Размещено на http://www.allbest.ru/

10

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ФІЗИКО-МЕХАНІЧНИЙ ІНСТИТУТ ім. Г.В. КАРПЕНКА

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Оцінювання циклічної тріщиностійкості матеріалів із урахуванням залишкових пластичних деформацій

01.02.04 - механіка деформівного твердого тіла

Кунь Петро Степанович

Львів - 2010

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Фізико-механічному інституті ім. Г. В. Карпенка НАН України

Науковий керівник: доктор технічних наук, старший науковий співробітник

Іваницький Ярослав Лаврентійович,

Фізико-механічний інститут ім. Г. В. Карпенка НАН України (Львів), завідувач відділу конструкційної міцності матеріалів в робочих середовищах.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, старший науковий співробітник

Силованюк Віктор Петрович,

Фізико-механічний інститут ім. Г. В. Карпенка НАН України (Львів),

провідний науковий співробітник відділу фізичних основ міцності.

кандидат технічних наук, доцент

Пиндус Юрій Іванович,

Тернопільський національний технічний університет ім. І. Пулюя МОН України,

декан механіко-технологічного факультету.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Переважна більшість елементів конструкцій в процесі експлуатації перебуває в умовах змінного в часі навантаження. Прогнозування ресурсу роботи таких елементів конструкцій здійснюється на основі кінетичних діаграм втомного руйнування (КДВР), які визначають залежність швидкості росту втомної тріщини від коефіцієнта інтенсивності напружень (КІН).

Побудова КДВР здійснюється на основі експериментальних даних. Найсуттєвішими факторами, які необхідно враховувати при побудові діаграм тріщиностійкості матеріалів, є напружено-деформований стан біля вершини тріщини, явище передчасного контакту берегів втомної тріщини під час її росту та залишкові пластичні деформації як головна причина феномену закриття тріщини (яке вперше було виявлено і досліджено Елбером).

У цьому плані важливим є розроблення моделей, які дозволяють враховувати вплив зазначених факторів на зміну циклічної тріщиностійкості матеріалів в процесі її експериментального визначення. Значний вклад у розв'язання даної проблеми зробили як зарубіжні (Elber W., Rice J.R., Budiansky B., Hutchinson J. W., Schijve J., Russel S. G., Becker W., Gross D., Ritchie R.O., Suresh S., Newman, Lu, Wang G.S., Macha E., Ramulu M., Kobayashi A.S., Черепанов Г.П. та ін.), так і вітчизняні вчені (Андрейків О.Є., Дарчук О.І., Дацишин О.П., Іваницький Я.Л., Красовський А.Я., Никифорчин Г.М., Ориняк І.В., Осташ О.П., Панасюк В.В., Пиндус Ю.І., Покровський В.В., Романів О.М., Силованюк В.П., Стадник М.М., Трощенко В.Т., Ярема С.Я., Ясній П.В. та ін.).

В роботі розроблено теоретико-експериментальний підхід щодо визначення циклічної тріщиностійкості матеріалів і на цій основі прогнозування довговічності конструкційних матеріалів. Об'єктом досліджень є однорідне ізотропне пружно-пластичне тіло, що послаблене втомною тріщиною, береги якої контактують внаслідок наявності на них пластично здеформованого матеріалу.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана у відділі конструкційної міцності матеріалів у робочих середовищах Фізико-механічного інституту ім. Г.В. Карпенка в рамках завдань держбюджетних тем за відомчим замовленням НАН України:

· “Розробка методів оцінки тріщиностійкості і довговічності конструкційних матеріалів під динамічним і циклічним навантаженнями” (№ д/р 0100U018136, 1997-1999 рр.);

· “Дослідження втомного руйнування конструкційних матеріалів в умовах складного напруженого стану та під дією динамічного навантаження” (№ д/р 0100U004861, 2000-2002 рр.);

· “Розробка методів прогнозування росту втомних тріщин в конструкційних матеріалах при складному напруженому стані” (№ д/р 0103U003346, 2003-2005 рр.);

· “Розробка методів оцінки опірності конструкційних матеріалів руйнуванню у водні за складного напруженого стану” (№ д/р 0106U004808, 2006-2008 рр.);

а також в рамках госпдоговірної теми

· “Експертні дослідження корозії внутрішньої поверхні нафтопроводів та видача рекомендацій на антикорозійний захист” (№ г/д 2845, 2000-2002 рр.).

Мета і завдання дослідження. Метою проведених у роботі досліджень є cтворення теоретико-експериментального підходу для оцінки залишкової довговічності конструкційних матеріалів за циклічного одновісного, а також складного навантажень з урахуванням напружено-деформованого стану в зоні передруйнування.

