Оценка ресурса судовых конструкций в условиях циклического нагружения тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.08.03, доктор технических наук Аносов, Анатолий Петрович

• Аносов, Анатолий Петрович
• доктор технических наук
• 2001

Оглавление диссертации доктор технических наук Аносов, Анатолий Петрович

ВВЕДЕНИЕ.

1. АНАЛИЗ УСТАЛОСТНЫХ ПОВРЕЖДЕНИЙ СУДОВЫХ КОНСТРУКЦИЙ.

1.1. Усталостные повреждения корпусных конструкций от участия в общем изгибе.

1.2. Анализ повреждений от волновой вибрации.

1.3. Анализ повреждений, вызванных местной вибрацией корпусных конструкций.

2. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ МЕТОД ИССЛЕДОВАНИЯ УСТАЛОСТИ МАТЕРИАЛОВ СУДОВЫХ КОНСТРУКЦИЙ.

2.1. Необратимые затраты энергии при деформировании материала и уровень его поврежденности.

2.2. Механизм накопления усталостных повреждений на начальных стадиях многоцикловой усталости.

2.3. Исследование особенностей процесса накопления усталостных повреждений судостроительных сталей вихретоковым методом.

2.4. Методы исследования необратимых затрат энергии при циклическом деформировании.

2.5. Фазометрический метод исследования необратимых затрат энергии при циклическом деформировании.

2.6. Векторные диаграммы.

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЦИКЛИЧЕСКОЙ ПРОЧНОСТИ СУДОСТРОИТЕЛЬНЫХ СТАЛЕЙ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИМ МЕТОДОМ.

3.1. Исследование параметров упругопластического деформирования судостроительных сталей при многоцикловой усталости.

3.2. Исследование теплового эффекта циклических деформаций судостроительных сталей.

3.3. Методика исследования необратимых затрат энергии при циклическом деформировании при различных видах напряженного состояния.

3.4. Результаты исследования необратимых затрат энергии при циклическом деформировании судостроительных сталей.

3.5. Исследование циклической трещиностойкости низколегированной стали 10ХСНД.

3.6. Линеаризация зависимостей фазового сдвига от уровня деформации для судостроительных сталей.

4. ОЦЕНКА ПОВРЕЖДЕННОСТИ И КРИТЕРИИ ПРОЧНОСТИ СУДОСТРОИТЕЛЬНЫХ СТАЛЕЙ НА ОСНОВЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ.

4.1. Критерий циклической прочности судостроительных сталей в условиях плоского напряженного состояния. Оценка поврежденности.

4.2. Критерий циклической прочности судостроительных сталей при изгибе.

5. МОДЕЛЬ ВЯЗКОУПРУГОГО ТЕЛА ПРИ ЦИКЛИЧЕСКОМ ДЕФОР -МИРОВАНИИ В ОБЛАСТИ МНОГОЦИКЛОВОЙ УСТАЛОСТИ ДЛЯ СУДОСТРОИТЕЛЬНЫХ СТАЛЕЙ.

5.1. Анализ известных моделей вязкоупругого тела.

5.2. Анализ уравнений деформирования простейших механических моделей вязкоупругого тела.

5.3. Анализ решения дифференциального уравнения стандартного линейного твердого тела (СЛТТ).

5.4. Определение параметров упругости и вязкости трехпараметрической модели твердого тела (CJITT).

5.5. Анализ результатов определения параметров стандартного линейного твердого тела (CJITT).

5.6. Некоторые замечания по поводу формы петли динамического гистерезиса.

5.7. Дифференциальное уравнение деформирования для четырехпараметрической модели твердого тела и его решение.

5.8. Определение параметров упругости и вязкости четырехпараметрической модели твердого тела.

6. ЗАДАЧА УПРУГОПЛАСТИЧЕСКОГО ДЕФОРМИРОВАНИЯ В НЕЛИНЕЙНОЙ ПОСТАНОВКЕ.

