strain intensity and temperature. Appl. Mech. Tech. Phys., 1974, vol. 15, no. 4, pp. 526-529. DOI
Bankina O.S., Dzyuba A.S., Khvatan A.M. Metod postroyeniya diagramm deformirovaniya σ-ε po spravochnym mekhanicheskim kharakteristikam materiala [The method of constructing the deformation diagrams σ-ε by the reference mechanical characteristics of the material]. Trudy TsAGI – TsAGI Science Journal, 2000, no. 2639, pp. 36-38.
Frolov K.V. (ed.) Entsiklopediya [Mechanical Engineering. Encyclopedia]. M.: Mashinostroyeniye, 2001. Vol. II-3: Tsvetnyye metally i splavy. Kompozitsionnyye metallicheskiye materialy [Non-ferrous metals and alloys. Composite metal materials]. 880 p.
Makhutov N.A. Deformatsionnyye kriterii razrusheniya i raschet elementov konstruktsiy na prochnost’ [The deformation fracture criteria and strength calculation of the structural elements]. M.: Mashinostroyeniye, 1981. 272 p.
Загрузки
Опубликован
Выпуск
Раздел
Лицензия
Copyright (c) 2018 Вычислительная механика сплошных сред
Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution-NonCommercial» («Атрибуция — Некоммерческое использование») 4.0 Всемирная.
