Методи оцінки тріщиностійкості конструкційних матеріалів за умов складного навантаження

Сигнали від тензометричних давачів подають на входи відповідних каналів комп'ютера і після підсилення - на вхід комутатора АЦП. За програмно заданою послідовністю сигнали перетворюють в цифровий вираз і запам'ятовують у вигляді файлів в персональному комп'ютері. Математична обробка числових послідовностей на наступному етапі дозволяє здійснити додаткову цифрову фільтрацію та відобразити будь-які окремі залежності. Під час досліджень вимірювальним комплексом поциклово записують зміну сили розтягу - розкриття тріщини біля її вершини, а також момент закруту - зсув берегів тріщини. На основі силових параметрів навантаження зразка визначають величини K_І, K_ІІ для варіанта А і K_І, K_ІІІ - для варіанта Б. Швидкість підростання тріщини реєстрували за допомогою методу зміни електроопору. Одержані результати обробляли і будували кінетичні діаграми втомного руйнування (КДВР) в координатах V0K, (V - K_I діаграми), де - швидкість росту втомної тріщини; K_I - розмах КІН. За цією методикою побудовані КДВР для сталі 20 за різних співвідношень і , та діаграма .

Дослідження, проведені на сталі 9ХФ, показали інваріантність діаграм () дo умов навантаження на відміну від діаграм .

Сьомий розділ стосується впливу нерегулярного навантаження на втомне руйнування конструкційних матеріалів. Для дослідження росту втомної тріщини під дією блочного навантаження розроблено ефективний метод прогнозування залишкової довговічності елементів конструкцій з набутими дефектами. У роботі на основі запропонованої моделі, яка базується на енергетичному критерії руйнування для регулярного навантаження із урахуванням ефектів закриття, отримано аналітичні залежності для опису росту втомної тріщини під блочним навантаженням [27]:

(31)

тут Е - модуль Юнга; c - коефіцієнт пропорційності; N_B - кількість циклів у блоці; - найбільше значення КІН у вершині тріщини протягом k-го циклу навантаження; - нижня межа ефективного КІН.

Вплив блочного навантаження вивчали на основі розробленої методики за силовою схемою осьового циклічного розтягу плоских зразків із сталі 08кп з центральною тріщиною. Досліджували за двома схемами блочного навантаження. У першому випадку ступінчастий режим навантаження в рамках одного блока змінювали, змінюючи максимальне навантаження за постійного мінімального циклічного навантаження. І, навпаки, у другому випадку амплітуду навантажень змінювали, міняючи мінімальне циклічне навантаження за сталого (незмінного) максимального силового параметра. Тривалість постійної циклічної дії змінного силового параметра Р_{min i} або P_{max i} забезпечували відповідною кількістю циклів n_i(i = 1,5) на кожному рівні фіксованої амплітуди навантажень. Під час експерименту вимірювали приріст втомної тріщини залежно від кількості блоків навантаження та циклів у рамках блоків навантаження. Встановлено сповільнення росту втомної тріщини за спадних значень параметра P_{max i} та зростаючих Р_{min i} відносно до тих самих значень, але з протилежною тенденцією їх зміни. Результати показують, що встановлена формула (31) добре описує втомне поширення тріщини під блочним навантаженням і придатна для визначення характеристик тріщиностійкості матеріалу та оцінки залишкової довговічності елементів конструкцій в умовах нерегулярних навантажень.

Для врахування складного напруженого стану та вибору інваріантного критерію втомного руйнування листового матеріалу досліджували поширення тріщини за силовою схемою двовісного навантаження хрестоподібного зразка з центральною тріщиною. Циклічний розтяг ₁ прикладали перпендикулярно до площини розташування тріщини, а вздовж тріщини пластину навантажували напруженням ₂, внаслідок чого біля вершини тріщини створювали складний напружений стан. Використовуючи енергетичний принцип, сформульований у працях О. Є. Андрейківа, одержали рівняння для визначення швидкості поширення втомної тріщини через енергетичні характеристики руйнування. В роботі запропоновано експериментальну методику знаходження цих характеристик з допомогою методу цифрової кореляції спекл-зображень, що викладено в п'ятому розділі. Дисипацію енергії пластичних деформацій за один цикл навантаження w_f визначали за пропорційного двовісного навантаження зразка з записом діаграми руйнування і реєстрацією деформацій біля вершини тріщини цифровою камерою. Встановивши величину деформації е_y^max циклу під час навантаження зразка зусиллям до P_max і величину е_y^min під час розвантаження за Р_min, знаходили розмах деформацій е_у (див. рис. 8). Напруження ₀ у циклічній пластичній зоні визначали із діаграми квазістатичного руйнування матеріалу за двовісного навантаження в координатах _іст е (_іст - істинне напруження; е - істинна деформація), яку будували за схемою, що наведена на рис. 9. На основі даних двовісного навантаження хрестоподібного зразка е_y^max із цієї діаграми визначали величину , тоді дисипація енергії пластичних деформацій

. (32)

Енергію попереднього пластичного деформування _s обчислювали, як енергію, що затрачена на пластичне деформування матеріалу за перший цикл навантаження. Значення е_y^max визначали при двовісному навантаженні зразка, що відповідає умовам експерименту, а на основі діаграми розтягування встановлювали (рис. 9). В результаті отримали:

, (33)

,

Питому енергію статичного руйнування матеріалу _с^` встановлювали із повної діаграми руйнування (рис. 9). Величину е_с визначали із експерименту за статичного розтягування зразка в умовах двовісного навантаження:

, (34)

Циклічна енергія руйнування

, (35)

- коефіцієнт Мороу.