6.1. Постановка задачи.

6.2. Определение площади петли гистерезиса при синусоидальном изменении нагрузки и представлении деформации в виде тригонометрического ряда.

6.3. Определение фазового сдвига между напряжением и деформацией при сложногармоническом нагружении.

6.4. Определение параметров вязкости материала.

6.5. Решение нелинейного дифференциального уравнения циклического деформирования методом конечных разностей.

Анализ результатов.

6.6. Решение нелинейного дифференциального уравнения циклического деформирования методом Бубнова-Галеркина.

Анализ результатов.

6.7. Решение нелинейного дифференциального уравнения циклического деформирования при более сложных видах зависимости вязкости от деформации.

7. ОЦЕНКА ЦИКЛИЧЕСКОЙ ПРОЧНОСТИ СУДОСТРОИТЕЛЬНЫХ

СТАЛЕЙ В ОБЩЕМ СЛУЧАЕ ТРЕХОСНОГО НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ.

7.1. Описание деформирования материала при циклическом нагру-жении в комплексной форме.

7.2. Комплексное представление упругих констант материала и связь между ними.

7.3. Обобщенный закон Гука при упругопластическом циклическом деформировании в комплексной форме.

7.4. Определение суммарной необратимо затраченной за цикл деформирования энергии при трехосном напряженном состоянии.

7.5. Функция суммарной необратимо затраченной за цикл деформирования энергии при трехосном напряженном состоянии. Диаграмма предельных относительных амплитуд напряжений.

8. РАСЧЕТЫ ЦИКЛИЧЕСКОЙ ПРОЧНОСТИ СУДОВЫХ КОНСТРУКЦИЙ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ ВИДАХ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ.

8.1. Подходы к расчетам циклической прочности судовых конструкций.

8.2. Анализ формы предельной поверхности амплитуд главных напряжений и ее аппроксимация.

8.3. Обоснование зависимостей для расчетов циклической прочности судовых пластин при двухосном изгибе.

8.4. Критерии усталостной прочности судостроительных сталей для различных видов напряженного состояния при симметричном цикле нагружения.

8.5. Расчетное определение эффективных коэффициентов концентрации напряжений.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Оценка ресурса судовых конструкций в условиях циклического нагружения»

Проектирование конкурентоспособных образцов техники требует постоянного совершенствования методов расчета прочности. Это в значительной мере относится и к области судостроения - одной из наиболее наукоемких и быстро развивающихся отраслей. Характерной чертой развития судостроения является постоянное усложнение или возрождение на новой основе традиционных фундаментальных проблем прочности. В этой связи понятно и интересно обращение известных кораблестроителей к философским аспектам этих проблем, одной из которых является усталость судовых конструкций [137]. Некоторые мысли автора указанной статьи уместно процитировать в обоснование актуальности данной работы:

Усложнение некой проблемы, вообще, и проблемы усталости, в частности, с развитием техники идет быстрее, чем ее решение, несмотря на рост числа исследователей и совершенствование экспериментальной базы. И хотя имеются большие достижения и успехи, число острых нерешенных вопросов не уменьшается. Здесь наглядно проявляется принципиальная разница между двумя типами наук. Фундаментальные науки исследуют практически неизменные природные системы, и потому каждая проблема в известном смысле статична, а глубина ее разработки все время увеличивается. Технические и некоторые другие науки имеют дело с принципиально и быстро изменяющимися системами. Там относительная глубина решения любой серьезной проблемы может с течением времени не только не увеличиться, но даже существенно уменьшиться. Традиционные проблемы в прикладных науках оказываются не теряющими своей остроты и актуальности, хотя постоянство самого названия проблемы нередко создает у неискушенных людей впечатление некого «топтания на месте», «повторения пройденного», обращения к частным случаям и т.п. (конец цитаты).

При анализе повреждений в качестве одной из причин их появления рассматривают ошибки при проектировании судовых конструкций [121].

