Оценка живучести сварных соединений в несущих конструкциях кузовов вагонов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Оценка живучести сварных соединений в несущих конструкциях кузовов вагонов

Ф.Ю. Лозбинев

Аннотация

Изложен вариант методики оценки живучести сварных соединений в несущих конструкциях кузовов вагонов. Приведены характеристики трещиностойкости некоторых конструкционных сталей. Показаны особенности оценки живучести при наличии начальных технологических трещин. Предложен способ повышения живучести на стадии проектирования.

Ключевые слова: усталостные трещины, живучесть, повреждающие циклы напряжений, коэффициент интенсивности напряжений, начальные технологические трещины, механика разрушения.

В процессе оптимизационных расчетов несущих конструкций кузовов вагонов выполнение ограничений по сопротивлению усталости исключает возможность появления усталостных трещин. В момент, когда суммарное количество повреждающих циклов нагружения превысит определенный уровень (предельное число циклов по усталости), в элементах конструкции возникают усталостные трещины. Cтадию развития трещины до критического размера, при достижении которого происходит разрушение, называют живучестью.

В элементах конструкции могут существовать начальные микротрещины, обусловленные дефектами материала, процессом изготовления конструкции, а также термической обработкой или сваркой несущих элементов. Объясняется это явление тем, что поликристаллическая решетка металла практически всегда имеет дефекты (вакансии, дислокации, различные включения и т.п.), возникающие во время заливки и затвердевания металла. Некоторые из дефектов уже в этот момент могут иметь форму трещины микроскопических размеров. При деформировании кристаллической решетки вершина микротрещины (или зона вакансии) является концентратором. В зоне концентратора имеются начальные остаточные напряжения.

В момент приложения нагрузок напряжения от них в зоне концентратора суммируются с остаточными и в результате могут превысить предел текучести материала. В этом случае в такой зоне происходит пластическое течение. Вершина микротрещины (концентратор) может переместиться по сечению в другую зону.

В новом месте сечения, куда переместился концентратор, геометрические характеристики (моменты сопротивления изгибу) являются иными (в сравнении со старым местом расположения концентратора). При повторном действии нагрузки напряжения в зоне концентратора могут превышать предел текучести. В этом случае процесс пластического течения продолжается. Если напряжения превысят предел прочности, произойдет разрушение кристаллической решетки металла в зоне дефекта. Размер такого разрушения может оказаться весьма малым, однако размер зоны дефекта (длина микротрещины) увеличится. В вершине удлинившейся микротрещины появится новый концентратор.

При переменных нагрузках описанный процесс пластического течения будет происходить и дальше, в результате чего микротрещина, увеличив свои размеры, может оказаться на поверхности металла. С этого момента начинается стадия развития трещины (стадия живучести), которая продолжается до момента разрушения несущего элемента.

Наличие трещины в несущем элементе еще не означает потерю работоспособности конструкции. Конструкция с дефектом может эксплуатироваться определенное время. В некоторых случаях [1] это время соизмеримо с периодом образования трещины или даже превышает данный период.

Стадия развития трещины (стадия живучести) является многоэтапной. При решении инженерных задач ограничиваются, как правило, двумя этапами.

Классическая диаграмма зарождения и роста усталостной трещины [1; 2] представлена на рис. 1.

Рис. 1. Диаграмма зарождения и роста усталостной трещины: N - количество циклов нагружения конструкции; l - длина трещины

На диаграмме представлены следующие величины, соответствующие стадиям и этапам зарождения и роста усталостной трещины:

N_пр - безопасное число циклов до появления усталостной трещины (с заданным коэффициентом запаса);

N_пр* - реальное число циклов до появления усталостной трещины; характеризуется кривой усталости, которую для сварных несущих конструкций определяют по результатам испытаний (стадия накопления усталостных повреждений до появления трещины);

N_кт - число циклов на этапе начального сдвигового разрушения (этап «коротких трещин»), выделенном впервые П.Форсайтом; к концу этапа размеры трещин составляют 0,2...1 мм [2];

N_дт - число циклов на этапе развития трещины от начального размера l₀ до критического размера l_кр (этап «длинных трещин»), после которого происходит ее лавинообразный рост, приводящий к разрушению несущего элемента.

Два последних этапа - это и есть стадия живучести, циклическая долговечность N_ж на которой зависит от скорости роста трещины.

Параметры диаграммы роста усталостной трещины зависят от физико-механических характеристик конструкционного материала, параметров цикла нагружения, частоты воздействия эксплуатационных нагрузок, влияния окружающей температуры и агрессивности среды. Чем шире спектр эксплуатационных нагрузок, тем выше скорость роста трещины.