Для двовісного розтягу за різних жорсткостей напруженого стану ( = ₂/₁, ₂ - напруження вздовж тріщини в нетто - перерізі, ₁ - напруження в площині, перпендикулярній до тріщини) визначали величини w_f, _c, _s, а також швидкість поширення втомної тріщини і будували залежність за формулою (24)

де V - швидкість росту тріщини , ) у вигляді крапок, а також пряма лінія (рис. 15). Паралельно побудовано залежність (рис. 16) і встановлено, що зі збільшенням жорсткості напруженого стану швидкість росту втомної тріщини спадає. Відхилення експериментальних даних від залежності незначне для трьох значень жорсткості напруженого стану, що свідчить про інваріантність енергетичного критерію для оцінки втомного поширення тріщин під двовісним навантаженням

У восьмому розділі на основі досліджень гранично-рівноважного стану тіла з тріщиною за умов складного навантаження встановлено залишкову міцність опорного валка прокатного стану з довільно розташованим дефектом. Результати досліджень використані для визначення допустимих навантажень на опорному валку прокатного стану 1700 залежно від розміру довільно розташованого дефекту. Гранично-рівноважний стан опорного валка із сталі 9ХФ за змішаного механізму руйнування оцінювали за деформаційним критерієм (13). Для цього побудовано діаграми тріщиностійкості сталі 9ХФ із використанням наведених методик. На основі відомих розв'язків встановлені співвідношення для визначення _І, _ІІ, _ІІІ. За цими результатами і критерієм (13) встановили залежність допустимого розміру дефекту від кута нахилу () дископодібної тріщини до осі опорного валка для змішаного руйнування і нормального відриву. Отже, враховуючи можливість руйнування за змішаним механізмом (І + ІІ + ІІІ), можна зменшити допустимий розмір початкового дефекту до 50% порівняно із припущенням реалізації лише нормального відриву, що необхідно брати до уваги, визначаючи залишкову міцність валків прокатних станів.

Сформульовано розрахункову модель для оцінки залишкового ресурсу трубопроводу з поверхневою тріщиною на внутрішній поверхні стінки при пульсації робочого тиску і поздовжнього розтягу -стиску. Модель використано під час розробки експлуатаційних рекомендацій для нафтопроводу “Кременчук - Херсон”. Розрахунок базується на основі експлуатаційних даних та результатах технічної діагностики, проведеної на ДАТ “Придніпровські магістральні нафтопроводи” (ДАТ ПМН).

Розрахункова модель розвитку дефектів у стінці труби базується на тому, що під час перепомпування нафти виникають гідравлічні коливання, які описуються залежністю

, (36)

а коливання тиску, викликані зупинками, закриттям засувок і ін., визначають так:

. (37)

Загальні зміни тиску в трубопроводі визначаються суперпозицією

. (38)

Тут згідно з даними натурних випробувань ДАТ ПМН а₁ = 1 МПа, а₂ = 3,5 МПа - середні значення тиску в трубі; b₁ = 0,2 МПа, b₂ = 1 МПа - амплітуди зміни тиску у двох випадках; ₁ = 36(хв) ^-1, ₂ = 1,310^-4 (хв) ^-1 - частоти зміни тиску у трубопроводі. Внаслідок температурних змін і защемлення труби ґрунтом виникає поздовжній розтяг-стиск, що створює в матеріалі напруження = 200 МПа (). Таким чином, внаслідок високочастотної низькоамплітудної пульсації робочого тиску під час перепомпування, а також низькочастотної високоамплітудної пульсації під час відключення станцій та розтягу-стиску від защемлення труба піддається блочному навантаженню змінної амплітуди. У нижній частині труби за наявності донної води, а також коливання напружень виникають тріщини. Моделюємо їх півеліптичними тріщинами. Для таких умов навантаження труби з півеліптичним дефектом-тріщиною необхідно визначити залишковий ресурс, або період Ng докритичного втомного росту тріщини . Використовуючи запропонований в розділі 6 енергетичний підхід, задачу зводимо до розв'язку кінетичного рівняння

, (39)

тут N₂ - зміна циклів другого блока; - густина циклічної енергії руйнування матеріалу нафтопроводу ; _s - густина циклічної потенціальної енергії в зоні передруйнування під час дії за максиму напружень в циклі; w_c⁽¹⁾ - циклічна складова дисипації енергії пластичних деформацій у зоні передруйнування за один цикл (з періодом ₂).