Обилие такого рода повреждений не вселяет оптимизма и создает превратное представление о квалификации работающих в этой области специалистов. Конструкции проектируют на основе действующих норм, опыта и традиций. Вполне обоснованные с этих точек зрения технические решения признаются ошибочными по факту повреждения конструкций, т.е. неработоспособности в новых, постоянно меняющихся условиях (новые материалы, новые технологии, новые режимы эксплуатации и т.п.). Причина таких повреждений вечна и неустранима, т.к. определяется самой логикой развития, и она не в некомпетентности инженеров, а в отсутствии необходимых в новой ситуации знаний.

Сказанное выше можно полностью отнести к усталости материалов судовых конструкций. Решение этой задачи далеко от завершения, о чем говорит не уменьшающееся (если не увеличивающееся) количество усталостных повреждений судовых конструкций. Достаточно вспомнить, что до внедрения сварки в судостроение, когда конструкции были клепаными, проблемы усталости корпусных конструкций не существовало вовсе.

К двадцатым годам прошлого века, казалось, что была полностью решена проблема общей прочности судна на волнении, которая сводилась к статической постановке корпуса на тихую воду и волну, заданной длины и высоты, с последующим расчетом эквивалентного бруса. Но в семидесятые и последующие вплоть до настоящего времени годы эту проблему пришлось решать заново, но на новом, более высоком уровне: увеличение скорости судов привело к тому, что динамические составляющие изгибающих моментов (волновые и ударные) стали соизмеримы со статическими составляющими. Это заставило обратиться к оценке усталостной прочности корпуса при общем изгибе.

Совершенствование методов расчета судовых конструкций позволяет уменьшить их металлоемкость за счет снижения запасов прочности до строго обоснованных величин. С другой стороны, уменьшению металлоемкости корпусных конструкций способствует широкое применение сталей повышенной прочности (СПП), из которых наиболее распространены низколегированные стали 09Г2 и 10ХСНД. По данным [80] в 60-70-е годы из стали 09Г2 были построены сотни судов различного назначения. Ее применение привело к уменьшению момента сопротивления палубы от 5 до 17%, толщины борта - до 20% и толщины днища - до 25%. Применение стали 09Г2 при постройке речных судов позволило, например, на танкерах дедвейтом 5000т уменьшить массу корпуса на 150т.

Сталь 10ХСНД была широко использована при строительстве серийных танкеров типов «Варшава» и «София», а также сухогрузных судов типа «Ленинский комсомол». При этом уменьшение толщин палубы и днища для «Варшавы» составило примерно 30%, для «Софии» - 25%. Размеры поперечного набора и толщины переборок уменьшились у «Варшавы» в среднем на 10%, у «Софии» - на 3%. Масса корпуса судов типа «Ленинский комсомол» снизилась на 10%).

Однако, уменьшение толщин деталей корпусных конструкций снизило их жесткость, а значит - резонансные частоты всего корпуса и отдельных его элементов. В сочетании с ростом скоростей это привело у крупных судов к появлению волновой вибрации с частотой первого тона на сравнительно небольшом, вызывающем резонанс, волнении. При этом размахи вибрационных напряжений оказались соизмеримы с размахами волновых напряжений. Следствием этого с учетом концентрации напряжений и достаточно высоких частот, обеспечивающих наработку необходимого числа циклов, стало появление усталостных трещин в основных продольных связях корпуса и в сопряженных с ними конструкциях в районе миделя [99,118,123].