В основе определения циклической трещиностойкости лежит экспериментально устанавливаемая корреляционная зависимость между скоростью роста усталостной трещины и коэффициентом интенсивности напряжений. Понятие коэффициента интенсивности напряжений в исследование вопросов оценки живучести конструкций впервые ввел Дж.Ирвин. Диаграмма циклической трещиностойкости [1; 2], представленная на рис. 2, имеет три характерных параметра: пороговое значение коэффициента интенсивности напряжений К_th, ниже которого трещина не развивается или растет очень медленно (со скоростью 10^-10 м/цикл); критическое значение K_fc , при достижении которого трещина распространяется лавинообразно; логарифмически-линейный участок, играющий основную роль при расчете долговечности на стадии живучести. Критическое значение коэффициента интенсивности напряжений K_fc в ряде работ называют циклической вязкостью.

Начальные остаточные напряжения сжатия в зоне трещины при изготовлении или ремонте несущего элемента позволяют в несколько раз увеличить живучесть конструкции [1]. И наоборот, остаточные напряжения растяжения в зоне вершины трещины способствуют увеличению скорости ее роста. На скорость роста трещин влияют также характеристики окружающей среды (в первую очередь - температурные колебания) и коррозионный износ несущих элементов. Следует отметить, что закономерности развития коротких трещин существенно отличаются от закономерностей развития длинных трещин [3]. В течение длительного времени этот этап считали переходным и относили к стадии зарождения трещины, и только в последнее время он стал объектом самостоятельного изучения.

Рис.2. Диаграмма циклической трещиностойкости

Как показали результаты исследований [3], использование коэффициента интенсивности напряжений в качестве параметра разрушения для этапа «коротких трещин» является некорректным, поскольку существует различие между скоростями роста короткой и длинной трещин.

Авторами справочного пособия [3] выявлено, что оценка коэффициента интенсивности напряжений с целью определения границ его корректного применения для анализа скорости роста короткой трещины представляет весьма трудную задачу.

В данной статье для исследования этого процесса рассматриваются три случая диаграммы зарождения и роста усталостных трещин (рис. 3).

Для каждой рассматриваемой зоны сварных соединений эти случаи определяются в зависимости от того, какие циклы изменения напряжений являются повреждающими:

- циклы изменения напряжений, вызванные всеми рассматриваемыми нагрузками (рис. 3 а);

- циклы изменения напряжений от продольных нагрузок, абсолютная величина которых больше 1,0 МН (рис. 3 б);

- циклы изменения напряжений от продольных нагрузок, абсолютная величина которых больше 2,5 МН (рис. 3 в).

живучесть сварной трещиностойкость вагон

Рис. 3. Диаграммы зарождения и роста усталостных трещин в сварных соединениях несущих элементов кузова вагона

При решении данной задачи принято следующее ограничение: этап начального сдвигового разрушения (этап «коротких трещин») в сварных соединениях элементов кузова вагона вследствие большой трудоемкости его оценки отнесен, как и при традиционном подходе, к стадии зарождения трещин.

Для учета стадии живучести в процессе оптимального проектирования несущей конструкции кузова вагона разработан следующий алгоритм на основе силового критерия квазихрупкого разрушения.

1. Вводится допущение, что в обшивке (или в отдельных, наиболее нагруженных стержневых несущих элементах) появилась начальная трещина такой длины, при которой возможен ее рост от циклических нагрузок, действующих на вагон в эксплуатации.

2. Выполняется расчет кузова по МКЭ на такие же нагрузки, как при ограничениях по сопротивлению усталости.

3. Для каждой контрольной точки вычисляются следующие величины номинальных напряжений:

3.1. Напряжения, вызванные вертикальными колебаниями кузова в процессе движения вагона в заданных интервалах скоростей:

_р1i = 1,3 _{ст бр i}

где _{ст бр i} - напряжения от статической нагрузки брутто.