Після застосування _с-моделі та використання відомого методу еквівалентних площ рівняння швидкості росту втомної тріщини в стінці трубопроводу одержимо [19]:

, (40)

тут а - радіус півколової поверхневої тріщини еквівалентної площі з півеліптичною; r - радіус труби; h - товщина стінки,

;

_b, _0,2 - границі міцності і течіння матеріалу труби.

Для визначення залишкової довговічності труби проінтегруємо диференційне рівняння (40) за таких початкових умов N₂ = 0; і кінцевих N₂ = N_g умовах; a = h (S₀ - площа початкового дефекту) та експлуатаційних параметрів сталі 17Г2С нафтопроводу “Кременчук - Херсон” а₁=0; а₂=3,5 МПа; b₁=0,15 МПа; b₂=1МПа; r₁=0,51м; h=0,014м; =200МПа; _b=880MПa; N₁=2810⁴циклів.

Константи c, k, K_fc, що фігурують у рівнянні швидкості росту тріщини (40), встановлено експериментально. Для цього зразки зі сталі 17Г2С досліджували під двовісним циклічним навантаженням, на основі одержаних результатів будували КДВР у координатах . Після випробувань зразків, виготовлених із стінки труби після 30-річної експлуатації, встановлено, що стандартні механічні характеристики _0,2, _b, , практично не змінились порівняно з вихідним матеріалом. Водночас циклічна тріщиностійкість експлуатованої сталі знизилась, зокрема характеристика K_th на 12%.

Зіставляючи КДВР, одержані експериментально і описані аналітично, для сталі 17Г2С визначали: ; . На основі цих даних і формули (40) побудовано номограму залишкового ресурсу N_g від розміру дефекту а₀ на внутрішній поверхні труби при пульсаціях робочого тиску, а також з урахуванням поздовжньої сили розтягу Q і за її відсутності.

На підставі залежностей можна прогнозувати вплив поздовжнього розтягу-стиску на величину довговічності труби з дефектом-тріщиною на її внутрішній поверхні стінки.

На основі сформульованих підходів розроблено методичні вказівки для визначення залишкового ресурсу роботи та встановлено міжремонтні періоди для металевих конструкцій (МК) шахтних копрів. Такі МК мають вигляд просторової зварної конструкції, що піддана експлуатаційним циклічним навантаженням, дії атмосферного та робочого (вугільний порох) середовищ. В результаті досліджень МК шахтних копрів на шахтах м. Слов'янська за допомогою неруйнівних методів контролю встановлено типові пошкодження та їх геометричні розміри у зварних з'єднаннях. На основі методу граничної інтерполяції встановлено напружено-деформований стан біля дефектів у зварних з'єднаннях. Для визначення залишкової довговічності та швидкості поширення тріщин проведені експериментальні дослідження і побудовано КДВР для основного металу, зони термічного впливу і зварного з'єднання. З урахуванням цього побудовано номограму живучості елементів шахтних копрів залежно від розміру дефекту та умов навантаження. Користуючись цими номограмами, даними навантаження і розміром дефектів, визначають міжремонтний експлуатаційний період МК шахтних копрів. Результати досліджень покладено в основу методичних вказівок для визначення залишкового ресурсу МК шахтних копрів [29].

Основні результати та висновки

Вирішена науково-технічна проблема, що полягає у розробці та обґрунтуванні методів оцінки тріщиностійкості конструкційних матеріалів за умов реалізації змішаних механізмів руйнування конструкційного матеріалу та визначенні довговічності (залишкового ресурсу) елементів конструкцій. Отримані у дисертації результати є основою інженерних методів розрахунку несучої здатності та залишкової довговічності елементів конструкцій з дефектами типу тріщин, що працюють в умовах складного навантаження. Основні результати роботи полягають у наступному:

Сформульовано розрахункову модель для визначення гранично-рівноважного стану пружно-пластичного тіла з тріщиною за тривісного пропорційного навантаження, в основу якої покладено такі положення:

гранично-рівноважний стан пружно-пластичного тіла наступить у момент досягнення дисипованою енергією пластичних деформацій у зоні передруйнування значення енергії руйнування матеріалу;

питома енергія руйнування матеріалу є характеристикою матеріалу при заданих умовах (температура, швидкість навантаження, середовище тощо).

Розроблено експериментальну методологію та конструкцію зразків для визначення характеристик тріщиностійкості конструкційних матеріалів за умов різних (І, ІІ, ІІІ) макромеханізмів руйнування.

Побудовано діаграми гранично-рівноважного стану тіла з тріщиною (його міцності) за умов складного (пропорційно зростаючого) навантаження.

Створено метод визначення пружно-пластичних переміщень поверхні зразка біля вершини тріщини на основі цифрової обробки спекл-зображень, який дозволяє:

обчислити розподіл деформації біля вершини тріщини;

визначати величину пластичної зони передруйнування;

визначати розкриття берегів тріщини;

встановлювати напруження в зоні передруйнування на основі визначеної деформації та діаграми розтягування матеріалу.

