книги / Прочность конструкций при малоцикловом нагружении

Монография посвящена анализу условий работы высоконагруженных конструкций (энергетические установки, летательные аппа­ раты, роторы, сосуды давления, тонкостенные оболочечные кон­ струкции, сварные строительные конструкции, узлы разъемных соединений) и критериев эксплуатационного повреждения при ма­ лоцикловом нагружении. Излагаются методы расчетного и экспери­ ментального определения напряженно-деформированных и пре­ дельных состояний на образцах, моделях и натурных конструкциях.

Рассчитана на научных и инженерно-технических работников.

Ответственные редакторы

профессор, доктор технических наук Н. А. МАХУТОВ,

доктор технических наук А. Н. РОМАНОВ

ПРЕДИСЛОВИЕ

Расчет высоконагруженных элементов конструкций на малоцикло­ вую усталость — сложная задача, для решения которой необхо­ димо использовать результаты комплексного исследования как условий их нагружения, так и циклических свойств материалов. Сейчас оценки прочности конструкций на стадиях проектирования и эксплуатации либо основываются главным образом на углублен­ ном расчете их статической прочности, либо дополняются расче­ том на усталость и длительную прочность, в том числе с учетом соответствующих вероятностных представлений.

Однако в связи е нарастанием единичных мощностей совре­ менного оборудования при одновременном сокращении их метал­ лоемкости все более очевидной становится необходимость разви­ тия наряду с указанными выше методами традиционных расчетов на прочность новых методов расчетов ш Сопротивление малоцикловому разрушению, поскольку в экспериментальных условиях эксплуатации элементов машин в наиболее нагруженных зонах возникают местные упругопластические деформации. Последние в силу периодичности большинства рабочих процессов машин ока­ зываются повторными и, как правило, знакопеременными даже при пульсирующих циклах изменения номинальных параметров нагруженности. Такие условия деформирования вызывают по­ явление в рассматриваемых высоконагруженных зонах элементов конструкций (как правило, это зоны конструктивной концентра­ ции напряжений) эксплуатационных повреждений в виде трещин малоцикловой усталости и выход тем самым из строя наиболее от­ ветственных узлов машин.

Выпускаемая издательством «Наука» серия монографических публикаций по вопросам малоцикловой прочности, к которой от­ носится и настоящая монография, рассматривает в логической последовательности основные подходы к оценке сопротивления материалов и элементов конструкций циклическому упругопласти­ ческому деформированию и разрушению. В первой из этих моно­ графий — «Прочность при малоцикловом нагружении» (1975 г.) — изложены основополагающие аспекты методов оценки малоцик­ ловой прочности конструкционных материалов и методов их ис­ пытаний, приведены экспериментально обоснованные закономер­ ности деформирования и разрушения, которые описывают характер поведения материалов в рассматриваемых условиях нагружения. Следующая монография — «Поля деформаций при малоцикловом

3

нагружении» (1979 г.) — рассматривает методы и результаты ис­ следований напряженно-деформированных состояний в зонах кон­ центрации, их кинетику по циклам нагружения и достижение предельных состояний по условию накопленных повреждений. Мо­ нография «Прочность при изотермическом и неизотермическом мало­ цикловом нагружении» (1979 г.) распространяет описание зако­ номерностей сопротивления малоцикловому деформированию и разрушению на область высоких температур. Последняя из вышед­ ших в данной серии монографий — «Уравнения состояния при ма­ лоцикловом нагружении» (1981 г.) — обобщает полученные к это­ му времени результаты по описанию поведения материалов в усло­ виях циклического упругопластического деформирования для различных случаев нагружения, включая сложные его режимы, неоднородное напряженное состояние, температурно-временную кинетику свойств материалов, и дает с помощью соответствующих феноменологических зависимостей и модельных представлений описание указанных процессов деформирования.