Для досягнення мети в роботі потрібно було вирішити наступні задачі:

· сформулювати розрахункову модель циклічного деформування пружно-пластичного матеріалу при регулярному навантаженні із врахуванням напружено-деформованого стану в околі контура втомної макротріщини;

· на основі теоретичного визначення ефективниго розмаху КІН оцінити вплив історії навантаження на ріст втомних тріщин із урахуванням явища закриття берегів втомної тріщини, зумовленого пластичністю;

· розробити деформаційну модель втомного поширення тріщини при циклічному навантаженні на основі енергетичного критерію втомного руйнування пружно-пластичних тіл.

Об'єкт дослідження: пружно-пластичне тіло, послаблене автомодельною тріщиною, під дією циклічних навантажень.

Предмет дослідження: побудова наближених аналітичних формул для обчислення деформаційних параметрів процесу руйнування в околі вершини втомної тріщини, швидкості її росту в пружно-пластичних тілах при циклічному та нерегулярному навантаженнях.

Методи дослідження: методи механіки крихкого руйнування, теорії пружності, теорії пластичності, класичної втоми матеріалів, математичного аналізу, числові методи.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в наступному:

· Сформульовано розрахункову модель циклічного деформування пружно-пластичного матеріалу при регулярному навантаженні із урахуванням напружено-деформованого стану в околі контура втомної макротріщини.

· Запропоновано алгоритм поциклового аналізу росту втомної макротріщини при нерегулярному навантаженні пружно-пластичних тіл, використовуючи значення ефективного розмаху КІН.

· Розроблено модель втомного поширення тріщини при одновісному циклічному навантаженні на основі енергетичного критерію руйнування.

· Встановлено аналітичну залежність для визначення циклічної тріщиностійкості матеріалу (швидкості поширення в матеріалі втомної тріщини).

Практичне значення одержаних результатів полягає у наступному. На основі розробленої моделі росту втомних тріщин та даних технічної діагностики про розміри тріщиноподібних дефектів на внутрішній поверхні стінки нафтопроводу, встановлено залишковий ресурс труб і побудовано номограму допустимого робочого тиску у магістральному нафтопроводі “Кременчук-Херсон” на ділянці водних переходів через річки Псло і Дніпро.

Особистий внесок здобувача. Усі результати, що стосуються основного змісту дисертації, отримані здобувачем самостійно. Серед 16-ти наукових праць за темою дисертації роботи [1, 10] опубліковані без співавторів. У публікаціях [2-9, 11-16], які написані у співавторстві, здобувачеві належить проведення аналітичних викладок та числових розрахунків.

Апробація результатів дисертації. Основні результати досліджень, викладені у дисертації, доповідалися на 10-й Європейській конференції по механіці руйнування матеріалів (ECF-10) (Німеччина, Берлін 1994); 6-й Міжнародній конференції по малоцикловій втомі (LCF 6) (Німеччина, Берлін , 2008); на міжнародній конференції “Оцінка і продовження ресурсу елементів конструкцій” (Україна, Київ, 2000); 5_му та 8-му Міжнародному симпозіумі українських інженерів-механіків у Львові (Україна, Львів, 2001 та 2007).

Дисертаційна робота в цілому доповідалася й обговорювалася на наукових семінарах відділу конструкційної міцності матеріалів у робочих середовищах, загальноінститутському семінарі “Проблеми механіки крихкого руйнування” Фізико-механічного інституту ім. Г.В. Карпенка НАН України під керівництвом Панасюка В.В.

Публікації. Основні результати дисертації опубліковані у 16-ти роботах, з них 9 у рецензованих наукових журналах з Переліку фахових видань ВАК України та авторському свідоцтві.

Структура та обсяг роботи. Дисертаційна робота складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків, переліку літературних джерел (101 найменування) і додатку. Загальний обсяг роботи становить 140 сторінок тексту, в тому числі 54 рисунки та 3 таблиці.

Основний зміст роботи

У вступі вказано на актуальність теми досліджень, визначено мету роботи, сформульовано наукову новизну й обґрунтовано достовірність отриманих у роботі наукових результатів та їх практичне застосування. Визначено особистий внесок здобувача у публікаціях та рівень апробації результатів дисертації. навантаження деформаційний напруження циклічний

У першому розділі проаналізовано еволюцію розвитку методів вивчення втомної міцності та довговічності матеріалів в рамках підходів лінійної механіки руйнування. Зроблено аналіз існуючих формул для запису КДВР, які є результатом обробки експериментальних даних. Отримані діаграми служать за основу у подальших обчисленнях довговічності конкретних елементів конструкцій.