3.2. Напряжения, возникающие в рассматриваемой точке в момент движения вагона с максимальной скоростью при действии продольных сил, равных по величине 1,0 МН :

_р2i = _{ст бр i} + _1,0МН

3.3. Напряжения, возникающие в рассматриваемой точке в момент трогания вагона с места при действии продольных сил, равных по величине 2,5 МН :

_р3i = _{ст бр i} + _2,5МН (1)

4. Рассчитываются значения длины трещины l₀ , l₂₅₀ , l₁₀₀ и l_кр , определяющие границы этапов стадии живучести (рис. 3):

- для обшивки [2]:

- для стержневых элементов [2]:

Здесь K_fc - предельное значение коэффициента интенсивности напряжений (задается для каждого материала из справочных данных); _-1 - предел выносливости материала несущего элемента; f - поправочная функция (для краевой трещины в обшивке f =1,12; для внутренней трещины f = 1,0 [2]); [] - допускаемые напряжения третьего расчетного режима «Норм для расчета на прочность и проектирования механической части новых и модернизированных вагонов железных дорог МПС колеи 1520 мм (несамоходных)» (далее по тексту «Нормы …»); r_pc - поправка Ирвина на пластическую деформацию в окрестности вершины трещины, которая при использовании силового критерия квазихрупкого разрушения зависит от предельного коэффициента интенсивности напряжений K_fc, предела текучести материала несущего элемента _т и определяется следующим образом [2]:

- для плоской деформации:

(5)

- для плоского напряженного состояния:

(6)

5. Определяется величина порогового значения напряжений растяжения, ниже которого циклы эксплуатационных нагрузок не являются повреждающими:

- для обшивки [2]:

- для стержневых элементов [2]:

где K_th - пороговое значение коэффициента интенсивности напряжений (задается для каждого материала из справочных данных); f - поправочная функция; l₀ - длина начальной трещины; зависит от длины контура поперечного сечения балки S_конт и вычисляется по формуле = l₀ / S_конт .

6. Значения номинальных напряжений _р1i , _р2i и _р3i сравниваются с величиной порогового значения напряжений _рп . Возможны следующие случаи:

6.1. Если _{р1i рп} , то все циклы являются повреждающими и их общее число рассчитывается в соответствии с диаграммой, представленной на рис. 3 а.

6.2. Если _{р2i рп} , то повреждающими вначале являются циклы всех продольных сил, равных 1,0 МН и выше, затем - все циклы. В этом случае их общее число рассчитывается в соответствии с диаграммой, представленной на рис. 3 б.

6.3. Если _{р3i рп} , то повреждающими вначале являются циклы всех продольных сил, равных 2,5 МН и выше, после этого - циклы всех продольных сил, равных 1,0 МН и выше, а затем - все циклы. В этом случае общее число циклов рассчитывается в соответствии с диаграммой, представленной на рис. 3 в.

6.4. Если ни одно из неравенств не выполняется, то в рассматриваемой точке длина трещины увеличиваться не будет.

7. Для несущих элементов, у которых трещина может увеличивать свою длину, определяется число циклов N_{i ж} , вызывающих рост трещины от начальной длины l_i1 до предельно допустимой длины l_i2 :

- для обшивки [2; 4]:

- для стержневых несущих элементов [3; 4]:

(7)

Здесь n - степенной показатель в уравнении Пэриса (тангенс угла наклона логарифмически-линейного участка к оси абсцисс на рис. 2), который зависит от материала и определяется по справочным данным; K* - размах коэффициента интенсивности напряжений (соответствует скорости развития трещины V = 10^-7 м/цикл, зависит от материала и определяется по справочным данным); R - коэффициент асимметрии цикла напряжений; f - поправочная функция для определения коэффициента интенсивности напряжений; _эi - амплитуда напряжения симметричного цикла, эквивалентного совокупности повреждающих эксплуатационных нагрузок (определяется для каждого этапа стадии живучести, представленного на рис. 3).

В табл. 1 приведены значения К_th, К_fc, n и K* для ряда конструкционных сталей, применяемых для изготовления несущих элементов кузовов вагонов [3].

Таблица 1. Характеристики трещиностойкости некоторых конструкционных сталей

При расчете количества циклов на этапах стадии живучести (N₁ , N₁₀₀ и N₂₅₀), приведенных на диаграммах (рис. 3), в расчетные формулы (1) и (2) подставляются значения l_i1, l_i2 и _эi , соответствующие каждому из этапов (табл. 2).

Таблица 2. Принцип определения изменяющихся параметров при расчете количества циклов на этапах стадии живучести

Следует отметить, что область применения приведенных формул линейной механики разрушения для оценки живучести конструкций ограничена двумя основными условиями:

- критические номинальные напряжения _ном в рассматриваемой зоне не должны превышать величины, составляющей восемьдесят процентов от предела текучести материала _т несущего элемента:

_ном 0,8 _т (8)

- размер пластической зоны r_pc (поправка Ирвина), определяемый по формулам (5) и (6), не должен превышать двадцати процентов от длины трещины l_fc (первые слагаемые в формулах (3) и (4):

r_pc 0,2 l_fc . (9)

где N_{р год} 14700 - годовое количество циклов продольных сил, величины которых равны 1,0 МН и выше; _эi = 0,75_1,0МН - амплитуда напряжений стационарного цикла, соответствующего циклам продольных сил, величины которых составляют 1,0 МН и выше; l₀ - начальная длина технологической трещины. Значения остальных параметров - те же, что и в формуле (7). Значение параметра для несущей обшивки равно нулю.