В настоящей монографии рассматриваются вопросы малоцик- 10 вой прочности элементов конструкций различных типов обору­ дования, которым в процессе эксплуатации в наиболее значитель­ ной степени присущи эффекты малоцикловой усталости. В области энергетического машиностроения для элементов конструкций типа корпусов атомных реакторов, трубопроводов, элементов активной зоны, корпусов и роторов турбин, элементов разъемных соедине­ ний, теплообменных аппаратов, герметизирующих и компенси­ рующих элементов актуальны вопросы кинетических закономер­ ностей деформирования и перехода к предельным состояниям. Для этих конструкций важны вопросы моделирования эксплуатацион­ ных режимов по частотам, температурам и временам, разработка унифицированных методов расчета на прочность и долговечность при циклическом, длительном циклическом и термоциклическом нагружениях, учет специфики условий нагружения.

Для авиационных конструкций, к которым относятся элементы газотурбинных двигателей, включая диски турбин, лопатки тур­ бин и компрессоров, конструкции планера и шасси, в рассматри­ ваемом плане представляют интерес и исследуются закономерно­ сти накопления и суммирования длительных и циклических по­ вреждений при высоких температурах в условиях стационарного

ности, анализируются закономерности накопления эксплуата­ ционных повреждений на стадиях частичного повреждения тре­ щинами.

Применительно к тонкостенным конструкциям (сосуды давле­ ния, компенсирующие устройства, листовые и оболочечные кон­ струкции, торовые уплотнения) для оценки их малоцикловой прочности необходимы расчетный и экспериментальный анализ напряженно-деформированных состояний в кинетической постанов­ ке, особенностей возникновения предельных состояний по обра­

4

Глава 1

ПРОБЛЕМЫ ПРОЧНОСТИ И РЕСУРСА КОНСТРУКЦИЙ

ПРИ МАЛОЦИКЛОВОМ НАГРУЖЕНИИ

§ 1. ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ПРОЧНОСТИ И РЕСУРСА

Обеспечение прочности и ресурса машин и конструкций являет­ ся одним из наиболее важных условий повышения эффективности их применения в различных отраслях промышленности, снижения материалоемкости, освоения принципиально новых технологиче­ ских процессов, перехода на более высокие рабочие параметры. Это требует разработки новых методов расчетов на прочность, расчет­ ной и экспериментальной проверки нагруженности и долговеч­ ности, создания новых методов и средств определения служебных характеристик конструкционных материалов, развития техноло­ гических приемов и процессов упрочнения, методов и средств ана­ лиза состояния материала при изготовлении и эксплуатации, разработки мероприятий по восстановлению и увеличению ресур­ са. Решение указанных выше задач должно осуществляться на всех основных стадиях создания машин и конструкций — при проектировании, изготовлении, доводке и испытании и в эксплу­ атации. Аналогичные подходы используются при обосновании возможности продления ресурса безопасной эксплуатации или форсировании режимов действующих машин и конструкций.

Принципиальная схема, характеризующая стадии и этапы соз­ дания новых машин и конструкций, показана на рис. 1.1. На ста­ дии конструирования одним из основных элементов является определение запасов прочности и исходного ресурса безопасной эк­ сплуатации. При этом в расчетах прочности конструкторы исполь­ зуют исходные данные но основным рабочим параметрам машин и конструкций. Расчеты проводят с применением ЭВМ для опре­ деления усилий, температур, напряжений и деформаций с учетом эксплуатационных воздействий; в расчетах, как правило, исполь­ зуют данные по основным характеристикам механических свойств конструкционных металлов. Такие данные содержатся в норматив­ ных руководящих материалах, справочниках или получаются по результатам стандартных испытаний лабораторных образцов.