Останнім часом більше уваги приділяється розробці моделей втомного поширення тріщин з використанням енергетичного підходу, однак вони не досягли належного практичного застосування саме через математичні труднощі їх реалізації на конкретних інженерних задачах.

Складність руйнівних процесів біля вершини втомної тріщини не дозволяє здійснювати аналіз пружно-пластичного деформування в цій зоні у повному обсязі. На практиці застосовують різні наближені підходи і розрахункові моделі. Найбільш широко для цього використовують - модель Леонова-Панасюка, розроблену на випадок статичного навантаження. Узагальнення цієї моделі стосовно циклічного навантаження здійснили Будянський і Хатчинсон, використовуючи схему розвантаження Райса. Суть останньої полягає у наступному.

Розглянемо циклічний розтяг ідеального пружно-пластичного тіла, послабленого автомодельною тріщиною. При першому навантаженні зовнішнім максимальним зусиллям розкриття вершини тріщини і розмір пластичної зони визначимо безпосередньо із - моделі

, (1)

, (2)

де - значення КІН в момент , - границя текучості матеріалу, - модуль пружності.

Напружено-деформований стан в околі вершини тріщини після розвантаження до зусилля розглядається як результат суперпозиції розтягу зусиллями і стиску зусиллями , припускаючи що границя текучості дорівнює , оскільки напруження в циклічній пластичній зоні змінюються від до (ефект Баушінгера не враховано). В результаті довжина циклічної пластичної зона і розмах розкриття вершини тріщини , визначаються за формулами

, (3)

. (4)

У випадку циклічного навантаження із постійною асиметрією довжина циклічної пластичної зони і величина розкриття при мінімальному навантаженні циклу обчислюються із співвідношень

, (5)

. (6)

Згідно (5) і (6) після повного зняття зовнішніх навантажень до () у вершині тріщини є залишкове розкриття , а циклічна пластична зона в 4 рази менша за статичну. При цьому біля вершини тріщини діють залишкові стискаючі напруження. При подальшому поширенні втомної тріщини через пластично здеформований об'єм матеріалу, на її берегах виникнуть пластичні витяжки, які будуть причиною контакту берегів втомної тріщини біля її вершини.

Аналогічним чином можна описати і процес довантаження. При цьому для значення зусилля розкриття вершини тріщини рівне максимальній величині розкриття на першому циклі навантаження. Однак траєкторія їх досягнення (тобто проміжні значення розкриття ) суттєво відрізняються (див. рис. 8).

Викладена вище схема Райса продемонстрована на прикладі автомодельної тріщини, береги якої не взаємодіють (не контактують), та при умові плоского напруженого стану в околі вершини тріщини.

В реальних тілах біля контура вершини тріщини виникає неоднорідний напружено-деформований стан - від плоского напруженого стану на зовнішніх поверхнях до плоскої деформації у внутрішніх перерізах (рис. 1). Для оцінки напружено-деформованого стану використаємо коефіцієнт обмеження на пластичність , який визначається відношенням максимального напруження в зоні пластичності до границі текучості при одновісному розтязі, тобто

. (7)

Величина є ефективною границею текучості матеріалу.

Оскільки розподіл напружень у пластичній зоні залежить від співвідношення головних напружень, то значення цього коефіцієнта обчислюється із умови пластичного течіння Губера-Мізеса, яка в головних напруженнях задана співвідношенням

. (8)

Рівняння, які описують розподіл напружень біля вершини тріщини в головних осях, записуються так

. (9)

Тут - КІН при нормальному розтязі тіла з тріщиною; - параметри локальної полярної системи координат у вершині тріщини; - коефіцієнт Пуассона.

Із рівнянь (8), (9) можна встановити, що при значеннях і для плоского напруженого стану , а для плоскої деформації . Тобто при плоскій деформації максимальні напруження, що перпендикулярні до площини тріщини і при яких досягається стан текучості матеріалу, можуть перевищувати границю текучості в три рази.

Тому оцінювання напружено-деформованого стану в зоні передруйнування з використанням параметра при моделюванні росту втомної макротріщини має важливе значення для підвищення точності кінцевих розрахункових результатів.

У другому розділі розглянуто узагальнену постановку задачі про циклічний одновісний розтяг площини, послабленої центральною автомодельною тріщиною за довільного напружено-деформованого стану біля її контура (рис. 2).

Рис.2. Схема циклчіного розтягу площини з тріщиною

На лінії тріщини задано граничні умови при максимальному і мінімальному значеннях зовнішнього навантаження:

;	;
.	;
	.