Снижение резонансных частот элементов конструкций в сочетании с тем, что основным источником колебаний являются винты и главные судовые двигатели [82,126], 96% которых составляют малооборотные и среднеоборотные дизели [129], повышает склонность судовых конструкций к местной вибрации, что выразилось в большом количестве соответствующих повреждений на судах различных типов [117,130-136,138]. Отметим, что местная вибрация также не относится к числу «вечных» проблем. Примерно до 1950 года было принято считать [137], что вибрация корпуса и его прочность - вещи не связанные, хотя и относятся к сфере строительной механики. Вибрация резко ухудшает обитаемость, работу механизмов и приборов, но не вызывает никаких разрушений в силу малости возникающих при этом напряжений. Общие представления о судовой вибрации были хорошо разработаны в классических трудах А.Н.Крылова, П.Ф.Папковича, Ю.А.Шиманского. Но около 1950 года на ряде первых цельносварных судов различных классов и назначений совершенно неожиданно в массовом количестве (десятками и даже сотнями) начали появляться трещины в кормовой оконечности. Обследование конструкций показало, что трещины в пластинах и наборе имеют усталостную природу и являются результатом местной резонансной вибрации. Из всех корпусных конструкций наиболее уязвимыми с этой точки зрения оказались пластины и подкрепляющий их набор - ребра жесткости. Так возникла проблема местной вибрации, которая до сих пор окончательно не решена.

Таким образом, усталость корпусных конструкций определяется тремя основными причинами: волновые циклические нагрузки, ходовая и местная вибрации. Спектры первых [123,124] и размахи амплитуд напряжений второй и третьей [99,123,133] не могут привести к усталости, если исходить из их номинальной величины. Оказалось, что все три процесса имеют общую особенность - трещины зарождаются в районе концентраторов напряжений, которыми являются сварные швы, прерывистые связи и жесткие точки. Это означает, что в районе появления трещины всегда имеет место сложное напряженное состояние, требующее учета при расчетах усталостной прочности, что до настоящего времени делается весьма условно.

В связи с этим важным аспектом проблемы долговечности и надежности судовых конструкций является разработка физически обоснованных критериев циклической прочности при сложных видах напряженного состояния и изгибе. Сошлемся на мнение ведущих отечественных специалистов в области прочности судовых конструкций [99], которое в значительной мере определило направленность данной работы: «если обратиться к литературе, нетрудно заметить диспропорцию между объемами исследований по различным проблемам. Большинство из них направлены на изучение напряженности конструкций. Меньшее, но также довольно значительное внимание уделяется сейчас исследованию нагрузок, действующих на конструкции. В то же время работ, касающихся условий возникновения опасных состояний, процессов накопления повреждений и разрушения судовых конструкций и особенно выбора критериев прочности и соответствующих запасов прочности, явно недостаточно» (курсив мой).

Достижения физических методов исследования позволили в 20-х годах прошлого века более глубоко проникнуть в сущность явлений, протекающих в процессе деформирования. В результате Я.И.Френкелем, Дж.Тейлором, Е.Орованом и др. были предложены элементы дислокационной теории прочности, в том числе, усталостной. Одновременно с развитием теории дислокаций появилось научное направление, развивавшее энергетические представления о механизмах и закономерностях деформации и разрушения твердых тел.

Вопросам усталостной прочности посвящены работы И.А.Одинга, С.В.Серенсена, Н.Н.Давиденкова, И.В.Кудрявцева, Н.Н.Афанасьева, С.И.Кишкиной, Г.В.Карпенко, Я.Б.Фридмана, С.Д.Волкова, В.В.Болотина, С.Ф.Медведева, Л.М.Школьника, Г.С.Писаренко, В.М.Гребеника, Л.Д.Соколова, А.П.Гусенкова, Н.А.Махутова, Ю.В.Головешкина, В.А.Быкова, В.В.Козлякова, А.И.Максимаджи, С.В.Петинова, В.М.Волкова.