Встановлено критерій руйнування тонколистових конструкційних матеріалів під двовісним пропорційним навантаженням.

Розроблено розрахункову модель втомного поширення тріщини у пружно-пластичному тілі під тривісним навантаженням, згідно з якою тріщина пошириться тоді, коли дисипація енергії пластичних деформацій у циклічній зоні передруйнування досягне певного значення циклічної енергії руйнування, яка є характеристикою матеріалу.

Розроблено експериментальну методику та побудовано кінетичні діаграми втомного поширення тріщин у конструкційних матеріалах за умов змішаних макромеханізмів руйнування та показано їх відмінність від традиційних (V - K) - діаграм, які ґрунтуються лише на тому, що втомна тріщина поширюється тільки в результаті руйнування матеріалу за нормальним відривом.

Побудовано кінетичні діаграми поширення втомних тріщин у конструкційних матеріалах під двовісним пропорційним навантаженням.

На основі енергетичного підходу розроблено ефективний метод прогнозування залишкової довговічності елементів конструкцій з набутим дефектом під блочним навантаженням в умовах складного навантаження. Цей метод реалізовано в розрахунку довговічності труби магістрального нафтопроводу з урахуванням защемлення її ґрунтом, що викликає поздовжній розтяг-стиск, двочастотним циклічним навантаженням тиском, що виникає від високочастотного гідравлічного низькоамплітудного коливання тиску нафти під час її перепомповування, та низькочастотного високоамплітудного перепаду тиску під час зупинок станцій. Визначено залишковий ресурс труби з поверхневим дефектом нафтопроводу “Кременчук - Херсон” на водопереходах річок Псло і Дніпро.

Для зварних ферм металевих конструкцій шахтних копрів розроблено методичні рекомендації прогнозування їх довговічності та визначення залишкового ресурсу роботи у випадках появи в таких елементах дефектів типу тріщин.

Для практичної реалізації запропонованих методик розроблено конструкції зразків, що захищені патентами, і сконструйовано та виготовлено спеціальні пристрої.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

Зазуляк В. А., Дарчук А. И. , Легун А. М., Иваницкий Я. Л., Зубатый В. В. Оценка трещиностойкости крупных опорных валков прокатных станов при циклическом нагружении// Физ.-хим. механика материалов. -1985. - №4.- С. 93-95.

Андрейків О. Є., Іваницький Я. Л., Варивода Ю. Ю. КРТ-критерій для тіл з тріщинами при складному напруженому стані// Доп. АН УРСР. - 1987. - №2. - С. 37 - 39.

Похмурский В. И., Ганулич Б. К., Иваницкий Я. Л. О релаксациях касательных напряжений в металлах// Физ.-хим. механика материалов. - 1987. - №3. - С. 124-125.

Андрейкив А. Е., Лысак Н. В., Каленский В. К., Иваницкий Я. Л., Скальский В. Р. Диагностика развития трещин по границе сплавления в наводороженных образцах// Техн. диагностика и неразр. контроль. - 1990. - №3. - С. 32-36.

Лисак М. В., Скальский В. Р., Іваницький Я. Л., Сергієнко О. М. Застосування методу акустичної емісії для дослідження процесів утворення піднаплавочних тріщин// Фіз.-хім. механіка матеріалів. - 1989. - №2.- С. 79-81.

Каленский В. К., Николенко Т. Ю., Козин А. М., Иваницкий Я. Л., Лысак Н. В., Скальский В. Р. Повышение стойкости нержавеющего металла, наплавленного на сталь 10Х2ГННА против отслоения при эксплуатации в среде водорода// Автомат. сварка. - 1990. - №12.- С. 27-33.

Егорова С. В., Лящук Ю. С., Юрчишин А. В., Кренделева А.И., Иваницкий Я. Л., Мочульский В. М. Сопротивление растрескиванию электрошлаковых сварных соединений в водороде// Там же. - 1992. -№4.- С. 463-468.

Андрейків О. Є., Варивода Ю.Ю., Зима Ю. В., Іваницький Я. Л. Руйнування при навантаженні тріщин крученням і розтягом// Фіз.-хім. механіка матеріалів. - 1993. - №5. - С. 101 - 102.

Лучко Й. Й., Іваницький Я. Л., Куцигін М. Д., Беклемішев Ю.М. Методологічні аспекти з'єднання арматури обтиснутою гільзою// Механіка і фізика руйнування будівельних матеріалів і конструкцій. - Львів, 1996. - С. 347 - 349.

Andreykiv O. Yе., Jvanytskiy Ya. L. Metodological aspects of estimation of materials crack growth resistance characteristics in hydrogen environment under sustained and cyclic loading// Physicochemical Mechanics of Materials - 1998. - №4. - P. 5-19.

Іваницький Я. Л., Андрейків А. О., Король В. Р. Коефіцієнт інтенсивності напружень за розтягу та закруту труби з двома симетричними тріщинами// Фіз.-хім. механіка матеріалів, 2000. - №6.- С. 113 - 115.