Принциповим моментом у граничних умовах задачі є використання коефіцієнта обмеження на пластичність , який враховує вплив тривісного напруженого стану на процес пластичного деформування матеріалу. При заданих граничних умовах необхідно встановити закономірності пружно-пластичного деформування та визначити невідомі розміри пластичних зон (статичних і циклічних), зони контакту та величину переміщення берегів тріщини.

Розв'язок поставленої задачі за максимального навантаження циклу (для зміщення берегів модельного розрізу та розміру статичної пластичної ділянки) випливає із класичної - моделі. На півциклі розвантаження задача зводиться до визначення невідомої функції розподілу контактних напружень із сингулярного інтегрального рівняння Коші

, (10)

де .

Розв'язок інтегрального рівняння (10) є таким

(11)

Рис.3. Розподіл контактних напружень



Рис.4. Розподіл переміщень берегатріщини в зоні циклічних деформацій за різних умов навантаження

Із умов обмеження напружень на кінці циклічної пластичної зони та контактних напружень на краю області контакту знаходимо величини і шляхом розв'язування системи рівнянь

. (12)

Числовий розв'язок системи рівнянь (12) уможливлює в рамках запропонованої моделі повне визначення пружно-пластичної ситуації біля вершини втомної тріщини за довільних значень асиметрії циклу навантаження та проміжних значень як в процесі навантаження , так в процесі розвантаження.

Результати обчислень, представлені на рис. 5, вказують на значний вплив контакту берегів тріщини на розміри циклічних пластичних зон при малих асиметріях циклічного навантаження, оскільки кінцеві результати можуть відрізнятися майже у три рази. До подібних висновків приводить аналіз таблиці 1, звідки випливає, що з ростом параметра (при переході до плоскої деформації) відносні деформаційні параметри циклічних пластичних зон та зон контакту берегів тріщини перевищують у 4 рази відповідні величини для плоского напруженого стану. Тому недопустимо нехтувати ні контактом берегів тріщини, ні напружено-деформованим станом в зоні передруйнування при дослідженні втомних процесів, особливо для малих значень .

Рис. 5. Зміна пластичних зон за цикл навантаження при віднульовій асиметрії: статичної (лінія 1) та циклічних на розвантаженні (-) (лінії 3, 5) та довантаженні (+) (лінії 2, 4); суцільні лінії - безконтактний рух берегів, пунктир - при контакті берегів тріщини

Рис. 6. Залежність зони контакту берегів втомної тріщини від асиметрії навантаження (лінія 3); точки першого контакту при розвантаженні (лінія 1); точки максимального прогину ідеальної (без пластичних витяжок) тріщини (лінія 2)

Таблиця 1

Значення деформаційних параметрів для різних напружено-деформованих станів

R	ПНС ()	ПД ()
0	0.092	?	0.144	0.393	?	0.474
0.2	0.085	1.55	0.133	0.327	0.447	0.407
0.4	0.063	0.216	0.102	0.199	0.029	0.259
0.6	0.034	0.031	0.059	0.090	0.0010	0.118
0.8	0.0096	0.0017	0.018	0.027	0.000004	0.029
1	0	0	0	0	0	0

У третьому розділі на основі результатів попереднього розділу проведено теоретичний розрахунок КІН , що відповідає моменту повного відкриття тріщини, за різних значень асиметрії навантаження та запропоновано алгоритм поциклового аналізу росту втомної тріщини при зовнішніх навантаженнях зі змінною амплітудою.

При стабілізованому регулярному циклічному навантаженні для значень та в околі вершини автомодельної макротріщини розподіл деформаційних та силових параметрів схематично зображено на рис. 7.



Рис.7. Схема переміщення берегів модельного розрізу при максимальному і мінімальному навантаженні циклу: I - статична пластична зона; II - циклічна пластична зона; III - закрита частина тріщини; IV - відкрита частина тріщини.

Величина визначається із умови рівності КІН від зміни зовнішніх навантажень і від контактних напружень в момент відкриття тріщини

(13)

Результати, обчислені за формулою (13), наведені в таблиці 2 та рис. 8. Показано, що максимальний вплив напружено-деформованого стану в околі вершини тріщини на величину досягається при віднульовій асиметрії навантаження і його значення при плоскій деформації перевищує відповідне значення при плоскому напруженому стані більше ніж у два рази.