Для наиболее сложных узлов конструкций и условий нагру­ жения проводят испытания моделей для анализа напряженнодеформированных и предельных состояний. На стадии изготовле­ ния машин и конструкций большое внимание уделяется входному и текущему контролю механических свойств материалов и свар­ ных соединений и обеспечению их соответствия требованиям тех-

6

## Stf/K

MrjwfrA/f _ А#//0#7Д?#- ЛГС4&/77А/ _#г#А//7?##га /&»/#//• /700#### 0/700/70007# 0$7#0#0<f

^0000007#-

###,

Рис. 1.1. Схема основных задач создания машин и конструкций

нических условий. На этой же стадии осуществляется контроль фактической дефектности несущих элементов для получения ис­

Доводка и испытания головных и серийных объектов включают в себя стендовые испытания, в том числе на прочность и ресурс. Для этой цели используют испытательные стенды с воспроизведе­ нием основных эксплуатационных воздействий при нормальных и форсированных режимах работы.

Результаты расчетов на прочность при конструировании, контроля свойств и состояния дефектов при изготовлении и дан­ ные стендовых испытаний используют при обосновании и назна­ чении исходного ресурса.

При вводе машин и конструкций в эксплуатацию все большее значение приобретает контроль за их состоянием с определением эксплуатационных повреждений и остаточного ресурса. Для этих целей разрабатываются и создаются информационно-измеритель­ ные комплексы натурной тензометрии с многоточечной регистри­ рующей аппаратурой. Контроль за состоянием дефектов в процессе эксплуатации проводится методами и средствами ультразвуко­ вого и рентгеновского контроля, проникающих жидкостей, аку­ стической эмиссии и др. По результатам эксплуатационного конт­ роля прочности и ресурса производится уточнение режимов эксплуатации, оценка возможности перехода на форсированные режимы, а также определение и назначение остаточного ресурса.

7

Рис. 1.2. Схема решения вопросов прочности ресурса

Надлежащий уровень выполнения указанных выше разрабо­ ток вопросов прочности и ресурса позволяет сокращать сроки проектирования, энерго- и материалоемкость машин и конструк­

Общая постановка задач обоснования прочности и ресурса ма­ шин и конструкций на трех основных стадиях их создания (проек­ тирование, изготовление, эксплуатация) представлена на рис. 1.2 [1, 2, 3]. Эти задачи включают в себя три основных элемента:

—исходную информацию об условиях нагружения,

—расчетные и экспериментальные данные о номинальных и местных напряжениях в несущих элементах,

—критерии прочности для соответствующих условий нагру­ жения и основные расчетные уравнения.

Данные об условиях эксплуатационного нагружения являются

исходными при назначении основных расчетных параметров и последующих расчетов прочности и ресурса. К ним в первую очередь относятся механические нагрузки, вызываемые действием давления, веса, центробежных и других инерционных усилий, электромагнитных воздействий, усилиями затяга. Тепловые на­ грузки и напряжения обусловлены неравномерностью тепловых расширений из-за разности температур в пределах данного эле­ мента или сопрягаемых элементов, неоднородностью коэффициен-

8

тов линейного расширения применяемых конструкционных мате­ риалов при изотермических и неизотермических условиях. Одним из важнейших эксплуатационных факторов, определяющих проч­ ность и ресурс, является температура. Температурный фактор проявляется не только в упомянутом выше возникновении тем­ пературных напряжений, но и в существенном изменении расчет­ ных характеристик механических свойств конструкционных ме­ таллических материалов: увеличение температур приводит к сни­ жению сопротивления упругопластическим деформациям, а их снижение — к потере пластичности.

Многорежимность работы машин и конструкций с учетом уров­ ня механических и тепловых нагрузок, абсолютных значений тем­ ператур эксплуатации влияет на несущую способность и долго­ вечность наиболее нагруженных элементов. Ускоренная смена режимов и увеличение числа этих смен являются одними из основных причин ускоренного накопления повреждений и умень­ шения ресурса. Кроме того, сменность режимов приводит к допол­ нительному увеличению номинальной и местной нагруженности, что, в свою очередь, дает дополнительные эксплуатационные повреждения.

Так как большинство конструкционных материалов, исполь­ зуемых в широком диапазоне повышенных температур, обладает выраженными реологическими свойствами, то фактор времени становится важнейшим расчетным параметром прочности и ресур­ са. Увеличение времени работы на режимах с максимальными тем­ пературами способствует снижению сопротивления деформиро­ ванию и ускорению накопления повреждений металла в зонах с вы­ сокими местными напряжениями.