Гвоздюк М. М., Іваницький Я. Л. Методика дослідження тріщиностійкості шаруватих полімерних композиційних матеріалів// Механіка і фізика руйнування будівельних матеріалів і конструкцій. - Львів: Каменяр, 2000. - Вип. 4. - С. 276 - 281.

Скальський В. Р., Іваницький Я. Л. Засоби для дослідження матеріалів у середовищі водню високих параметрів/ Техн. диагностика и неразр. контроль. - 2001. - №3. - С. 15 - 18.

Іваницький Я. Л. Оцінка несучої здатності елементів конструкцій з тріщинами в умовах складного напруженого стану// Механіка і фізика руйнування будівельних матеріалів і конструкцій. - Львів: Каменяр, 2002. - Вип. 4. - С. 83 - 88.

Іваницький Я. Л. Циклічна тріщиностійкість матеріалів в умовах змішаних механізмів руйнування// Машинознавство. - 2003. - № 1. - С. 36-39.

Лучко Й. Й., Іваницький Я. Л., Гвоздюк М. М. Оцінка працездатності втулкового з'єднання арматурних стержнів//Діагностика, довговічність та реконструкція мостів і буд. конструкцій. - Львів, 2003. - Вип. № 5. - С. 137 - 142.

Іваницький Я. Л., Андрейків А. О. Гранично-рівноважний стан тіл з тріщинами за змішаних макромеханізмів руйнування// Фіз.-хім. механіка матеріалів. - 2003.- №4. - С. 12 - 18.

Іваницький Я. Л. Втомне руйнування матеріалів під двовісним навантаженням//Машинознавство. - 2003. - № 12. - С. 37-40.

Андрейків О. Є., Іваницький Я. Л., Терлецька З. О., Кіт М. Б. Оцінка довговічності труби нафтогону з поверхневою тріщиною під двовісним блочним навантаженням// Фіз.-хім. механіка матеріалів. - 2004. - № 3.- С. 103 - 108.

Іваницький Я. Л. Визначення швидкості росту втомної тріщини під час зміни амплітуди навантаження//Діагностика, довговічність та реконструкція мостів і буд. конструкцій. - Львів, 2004. - Вип. 6. - С. 30 - 34.

Іваницький Я. Л., Осадчук В. А., Штаюра С. Т., Костів Р. Б. Оцінка довговічності залізобетонних мостових балок з багаторядною арматурою після тривалої експлуатації// Там же. - Львів, 2004. - Вип. 6. - С. 35 - 41.

Іваницький Я. Л., Штаюра С. Т., Костів Р. Б., Мольков Ю. В., Вергун І. А. Визначення характеристик тріщиностійкості матеріалів під двовісним навантаженням// Машинознавство. - 2004. - № 7 . - С. 31 - 34.

Іваницький Я. Л. Оцінка деградації матеріалу труби магістрального нафтопроводу після тривалої експлуатації// Наук. вісник Нац. Техн. Ун-ту Нафти і Газу. - 2004. - № 3 (9). - С. 62-65.

Панасюк В. В., Іваницький Я. Л., Максименко О. П. Аналіз пружно-пластичного деформування матеріалу зони передруйнування// Фіз.-хім. механіка матеріалів. - 2004. - № 5. - С. 67-72.

Іваницький Я. Л., Бойко В. М. Оцінка залишкової міцності та довговічності металоконструкцій шахтних копрів// Вісник Терноп. держ. техн. ун-ту. - 2004. - № 4. - С. 12-18.

Бойко В. М., Іваницький Я. Л., Штаюра С. Т. Методика визначення характеристик тріщиностійкості металів при динамічному навантаженні (нормальний відрив) // Там же. - 2004. - № 3. - С. 24-33.

Іваницький Я. Л., Кунь П.С. Втомне поширення тріщини під блочним навантаженням// Наукові нотатки. Міжвузівський збірник (за напрямком інженерна механіка). Луцьк, 2004.- Вип. 15. - С. 35-41.

Іваницький Я. Л., Штаюра С. Т. Визначення характеристик тріщиностійкості матеріалів за змішаними макромеханізмами руйнування// Фіз.-хім. механіка матеріалів. - 2005. - №1. - С. 15-23.

РД 12.004-93. Руководящий документ. Металлические конструкции шахтных копров. Общие требования к защите от коррозии. - Госуглепром Украины, 1993, - Введ. 01.01.1994 г.

Методические рекомендации. Расчёты и испытания на прочность. Методы механических испытаний металлов. Определение характеристик сопротивления материалов распространению трещины продольного сдвига/ А. Е. Андрейкив, Я. Л. Иваницкий, В. А. Зазуляк и др.// Львов, 1987. - 24 с. - (Препр. / АН усср. Физ.-мех. ин-т, № 87).