На рис. 9 продемонстровано залежність розкриття вершини втомної тріщини впродовж циклу навантаження при віднульовій асиметрії циклічного навантаження та порівняння їх з переміщеннями ідеальної (безконтактної) тріщини. Показано особливості їх поведінки в моменти закриття та відкриття тріщини, суть яких полягає в тому, що незалежно від наявності пластичних витяжок на берегах втомної тріщини, переміщення її вершини на півциклі розвантаження завжди є більшими від переміщень на півциклі навантаження для однакових значень параметра за умови . Однак у випадку ідеальної тріщини ця різниця буде значно більшою. Вказані особливості стосується не тільки вершини втомної тріщини, а і будь-якої точки на березі модельного розрізу.

Таблиця 2

Залежність від асиметрії циклу навантаження та напружено-деформованого стану

R
	ПНС ()	()	ПД ()
0	0.557	0.386	0.264
0.2	0.571	0.414	0.310
0.4	0.617	0.497	0.435
0.6	0.699	0.632	0.607
0.8	0.825	0.805	0.800
1	1	1	1

Отримані результати добре корелюють із експериментальними даними Ельбера та Шійве. А всі відомі результати розташовуються у смузі, обмеженій кривими 1 та 3 на рис. 8.

Рис. 8. Залежність розрахункових та експериментальних даних для



Рис. 9. Графічна інтерпретація закриття берегів тріщини (лінії 4, 5) для віднульової асиметрії ; лінії 1, 2, 3 - ідеальна тріщина

На основі знайдених величин можна визначити ефективний розмах КІН , який є важливим параметром при аналізі теоретичних та експериментальних досліджень росту втомних тріщин (встановлення діаграм циклічної тріщиностійкості матеріалу).

Можливості практичного застосування моделі для аналізу росту втомних тріщин за різних умов навантаження проілюстровані на рис. 10. Тут наведені КДВР алюмінієвого сплаву 7050-Т76 для низки значень асиметрії циклу навантаження. В координатах “швидкість росту тріщини - розмах КІН ” вони описуються різними залежностями. Однак, якщо їх привести до значень ефективного розмаху КІН , то діаграми для всіх значень асиметрії практично співпадають.



Рис. 10. Швидкість росту втомних тріщин

при різних значеннях асиметрії навантаження:

а) - в координатах ~ , б) - в координатах ~

Запропоновані залежності можна використати для визначення параметрів напружено-деформованого стану біля вершини тріщини за умов навантаження зі змінною в часі амплітудою при будь-яких проміжних значеннях КІН. Особливістю застосування отриманого розв'язку до загальних умов навантаження є те, що висота пластичних витяжок (функція h(x)), наперед невідомі і визначаються в процесі покрокового (цикл за циклом) розрахунку росту тріщини відповідно до заданої історії навантаження. Цей розрахунок здійснюється за таким алгоритмом:

1) виходячи із пружно-пластичної ситуації, яка склалася в кінці попереднього (і-1)-го циклу навантаження і яка характеризується відповідними значеннями пластичних зон (статичної, циклічної), зони контакту та контактних напружень, згідно з (13) визначається КІН відкриття тріщини і ефективний розмах КІН на наступному (і-му) циклі навантаження

(14)

2) на основі експериментально встановленої КДВР матеріалу приріст тріщини за даний цикл навантаження визначається так

(15)

3) зміщення берегів модельного розрізу при навантаженні знаходяться за співвідношенням (16), де враховано вплив залишкових напружень, попереду тріщини. А величина визначається із рівняння (17).

(16)

(17)

4) на основі наведеного вище розв'язку розглядається напружено-деформований стан на півциклі розвантаження (). При цьому приймається, що пластичні витяжки в усіх точках тріщини (в зоні контакту і на вільних берегах) залишаються незмінними, а на новоутвореній поверхні вони рівні зміщенню берегів тріщини . Ця умова зводиться до вигляду

(18)

Тут .

Запропонований алгоритм розрахунку використано для аналізу росту втомної тріщини в алюмінієвому сплаві за регулярного навантаження із разовим перевантаженням (Рис. 11а). На рис. 11 наведені графіки зміни висоти пластичних витяжок, КІН відкриття тріщини та швидкості її поширення в залежності від приросту тріщини після перевантаження. При цьому розрахункові значення швидкості росту тріщини добре узгоджуються із даними прямих експериментальних вимірювань, отриманих Ванґом і Бломом.



Рис. 11. Схема навантаження із разовим перевантаженням (а) і зміна висоти пластичних витяжок (б), КІН відкриття тріщини (в) та швидкості росту тріщини (г) в залежності від приросту довжини тріщини після перевантаження

У четвертому розділі представлено розробку деформаційних моделей втомного росту макротріщини при одновісному циклічному та складному пропорційному навантаженнях, які дозволяють встановлювати КДВР на основі теоретичного підходу з обгрунтуванням фізичного змісту та зв'язку параметрів, що входять в аналітичний запис КДВР, з механічними характеристиками матеріалу.