Определяющая роль в формулировании подходов и методов расчета усталостной прочности судовых конструкций принадлежит ЦНИИ им. акад. А.Н.Крылова. Здесь были осуществлены уникальные экспериментальные исследования натурных и крупномасштабных узлов судового корпуса при близких к реальным режимах циклического нагружения. Широко известны работы Г.В.Бойцова, М.К.Глозмана, С.Д.Кноринга, Ю.Ф.Леппа,

О.Е.Литонова, О.М.Палия, Г.О.Таубина, В.С.Чувиковского, Г.С.Чувиковского и др. Выполненные исследования легли в основу «Норм прочности морских судов» - главного нормативного документа, используемого при расчетном проектировании и оценке прочности, в том числе - циклической, судовых конструкций.

Многочисленные разработанные критерии циклической прочности в большинстве своем оперируют размахами напряжений или деформаций. В то же время отмечено [101], что «использование напряжения или деформации в качестве параметра, характеризующего усталостное повреждение, ведет к формулировке условных критериев разрушения».

Физически более совершенными являются энергетические критерии, в которых мерой повреждения служит работа, затрачиваемая на пластическое деформирование. В этом направлении известны работы А.Надаи, В.С.Ивановой, Д.Морроу, Ч.Фелтнера, А.Н.Романова, П.А.Павлова. Из энергетических подходов наиболее перспективным представляется метод исследования усталости, основанный на принципах термодинамики необратимых процессов, который не изучая детально тонкие механизмы процесса разрушения, позволяет в то же время делать столь же достоверные выводы, как и фундаментальные законы, лежащие в основе термодинамики. В этой области известны исследования В.С.Ивановой и В.Т.Трощенко.

Принципиальное значение при разработке энергетических критериев усталостного разрушения металлов имеет установление методов разделения рассеянной в металле энергии на «опасную» с точки зрения усталостного разрушения и «неопасную», а также физическая интерпретация «опасной» части энергии [20]. Здесь наиболее известны работы В.В.Федорова и его учеников.

Опубликованные до настоящего времени результаты исследований названных авторов [1,10,13,20] распространяются только на случай одноосного циклического нагружения некоторых машиностроительных сталей. По судостроительным сталям, работающим в составе корпусных конструкций в условиях сложного напряженного состояния, работ этого направления практически нет.

Цель работы - теоретическое и экспериментальное обоснование и формулирование используемых при расчетном проектировании судовых конструкций критериев их усталостной прочности и разработка основ методики оценки ресурса судовых конструкций при сложных видах напряженного состояния на основе термодинамической концепции усталости.

Для достижения указанной цели были решены следующие задачи:

1. В процессе натурных испытаний и по литературным данным проанализированы причины усталостных повреждений судовых конструкций. Исследованы особенности процесса накопления усталостных повреждений судостроительных сталей вихретоковым методом.

2. Обоснована методика и разработано оборудование для определения необратимых затрат энергии при циклическом деформировании в условиях плоского напряженного состояния на основе фазометрического метода.

3. Исследованы параметры упругопластического деформирования судостроительных сталей при многоцикловой усталости и тепловой эффект циклических деформаций при различных видах напряженного состояния.

4. Исследована кинетика процесса накопления усталостных повреждений в судокорпусных сталях при плоском напряженном состоянии.

5. Разработаны основы методика оценки поврежденности и критерии циклической прочности судокорпусных сталей в условиях плоского напряженного состояния и изгиба.

6. Обоснован выбор модели вязкоупругого тела при циклическом деформировании в области многоцикловой усталости. Разработана методику определения ее параметров с использованием экспериментальных данных.

7. Исследовано влияние физической нелинейности при упругопластическом деформировании в области многоцикловой усталости.

8. Представлены в комплексном виде упругие константы материала и уравнения обобщенного закона Гука.

9. Описана функция суммарной необратимо затраченной за цикл деформирования энергии при трехосном напряженном состоянии применительно к судостроительным сталям. Построена диаграмма предельных амплитуд. Исследована форма полученной численным расчетом предельной поверхности амплитуд главных напряжений и выполнено ее аналитическое описание в пространстве амплитуд главных напряжений.

10.Обоснован выбор расчетных зависимостей для оценки циклической прочности судовых пластин в условиях двухосного изгиба.