Методы испытаний металлов на циклическую трещиностойкость при продольном сдвиге/ А. Е. Андрейкив, Я. Л. Иваницкий, И. П. Гордынский, В. А. Зазуляк //Львов, 1987. - 23 с. - (Препр. / АН усср. Физ.-мех. ин-т, № 142).

Методические рекомендации. Расчёты и испытания на прочность. Методы механических испытаний металлов. Определение характеристик сопротивления материалов распространению трещин продольного сдвига/ А. Е. Андрейкив, Я. Л. Иваницкий, В. А. Зазуляк - Львов, 1987. - 24 с. - (Препр./ АН УССР Физ.-мех. ин-т, № 87).

Методичні рекомендації з проектування та технології виготовлення залізобетонних конструкцій, армованих стержнями, що з'єднані обтиснутими втулками, - Львів: Фіз.-мех. інститут, 2004. - 28 с.

А.с. 1227992. Способ определения трещиностойкости металлов/ А. Е. Андрейкив, Я. Л. Иваницький, В. А. Зазуляк - Б.И. - 1986. - № 41.

Ас. 1392457, МКИG01N3/00. Образец для исследования газопроницаемости деформируемых металлов и сплавов/ А. Е. Андрейкив, Я. Л. Иваницький, Т. Т. Любицкий, В. А. Зазуляк, Н. Н. Боднар - Б.И. - 1987. - № 42.

А.с. 1435996, МКИG01N3/00. Образец дляопределения характеристик трещиностойкости материаллов при попречном сдвиге/ А. Е. Андрейкив, Я. Л. Иваницкий, В. А. Зазуляк, Ю. Ю.Варивода - Опубл. 08.07.1988; Бюл., № 41.

Патент України № 63180 А МПК: G01N3/00 Зразок для визначення циклічної тріщиностійкості за розтягу і зсуву/ Я. Л. Іваницький, С. Т. Штаюра - Опубл. 15.01.2004р.; Бюл. № 1.

Патент України № 71772 А МПК: 7G01N3/00 Зразок для визначення характеристик циклічної тріщиностійкості при поперечному зсуві/ Я. Л. Іваницький, С. Т. Штаюра, Д. В. Рудавський, Р. Б. Костів, В. М. Бойко - Опубл. 15.12.2004р.; - Бюл. № 12.

Патент України № 63168 А МПК: Е04С5/03 Спосіб зєднання арматурних стержнів періодичного профілю та пристрій для його реалізації/ Й. Й. Лучко, Я. Л. Іваницький, С. Т. Штаюра, М. І. Ігнатишин - Опубл. 15.01.2004р.; - Бюл. № 1.

Иваницкий Я. Л., Лучко Й. Й. Методика определения трещиностойкости бетона при сложном напряженном состоянии// Бетон и железобетон. - 1986. - № 10. - С. 24-25.

Иваницкий Я. Л., Варивода Ю. Ю. Применение деформационного критерия для оценки разрушения тел с трещинами при сложном напряженном состоянии// Структура и прочность материалов в широком диапазоне температур. - М., 1991. - С. 104-111.

Андрейкив А. Е., Иваницкий Я. Л., Голиян О. М. Влияние температуры на процесс усталостного разрушения металлов в газообразном водороде// Там же - М., 1991. - С. 66-74.

Andreykiv O. Ye., Ivanytskiy Ya. L., Panasyuk V. V. Cyclic crack growth resistance of materials with mixed-mode macromechanisms of fracture// Proc 8^th Conf. Mech. Behavior Mat. (ICM 8). - Victoria: Flaming Printing Ltd., 1999. - V. 1. - P. 398-403.

Панасюк В. В., Іваницький Я. Л., Андрейків А. О. Методи оцінки циклічної тріщиностійкості матеріалів при реалізації змішаних макромеханізмів руйнування// Пр. міжнар. конф. “Оцінка і обґрунтування продовження ресурсу елементів конструкцій.” - К., 2000. - С. 45-52.

Іваницький Я. Критерії руйнування конструкційних матеріалів в умовах складного напруженого стану та їх експериментальна перевірка// Тези доп. Шостого міжнар. симп. укр. інженерів-механіків у Львові. - Львів, 2003. - С. 21-22.

Андрейків О., Іваницький Я., Терлецька З., Кіт М. Розрахунок залишкового ресурсу труби нафтопроводу за двочастотного навантаження// Механіка руйнування матеріалів і міцність конструкцій/ Під. заг. ред. В. В. Панасюка - Львів: Фіз.-мех. ін-т ім. Г. В. Карпенка НАН України, 2004. - С. 521-526.

Іваницький Я. Оцінка втомного руйнування матеріалів за двовісного навантаження// Там же. - С. 641-646.

Іваницький Я., Кунь П. Ріст втомної тріщини в умовах блочного навантаження// Там же. - С. 653-658.

Іваницький Я., Штаюра С. Методичні вказівки. Визначення характеристик тріщиностійкості матеріалів в умовах складного напруженого стану (нормальний відрив + поперечний зсув, нормальний відрив + поздовжній зсув)// Там же. - С. 723-732.