Розглянемо безмежну пластину із ідеального пружно-пластичного матеріалу, яка послаблена автомодельною тріщиною і піддана дії циклічних навантажень (рис 12, а). Потрібно визначити швидкість поширення тріщини в умовах заданого регулярного навантаження з урахуванням найважливіших ефектів циклічного пластичного деформування.

Інтерпретуємо швидкість поширення тріщини як швидкість взаємного зближення розрахункового елемента і вершини тріщини в області передруйнування, де він із стану абсолютної цілісності переходить в стан повного розриву. Руйнівний процес розрахункового елемента здійснюється там, де появляється петля гістерезиса на діаграмі “напруження - деформація”, тобто на ділянці циклічно змінних пластичних деформацій (рис 12, б).

Рис. 12. Схематичне зображення зони передруйнування (а) та діаграми циклічного розтягу елементарного об'єму матеріалу при наближенні його до вершини тріщини (б)

Повну енергію руйнування розрахункового елемента можна записати у вигляді

. (19)

де , - відповідно статична і циклічна складові. При цьому на основі діаграми розтягу для ідеального пружно-пластичного тіла справедливі залежності

; . (20)

. (21)

Враховуючи рівняння енергетичного балансу (19) та приймаючи швидкість наближення елемента до вершини тріщини скрізь ділянку циклічних пластичних деформацій постійною , залежність швидкості росту тріщини від енергетичних параметрів набуде вигляду

, (22)

де ; - функція впливу асиметрії циклу навантаження, яка знаходиться шляхом інтерполяційних перетворень числових розв'язків для модельних деформаційних параметрів.

, (23)

Використовуючи відомий для автомодельної тріщини зв'язок між деформаційними параметрами та силовим параметром, формула для швидкості росту втомної тріщини прийме вигляд

(24)

де - показник циклічного зміцнення.

Результати співставлень розрахункових кривих з експериментальними даними Яснія П.В. для корпусної сталі, наведені на рис. 13, вказують на правомірність використання отриманої формули для розрахунку КДВР.

Рис. 13. Залежність швидкості росту втомних тріщин від КІН при різних значеннях асиметрії навантаження: лінії - розрахунок; точки - експериментальні дані; а) - в координатах ~ , б) - в координатах ~

Аналогічний підхід було використано при виведенні формули для швидкості поширення тріщини на випадок складного пропорційного навантаження та одночасної реалізації трьох механізмів руйнування.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ І ВИСНОВКИ

У роботі вирішено науково-технічну задачу оцінювання довговічності конструкційних матеріалів за експлуатаційних умов. Це досягається шляхом врахування особливостей циклічного деформування матеріалу для довільного напружено-деформованого стану. Основні наукові та практичні результати, одержані в дисертації, такі:

1. Узагальнено розрахункову модель циклічного деформування пружно-пластичного матеріалу при регулярному навантаженні із урахуванням умов напружено-деформованого стану в околі контура втомної макротріщини:

? встановлено розрахункові залежності деформаційних параметрів моделі від значень асиметрії циклу навантаження;

? теоретично визначено ефективний розмах КІН.

2. Показано, що максимальний вплив напружено-деформованого стану на величину проявляється за віднульвої асиметрії циклу навантаження і при цьому його значення за умов плоскої деформації перевищує відповідне значення за умов плоского напруженого стану в 1.67 раза.

3. Досліджено післядію разового перевантаження та блочного навантаження на зміну швидкості росту втомної тріщини при регулярному навантаженні.

4. На основі використання пластичної складової деформацій розроблено енергетичний критерій втомного руйнування пружно-пластичних тіл послаблених макротріщинами.

5. Сформульовано розрахункову модель втомного поширення тріщини при циклічному навантаженні.

6. Встановлено аналітичну залежність для визначення швидкості поширення втомної тріщини за одновісного циклічного навантаження із врахуванням циклічного деформаційного зміцнення матеріалу.

7. Визначено залишковий ресурс труби магістрального нафтопроводу “Кременчук - Херсон” за експлуатаційних умов на водному переході річки Псло та передано рекомендації підприємству “Придніпровські магістральні нафтопроводи” щодо величин робочого тиску у трубопроводі.

ПЕРЕЛІК ПУБЛІКАЦІЙ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Кунь П. С. Реверсивно-деформаційна модель втомного поширення тріщин в пружно-пластичних тілах / Кунь П. С. // Машинознавство. - 2001. - № 4-5. - С. 42-45.