11. Сформулированы критерии циклической прочности судостроительных сталей в общем случае сложного напряженного состояния и двухосного изгиба.

Ниже приведена логическая схема работы.

Методы исследований. Наряду с традиционным обзором и анализом литературных источников использовались различные методы теоретического и экспериментального исследования.

Исследования местной вибрации конструкций кормовой оконечности и сбор данных о вибрационных повреждениях были проведены при натурных испытаниях на транспортном рефрижераторе «Камчатские горы», на двух однотипных контейнеровозах «Пестово» и «Путивль» и ряде других судов.

В процессе лабораторных экспериментов на специально разработанных и изготовленных установках проводились испытания на усталость с определением поглощаемой при деформировании энергии, теплового эффекта циклических деформаций, изменения магнитных характеристик в процессе накопления повреждений и ряда других параметров. Всего было испытано несколько сотен различных образцов.

При обработке результатов серийных экспериментов применялись методы математической статистики, корреляционного анализа и аппроксимации. При решении математических задач использовались

Рис.1. Логическая схема работы. приближенный и численный методы решения нелинейного дифференциального уравнения, аппарат комплексных чисел, метод конформного отображения.

Во всех расчетах использовалась вычислительная техника, для чего были разработаны соответствующие программы для ПЭВМ.

Научная новизна работы.

1. Показано, что значительная часть усталостных повреждений судовых конструкций относится к области многоцикловой усталости в условиях сложного напряженного состояния.

2. Обоснованы методики и разработано оборудование для проведения циклических испытаний в условиях плоского напряженного состояния с измерением силовых, деформационных, теплофизических и магнитных параметров процесса. Восемь технических решений признаны изобретениями.

3. Исследованы закономерности и параметры упругопластического деформирования судостроительных сталей при плоском напряженном состоянии в области многоцикловой усталости. Разработана их графическая интерпретация в виде векторных диаграмм.

4. Впервые экспериментально исследована кинетика процесса накопления усталостных повреждений в судостроительных сталях в условиях циклически изменяющегося плоского напряженного состояния на основе измерения работы пластических деформаций, их теплового эффекта и изменения магнитных характеристик. В этих условиях подтверждено основное положение структурно-энергетической теории усталости о том, что моменту разрушения соответствует критическая плотность внутренней энергии, величина которой равна теплосодержанию материала в твердом состоянии при температуре плавления.

5. Разработаны основы методики расчета поврежденности и ресурса судостроительных сталей в условиях монотонного и блочного нагружения. Подтверждена применимость в условиях многоцикловой усталости линейной гипотезы суммирования повреждений при случайном чередовании блоков нагружения с различными уровнями напряжений. Описана предельная поверхность амплитуд главных напряжений и получены критерии циклической прочности для плоского напряженного состояния и изгиба.

6. Проведено теоретическое исследование закономерностей упругопластического деформирования судостроительных сталей в условиях многоцикловой усталости. Обоснован выбор модели вязкоупругого тела и определение ее параметров на основе экспериментальных данных. Исследован процесс упругопластического циклического деформирования в нелинейной постановке. Введено описание в комплексном виде упругих констант материала и обобщенного закона Гука.

7. Впервые получены зависимости для определения суммарных необратимых затрат энергии при циклическом деформировании в общем случае сложного напряженного состояния. Для судостроительных сталей получена численная реализация функции суммарной необратимо затраченной за цикл деформирования энергии при трехосном напряженном состоянии и ее графическая интерпретация в виде диаграммы предельных относительных амплитуд. Выполнен анализ полученной численно предельной поверхности амплитуд главных напряжений при трехосном циклическом нагружении и ее аппроксимация.

8. Получены критерии усталостной прочности судостроительных сталей в общем случае сложного, циклически изменяющегося по симметричному циклу напряженного состояния и при двухосном изгибе. Разработаны основы методики оценки усталостной поврежденности и ресурса при этих видах нагружения. Показаны их место, роль и использование при расчетном проектировании судовых конструкций.