Іваницький Я., Штаюра С., Костів Р., Мольков Ю. Оцінка тріщиностійкості матеріалів при двовісному навантаженні// Там же. - С. 697-702.

Анотація

Іваницький Я. Л. Методи оцінки тріщиностійкості конструкційних матеріалів за умов складного навантаження. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 01.02.04. - механіка деформівного твердого тіла. - Фізико-механічний інститут ім. Г. В. Карпенка Національної академії наук України, Львів, 2005 р.

Дисертація присвячена формулюванню теоретико-експериментальних основ встановлення гранично-рівноважного стану тіл з тріщинами за умов їх складного деформування, розробленню методик визначення характеристик статичної і циклічної тріщиностійкості конструкційних матеріалів і формуванню баз даних про ці характеристики, реалізації створених підходів для оцінки залишкового ресурсу деяких інженерних об'єктів. Об'єктом досліджень є процеси поширення макротріщин у конструкційних матеріалах за умов складного навантаження. Дослідження цих процесів здійснено в рамках концепцій і підходів механіки руйнування.

Для оцінки змішаного руйнування матеріалів розроблено розрахункову модель гранично-рівноважного стану тіла з тріщиною за тривісного статичного і циклічного навантажень на основі енергетичного критерію. Опірність матеріалу руйнуванню в умовах складного напруженого стану під статичним навантаженням визначали на основі діаграм гранично-рівноважного стану тіл з тріщинами, використовуючи силові та деформаційні характеристики тріщиностійкості матеріалів. Розроблено методики визначення характеристик статичної тріщиностійкості за умов змішаних механізмів руйнування конструкційних сталей, що дозволило встановити допустимі розміри дефектів опорних валків прокатного стану для заданих експлуатаційних умов навантаження.

Запропоновано новий підхід до визначення пружно-пластичних переміщень біля вершини тріщини на основі методу цифрової кореляції спекл-зображень деформованої поверхні матеріалу зразка. Це дозволило проаналізувати розподіл деформації і напружень біля вершини тріщини, встановити величину пластичної зони передруйнування, визначити величину деформацій і напружень за складного навантаження.

Для опису втомного руйнування в умовах складного навантаження запропоновано модель росту тріщини, яка ґрунтується на енергетичній концепції згідно з якою тріщина пошириться тоді, коли дисипація енергії пластичних деформацій у циклічній зоні передруйнування досягне значення циклічної енергії руйнування даного матеріалу. Побудовано розрахункову модель росту поверхневої втомної тріщини у стінці труби магістрального нафтопроводу із урахуванням пульсації робочого тиску і поздовжнього розтягу-стиску та встановлено залишковий ресурс роботи трубопроводу залежно від розміру початкового дефекту. Для ферм металевих конструкцій шахтних копрів розроблено методичні рекомендації прогнозування їх довговічності та залишкового ресурсу роботи.

Ключові слова: змішане руйнування, енергетичний підхід, двовісне навантаження, дисипація енергії пластичних деформацій, блочне навантаження, цифрова кореляція спекл-зображень.

АННОТАЦИЯ

Иваницкий Я. Л. Методы оценки трещиностойкости конструкционных материалов в условиях сложного нагружения. - Рукопись.

Диссертация на соискание учёной степени доктора технических наук по специальности 01.02.04 - механика деформируемого твёрдого тела. - Физико-механический институт им. Г. В. Карпенко Национальной академии наук Украины, Львов, 2005 г.

Диссертационная работа посвящена формированию теоретико-экспериментальных основ установления предельно-равновесного состояния тел с трещинами в условиях сложного деформирования, разработке методик определения характеристик трещиностойкости при статическом и циклическом нагружениях, формированию баз данных об этих характеристиках, реализации созданных подходов для определения остаточного ресурса инженерных объектов.

Объектом исследований являются процессы распространения макротрещин в конструкционных материалах, в условиях сложного нагружения. Изучали эти процессы в рамках концепций и подходов механики разрушения.

Для оценки смешанного разрушения материалов разработан энергетический критерий и модель предельно-равновесного состояния тел с трещинами при трехосном статическом и циклическом нагружениях. Согласно разработанной модели, разрушение произойдет, когда диссипация энергии пластической деформации в зоне предразрушения достигнет значения энергии разрушения, постоянного для данного материала. Для определения характеристик трещиностойкости материалов разработаны методики, которые базируются на силовой схеме совместного растяжения и кручения цилиндрических образцов. В случае смешанного разрушения (І + ІІ) используют пустотелый цилиндрический образец с боковыми надрезами. Смешанное разрушение (І + ІІІ) моделировали на цилиндрическом образце с внешней кольцевой трещиной. Сопротивление материалов разрушению при сложном напряженном состоянии оценивали на основе диаграмм трещиностойкости материалов.

Предложен новый подход для анализа упругопластических перемещений в окрестности вершины трещины на основании метода цифровой кореляции спекл-изображений поверхности образца. Это позволило провести анализ распределения деформаций и напряжений около вершины трещины, установить размер статической и циклической пластических зон предразрушения, измерить непосредственно из эксперимента параметры энергетического критерия разрушения.