2. Андрейків О.Є. Моделювання росту втомних макротріщин із врахуванням історії навантаження /Андрейків О.Є., Дарчук О.І., Кунь П.С. // Доповіді НАН України, 2002, № 12. - С. 26 - 32.

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

4. Панасюк В. В. Моделювання втомного поширення тріщини за умов складного навантаження / Іваницький Я. Л., Кунь П. С. // Вісник Дніпропетровського університету. Механіка. 2006 №2 - С. 142-146.

5. Іваницький Я.Л. Розрахункова модель росту втомної тріщини у водні /Іваницький Я.Л., Кунь П.С., Штаюра С. Т. // Проблеми корозії та про-тикорозійного за-хис-ту матеріалів: В 2-х т. / Львів: ФМІ НАНУ, 2008,- т.1.- -С. 96-99.

6. Штаюра С. Т. Особливості деформуван-ня вуглецевої сталі біля вершини тріщини за циклічного навантаження у водні /Штаюра С. Т., Мольков Ю. В., Кунь П.С., Ленковський Т.М.// Проблеми корозії та про-тикорозійного за-хис-ту матеріалів: В 2-х т. / Львів: ФМІ НАНУ, 2008,- Т.1.- -С. 106-110.

7. Іваницький Я.Л. Теоретико-експериментальний підхід до оцінки втомного поширення тріщин у наводнених матеріалах /Іваницький Я.Л., Кунь П.С., Штаюра С. Т., Мочульський В.М.// Фізико-хімічна механіка матеріалів. - 2010.- №2.- С.67-76.

8. А. с. 1435996 (СССР) МКИ⁴G01N3/00. Образец для определения характеристик трещиностойкости материалов при поперечном сдвиге / A. Е. Андрейкив, Я. Л. Иваницкий, В. А. Зазуляк и др. - Опубл. 08.07.88. Бюл. № 41.

9. Panasyuk V.V. Analysis of short and long fatigue cracks growth kinetics under non-regular loading / Panasyuk V.V., Andreykiv O.Ye., Darchuk O.I. and Kun. P.S. // Structural integrity: experiments, models and applications. -Proc. 10th European Conf. on Fracture. -EMAS, 1994. - Pp. 1271-1276.

10. Кунь П. С. Моделювання поведінки втомних тріщин при навантаженні зі змінною амплітудою / Кунь П. С. // Механіка руйнування матеріалів і міцність конструкцій. - Львів: Каменяр. - 1999. - В.2 - С. 104 - 108.

11. Дарчук О.І. Розрахунок впливу асиметрії навантаження на швидкість росту втомних тріщин / Дарчук О.І., Кунь П.С. //Матер. IV Міжнародного симпозіуму “Механіка і фізика руйнування будівельних матеріалів і конструкцій”. - Тернопіль. -2000. -С. 80-87.

12. Дарчук О.І. Прогнозування втомного руйнування елементів конструкцій у рамках моделі закриття тріщини / Дарчук О.І., Кунь П.С. // Механіка і фізика руйнування будівельних матеріалів та конструкцій: збірник наук. праць. - Вип. 5. -Львів, Каменяр -2002. - С. 54-62.

13. Іваницький Я.Л. Ріст втомної тріщини в умовах блочного навантаження / Іваницький Я.Л., Кунь П.С. // Механика руйнування матеріалів і міцність конструкцій. - 2004.- С. 653-658.

14. Іваницький Я.Л. Оцінка опірності конструкційних матеріалів втомному руйнуванню за складного навантаження /Іваницький Я. Л., Кунь П. С.// Механічна втома металів: Пр. XIII Міжн. кол. 25-28 вересня 2006 р. - Тернопіль - С. 344-350.

15. Panasyuk V.V. Modeling of fatigue crack propagation under mixed modes loading using an energy approach/Panasyuk, V.V., Ivanytskyi Ya.L. and Kun. P.S.// Sixth International Conference on Low Cycle Fatigue. - DVM, 2008. - Pp. 551-556.

16. Іваницький Я.Л. Моделювання втомного руйнування конструкційних матеріалів за експлуатаційних умов / Іваницький Я. Л., Кунь П. С. // Матер. IV Міжнародної конференції “Механіка руйнування матеріалів і міцність конструкцій”. - Львів - 2009.- С. 533-638.

АНОТАЦІЯ

Кунь П.С. "Оцінювання циклічної тріщиностійкості матеріалів з урахуванням залишкових пластичних деформацій". - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 01.02.04 - механіка деформівного твердого тіла. - Фізико-механічний інститут ім. Г. В. Карпенка Національної академії наук України, Львів, 2010 р.