Усложнение условий работы машин и конструкций сопряжено с необходимостью учета при определении прочности и ресурса влияния окружающих сред на характеристики механического по­ ведения материалов. \Факторами сред, оказывающими такое влия­ ние, могут быть коррозия и эрозия от потоков газов и жидкостей, радиационные повреждения, водородная хрупкость, окисление. При этом часть сред имеет преимущественно поверхностное воз­ действие на материалы (коррозия, окисление), в других случаях воздействие сред приводит к изменению сопротивления образова­ нию и развитию разрушения по объему нагруженных деталей (ра­ диация, наводороживание) J

По данным об условиях эксплуатационного нагружения при расчетах прочности и ресурса определяется номинальная и мест­ ная нагруженность. С этой целью проводится анализ распределет ния усилий как между основными элементами машин и конструк­ ций, так и в пределах рассматриваемого элемента. Для такого анализа существенное значение имеет выбор и обоснование расчет­ ных схем, когда реальные конструктивные элементы заменяются соответствующими простейшими элементами или наборами (стерж­ ни, пластины, оболочки, кольца), а реальные усилия представ­ ляются соответствующими сосредоточенными или распределен-

9

ними усилиями для выбранных простейших элементов. В делом ряде случаев, характеризуемых сложным сочетанием элементов в расчетной схеме и повышенной степенью статической неопреде­ лимости, анализ распределения усилий требует моделирования соответствующих узлов и условий эксплуатационного нагружения.

Важное значение в определении номинальной и местной на­ пряженности имеет анализ распределения температур для стацио­ нарных и переходных режимов. В первом случае этот анализ по­ зволяет установить как сами температуры элементов, так и тепловые нагрузки (в том числе нагрузки термокомпенсации); во вто­ ром — температуры и градиенты температур по толщине элемен­ тов для различных моментов времени в переходном режиме. В этом анализе используют методы решения задач теплопровод­ ности, а при сложных формах конструктивных элементов и боль­ шой нестационарности тепловых процессов — экспериментальные методы термометрии.

По известным внешним нагрузкам (механическим и тепловым) в соответствии с выбранными расчетными схемами по формулам сопротивления материалов, теории пластин и оболочек устана­ вливаются номинальные напряжения в гладких частях несущих элементов и в местах действия краевых эффектов (места измене­ ния геометрических форм и сопряжения элементов различных форм). В большинстве случаев для определения номинальных на­ пряжений достаточно использовать предположение об упругом деформировании материалов; номинальные упругопластические деформации допускаются только при включении в системы высоконагруженных термокомненсирующих элементов или при крат­ ковременных программах и аварийных перегрузках.

Величины и распределения номинальных напряжений являют­ ся исходными для определения местных напряжений (механиче­ ских и температурных) в местах конструктивной концентрации напряжений (выточки, галтели, отверстия, витки резьбы и т. д.). Местные напряжения могут быть оценены на основе обширной справочной информации по теоретическим коэффициентам кон­ центрации напряжений, полученной из решения краевых задач теории упругости, а также из экспериментов (в частности, методом фотоупругости). Значительные возможности в определении мест­ ных напряжений в зонах концентрации связаны с расширяющим­ ся применением ЭВМ и численных методов решения краевых за­ дач (методы конечных элементов, конечных разностей, граничных интегральных уравнений). В большом числе случаев местные на­ пряжения в зонах концентрации (с учетом температурных и оста­ точных напряжений) могут превосходить предел текучести, обу­ словливая повторное упругопластическое деформирование.

Совместное рассмотрение режимов эксплуатационного нагру­ жения и местных напряженно-деформированных состояний по­ зволяет в расчетах прочности и ресурса перейти к анализу истории местной нагруженности и выявлению в ней циклов изменения местных напряжений и деформаций по их соответствующим

Й)