2. Для каждой рассматриваемой зоны определяются значения повреждающих напряжений [3]:

- для обшивки:

- для стержневых элементов:

где K_th - пороговое значение коэффициента интенсивности напряжений; f - поправочная функция; зависит от длины контура поперечного сечения балки S_конт и вычисляется по формуле = l₀ / S_конт .

3. Для рассматриваемого сечения определяется коэффициент запаса прочности по третьему режиму «Норм ...» n_п^III и коэффициент запаса трещиностойкости n_тс :

где []_III - допускаемые напряжения по третьему режиму «Норм ...»; _{III р} - максимальные напряжения растяжения в рассматриваемой зоне по третьему режиму «Норм ...» без учета действия продольных сил.

4. Сравниваются значения коэффициентов запаса прочности и трещиностойкости:

- если n_п^III n_тс , то напряжения в рассматриваемом сечении выводятся на уровень допускаемых напряжений расчетного режима «Норм ...», для которого коэффициент запаса прочности является минимальным;

- если n_п^III n_тс, то напряжения в рассматриваемом сечении выводятся на уровень допускаемых повреждающих напряжений, которые определяются следующим образом:

[_повр] = _{ст бр} (1+ k_дв^III + k_бок)

где _{ст бр} - напряжения в рассматриваемом сечении от статической нагрузки брутто; k_дв^III - коэффициент вертикальной динамики для элементов кузова по третьему расчетному режиму «Норм ...»; k_бок - коэффициент, учитывающий влияние боковых усилий на кузов в процессе движения вагона.

Во втором случае максимальные напряжения в сечении корректируются с использованием интегральных характеристик внутренних силовых факторов, полученных из расчета несущей конструкции кузова на статическую нагрузку брутто.

После определения новых параметров сечений начальными повреждающими циклами для рассмотренных зон сварных соединений не должны являться циклы изменения напряжений, вызванные вертикальными колебаниями кузова в процессе движения в заданных интервалах скоростей. Однако для некоторых зон, как показали проверочные расчеты, эти циклы иногда не удается отсечь, что вызвано следующими причинами.

1. В процесс формирования новых параметров проектирования вмешиваются конструктивные ограничения на максимальные габаритные размеры сечения и не позволяют вывести напряжения в нем на требуемый уровень. В этом случае следует рассмотреть возможность корректировки конструктивных ограничений.

2. Наличие в расчетной схеме неоптимизируемых элементов. В такой ситуации необходимо включить данные элементы в состав оптимизируемых.

3. На следующей итерации могут измениться интегральные характеристики внутренних силовых факторов как в рассматриваемом сечении, так и в других элементах, вследствие чего либо будут нарушены ограничения по прочности, либо напряжения в критическом элементе возрастут и станут выше допускаемых повреждающих. В этом случае на допускаемые повреждающие напряжения при определении новых параметров проектирования следует вводить штрафную поправку.

Список литературы

1. Ряхин, В.А. Прогнозирование ресурса металлических конструкций строительных и дорожных машин/В.А.Ряхин //Строительные и дорожные машины. - М.: Машиностроение, 1994. - № 4. - С.24-27.

2. Шлюшенков, А.П. Механика разрушения и расчеты на прочность и долговечность элементов машин и конструкций с трещинами: учеб. пособие/А.П.Шлюшенков. - Брянск: БГТУ, 1996. -232с.

3. Механика разрушения и прочность материалов. В 4 т. Т.4. Усталость и циклическая трещиностойкость конструкционных материалов: справ. пособие/ О.Н.Романив, С.Я. Ярема, Г.Н.Никифорчин [и др.]; под общ. ред. В.В.Панасюка. - Киев: Наукова думка, 1990. - 680с.

4. Партон, В.З. Механика упругопластического разрушения/ В.З.Партон, Е.М.Морозов. - М.: Наука, 1985. -504с.

5. Лозбинев, В.П. Способ повышения живучести несущих элементов кузовов вагонов / В.П.Лозбинев, Ф.Ю.Лозбинев. - Брянск: ЦНТИ, 2000. - 4с.

Размещено на Allbest.ru