Дисертація присвячена розробленню теоретико-експериментального підходу для оцінки залишкової довговічності конструкційних матеріалів із врахуванням історії навантаження. У дисертації сформульовано узагальнену розрахункову модель циклічного деформування пружно-пластичного матеріалу при регулярному навантаженні для довільного напружено-деформованого стану в околі контуру втомної макротріщини. Побудовано наближені аналітичні залежності для обчислення деформаційних параметрів моделі та ефективного значення КІН. Це дозволило на основі енергетичного підходу розробити модель втомного поширення тріщини при одновісному циклічному навантаженні. Запропоновано алгоритм розрахунку росту втомної тріщини при нерегулярному навантаженні. Результати досліджень використано при визначеннні залишкового ресурсу труби магістрального нафтопроводу “Кременчук - Херсон” за експлуатаційних умов на водному переході річки Псло та передані рекомендації підприємству “Придніпровські магістральні нафтопроводи”.

Ключові слова: Пружно-пластичне тіло, напружено-деформований стан, втомна тріщина, деформаційна модель, закриття тріщини, ефективний КІН, енергетичний критерій руйнування, швидкість росту тріщини, кінетична діаграма втомного руйнування.

Kun P. S. "Assessment of fatigue crack growth resistance of materials taking into account residual plastic strain". - Manuscript.

Thesis for a degree of Candidate of sciences (Enginneering) speciality 01.02.04 - Mechanics of Deformable Solids. - Karpenko Physico-Mechanical Institute of the Nationa Academy of Science of Ukraine, Lviv, 2010.

Dissertation is devoted to development of theoretical-experimental approach for the estimation of residual life of structural materials taking into account the loading history. In the dissertation the generalized calculation model of cyclic deformation of the elasto-plastic material is formulated under cyclic loading for the arbitrary stress and strain state in the vinicity of fatigue macrocrack contour. Approximate analytical dependences are built for the calculation of deformation parameters of the model and effective SIF value. It allowed on the basis of the energy approach to develop the model of fatigue crack propagation under uniaxial cyclic loading. The algorithm of calculation of fatigue crack growth under irregular loading is proposed. The results of researches have been used for determination of the life time of the pipe of main oil pipeline "Kremenchuk - Kherson" under operation conditions on the aquatic passage of the Pslo river and recommendations have been passed to the enterprise "Prydniprovski main oil pipelines".

Keywords: Elasto-plastic body, stress and strain state, fatigue crack, deformation model, crack closure, effective SIF, energy criterion of fracture, crack growth rate, kinetic diagram of fatigue fracture.

Кунь П. С. "Оценивание циклической трещиностойкости материалов с учетом остаточных пластических деформаций". - Рукопись.

Диссертация на получение научной степени кандидата технических наук за специальностью 01.02.04 - механика деформівного твердого тела. - Физико-механический институт им. Г. В. Карпенка Национальной академии наук Украины, Львов, в 2010 г.

Диссертация посвящена разработке теоретико-експериментального подхода для оценки остаточной долговечности конструкционных материалов с учетом истории нагружения. В диссертации сформулирована обобщенная расчетная модель циклического деформирования упруго-пластического материала при регулярной нагрузке для произвольного напряженно-деформированного состояния в окрестности контура усталостной макротрещины с учетом контакта берегов трещины, вызванного остаточными пластическими деформациями.

Задача сведена к решению сингулярного интегрального уравнения Коши относительно функции распределения контактных напряжений. Построены приближенные аналитические зависимости для вычисления деформационных параметров модели (перемещения берегов трещины, зоны циклических пластических деформаций, участки контакта берегов трещины) и эффективного значения КИН в зависимости от условий циклического нагружения (коэффициента асимметрии).

Это позволило на основе энергетического подхода с учетом упруго-пластической ситуации в окрестности вершин макротрещины разработать модель усталостного распространения трещины при одноосном циклическом нагружении. Предложено алгоритм расчета роста усталостной трещины при нерегулярном нагружении. Исследовано влияние блочного нагружения и разовой перегрузки на рост усталостной трещины.

Результаты исследований использованы при определении ресурса трубы магистрального нефтепровода "Кременчуг - Херсон" при эксплуатационных условиях на водном переходе реки Псло и переданы рекомендации предприятию "Приднепровские магистральные нефтепроводы".

Ключевые слова: Упруго-пластичное тело, напряженно-деформированное состояние, усталостная трещина, деформационная модель, закрытие трещины, эффективный КИН, энергетический критерий разрушения, скорость роста трещины, кинетическая диаграмма усталостного разрушения.

Размещено на Allbest.ru

...