Для описания усталостного разрушения при одновременной реализации трёх макромеханизмов разработана модель, которая базируется на первом законе термодинамики об акте распространения трещины в элементарном объеме металла, а также на положениях обобщенной _с -модели. В результате такого подхода получено уравнение для определения скорости роста усталостной трещины через величину диссипации энергии пластических деформаций в зоне предразрушения возле контура усталостной трещины. Для апробации этого уравнения, а также практического применения при установлении остаточного ресурса элементов конструкций, работающих в условиях сложного напряженного состояния при циклическом нагружении, разработана методика определения характеристик трещиностойкости. Методика предусматривает проведение усталостных испытаний и определение характеристик циклической трещиностойкости при реализации смешанных (І + ІІ) и (І + ІІІ) механизмов разрушения. На основе экспериментальных исследований строят кинетические диаграммы усталостного разрушения. Показано, что диаграммы lgV lg (скорость роста усталостной трещины - суммарная энергия пластических деформаций в зоне предразрушения) являются инвариантными характеристиками усталостного разрушения материалов и могут использоваться при определении остаточного ресурса элементов конструкций. Получена аналитическая зависимость скорости роста усталостной трещины с учётом эффектов закрытия трещины, а также влияния циклов перегрузки и недогрузки на сопротивляемость материала разрушению.

Определены допустимые нагрузки при эксплуатации крупногабаритных валков прокатного стана с внутренним произвольно ориентированным дефектом. Построена диаграмма предельного состояния валка прокатного стана в зависимости от размера дефекта.

Построена расчётная модель нагружения трубы с внутренней поверхностной трещиной магистрального нефтепровода с учётом двухосного нагружения и двухчастотностной пульсации рабочего давления. На основании сформулированной модели определен период докритического подрастания поверхностной усталостной трещины в стенке трубы. Для материала трубы после 30-летней эксплуатации определены характеристики циклической трещиностойкости. Построена диаграмма долговечности трубы в зависимости от начального дефекта и условий нагружения.

На основании сформулированных в работе моделей предложены методические рекомендации определения характеристик трещиностойкости материала при сложном напряженном состоянии, а также методические рекомендации определения остаточного ресурса металлоконструкций шахтных копров.

Ключевые слова: смешанное разрушение, цифровая спекл-кореляция, энергетический подход, диссипация энергии пластических деформаций, двухосное нагружение, регулярное нагружение, блочное нагружение.

ABSTRACT

Ivanytskyi Ya. L. The methods for estimations of crack growth resistance of structural materials for mixed-mode fracture mechanisms. - Manuscript.

Theses for a Degree of Doctor of Sciences (Engineering) in speciality 01.02.04 - Mechanics of Deformable Solids. - Karpenko Physico-Mechanical Institute of the National Academy of Science of Ukraine, Lviv, 2004.

The dissertation is devoted to creation of theoretical and experimental bases for establishment of the limit equilibrium state of bodies with cracks in the conditions of mixed mode stress state, dvelopment of methods for determination of characteristics of static and fatigue crack growth resistance of structural materials, and formation of data basis about threse characteristics, realization of the developed methods for assessment of the residual life of some enigineering structures. Macrocracks formation and development in the conditions of mixed mode fracture in structural materials is the subject of the investigation. The concepts and appraches of fracture mechanics are used for these processes investigation.

For estimation of the mixed mode fracture of materials the calculational model of the limit equilibrium state of a body with a crack under the triaxial static and cyclic loading on the basis of energy criterion is developed. The resistance of material to fracture in the conditions of the mixed mode stress state under static loading is determined on the basis of the crack growth resistance diagrams, which are built using the stress and the strain parameters. The methods of determination of static crack growth resistance characteristics for the mixed-mode fracture mechanisms are developed for structural steels, that allowed establishing the permissible dimensions of defects of the backup mill rolles under the given service loading conditions.

A new approach to determination of the elastic-plastic displacements at the crack tip on the basis of method of digital correlation of speckle images of the specimen surface at the crack tip is proposed. It allows conducting the analysis of strain and stress distribution at the crack tip, establishing the sizes of static and cyclic plastic zones, determining the deformation and energy characteristics under the mixed mode fracture.

For description of fatigue fracture under mixed mode loading the model of crack growth, based on the energy concept, according to which the crack propagates if the dissipstion of plastic deformation energy in the cyclic process zone attains the value of cyclic energy of material fracture, is proposed. A calculation model of the surface fatigue crack growth in a pipo main pipe wall with account of pressure alteration and longitudinal tension-compression was constructed. The residual life time of the main pipeline depending on the initial defect size was established. Metodical recommendations have been developed for prediction of life time and residual - life of the metal structures grinders of mining head-frames.

Keywords: mixed mode fracture, energy approach, biaxial loading, dissipation and plastic deformation energyregular, blosk loading, digital correlation of speckle-images.

Размещено на Allbest.ru

...