Практическая ценность работы и внедрение результатов. Практическая ценность связана с решением важной научно-технической проблемы методического обеспечения расчетного проектирования и оценки поврежденности и ресурса судовых конструкций, работающих в условиях циклического нагружения, при непосредственном учете вида напряженного состояния. Полученные результаты по существу являются инженерной реализацией структурно-энергетической теории усталости.

Результаты работы использованы при проведении исследований в рамках трех научно-технических программ:

1. «Разработка методики определения предельного состояния судовых конструкций при эксплуатации в условиях Восточной Арктики и Дальнего Востока» - в рамках межвузовской региональной программы «Научно-технические и социально-экономические проблемы развития Дальневосточного региона России», 1993-95 годы.

2. «Теория и методы исследования предельных состояний тонкостенных конструкций и стержневых систем» - в рамках межвузовской научно-технической программы Министерства образования Российской Федерации, 1996-99 годы.

3. «Разработка и исследование принципов расчета усталостной прочности конструкций на основе энергетических методов» - в рамках межвузовской научно-технической программы Министерства образования Российской Федерации, 2000-02 годы.

Результаты экспериментальных исследований процесса накопления повреждений и полученные расчетные зависимости в сочетании с оценкой усталостной поврежденности судостроительных сталей вихретоковым методом указывают на возможность разработки практического метода диагностики поврежденности конструкций судового корпуса.

Несмотря на то, что в работе рассматривалось деформирование только при симметричных синусоидальных циклах, полученные на основе фундаментальных физических законов результаты являются универсальной основой для развития данного метода в направлении учета особенностей реальных процессов нагружения судовых конструкций (асимметрии, полигармоничности, нерегулярности). Признанные изобретениями технические решения в области оборудования и способов исследования циклической прочности могут быть использованы при проведении аналогичных исследований. Одно из изобретений непосредственно относится к повышению надежности проектируемых судовых конструкций в районе концентраторов напряжений.

На защиту выносятся следующие основные результаты работы.

1. Методика исследования необратимых затрат энергии при циклическом деформировании образцов в условиях плоского напряженного состояния и соответствующее оборудование.

2. Методика и оборудование для исследования процесса накопления усталостных повреждений вихретоковым методом

3. Результаты экспериментального исследования кинетики накопления повреждений в судокорпусных сталях при циклически изменяющемся плоском напряженном состоянии в области многоцикловой усталости.

4. Способ определения критической длины усталостной трещины.

5. Критерии усталостной прочности при плоском напряженном состоянии и изгибе. Основы методики оценки поврежденности и ресурса.

6. Результаты теоретического исследования закономерностей упругопластического деформирования в области многоцикловой усталости:

- обоснование выбора модели вязкоупругого тела; определение параметров модели по данным испытаний;

- исследование процесса упругопластического деформирования судостроительных сталей в нелинейной постановке;

- описание в комплексном виде упругих констант материалов и обобщенного закона Гука.

7. Описание функции суммарной необратимо затраченной за цикл деформирования энергии. Диаграмма предельных относительных амплитуд главных напряжений. Аналитическое описание предельной поверхности амплитуд главных напряжений при циклическом трехосном нагружении.

8. Критерии усталостной прочности судостроительных сталей при симметричном цикле нагружения в общем случае сложного напряженного состояния и двухосного изгиба. Основы методики определения поврежденности и ресурса в этих условиях.

Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на международных, всесоюзных, республиканских и региональных конференциях: Международная конференция по судостроению в Санкт-Петербурге (1994,1998), Международная конференция «Кораблестоение и океанотехника, 80РР-98» во Владивостоке (1998), Международная конференция «Прочность и эксплуатационная надежность судов (ПЭНС)» во Владивостоке (1996,1999), Международная конференция «Стихия. Строительство. Безопасность» во Владивостоке (1997), Всесоюзная конференция памяти Ю.А.Шиманского в Санкт-Петербурге (1990), «Конференция памяти П.Ф.Папковича» в Санкт-Петербурге (2000), конференция «Прочность и надежность судов внутреннего и смешанного плавания» (Бубновские чтения) в Горьком (1982,1988,1991), 4-я Всесоюзная конференция «Проблемы научных исследований в области изучения и освоения мирового океана» во Владивостоке (1983), Дальневосточная конференция по прочности и эксплуатационной надежности судов во Владивостоке (1984,1987,1990,1994), Дальневосточная научно-практическая конференция «Проблемы транспорта Дальнего Востока» во Владивостоке (1995), конференции преподавателей и сотрудников ДВГТУ (ДВГ1И) (1988,1993,1997), научно-техническая конференция ДВГТУ «Вологдинские чтения» (1998). Отдельные фрагменты исследования положены в основу кандидатской диссертации автора (1987).

Публикации. По теме диссертации опубликована 41 научная работа (22 в соавторстве), в том числе: 6 в материалах международных конференций (1 в соавторстве), 8 изобретений и патентов (7 в соавторстве).

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, восьми глав и заключения. Она содержит 255 страниц машинописного текста, 108 страниц со 172 рисунками и 31 таблицей и список литературы из 139 наименований на 8 страницах.

Заключение диссертации по теме «Проектирование и конструкция судов», Аносов, Анатолий Петрович

Основные результаты выполненных исследований сводятся к следующим.

1. Обоснована методика и разработано оборудование для исследования кинетики процесса накопления усталостных повреждений в условиях плоского напряженного состояния и изгиба в области многоцикловой усталости. Созданные экспериментальные установки позволяют воспроизводить варьируемое, практически однородное, плоское напряженное состояние и изгиб. При этом с достаточной точностью могут быть измерены параметры петли динамического гистерезиса, тепловой эффект циклических деформаций и изменение магнитных характеристик исследуемого материала. Восемь технических решений признаны изобретениями.

2. Исследованы параметры упругопластического деформирования судостроительных сталей в области многоцикловой усталости. Разработана их графическая интерпретация в виде векторных диаграмм.

3. Исследована кинетика процесса накопления повреждений в судостроительных сталях в области многоцикловой усталости при различных видах напряженного состояния. Впервые в условиях плоского напряженного состояния экспериментально подтверждено основное положение структурно-энергетической теории усталости о том, что степень поврежденности однозначно определяется плотностью накопленной внутренней энергии, а моменту разрушения соответствует критическая плотность, которая является константой материала, и величина которой не зависит от способа передачи энергии и равна теплосодержания материала при температуре плавления в твердом состоянии.

4. Разработан защищенный патентом способ определения критической длины усталостной трещины.

5. Разработаны основы методики и получены зависимости для расчета поврежденности и оценки ресурса при циклическом деформировании. Доказана применимость линейной гипотезы суммирования повреждений Пальмгрена в условиях многоцикловой усталости в случае монотонного и блочного нагружения при случайном чередовании уровней напряжений.

6. Описана предельная поверхность амплитуд главных напряжений и получены критерии усталостной прочности для плоского напряженного состояния и изгиба.

7. Проведены теоретические исследования закономерностей упругопластического деформирования в области многоцикловой усталости:

- обоснован выбор модели вязкоупругого тела и определение ее параметров по результатам испытаний; доказано, что при циклическом нагружении поведение судостроительных сталей исчерпывающе описывается двухпараметрической моделью Кельвина;

- с учетом экспериментально установленной зависимости вязкости от уровня деформации проанализировано влияние учета возникающей при этом нелинейности процесса деформирования на точность определения энергетических параметров процесса; установлено, что влияние нелинейности лежит в пределах погрешностей экспериментального определения параметров модели; рассчитана величина параметра вязкости для трех судостроительных сталей; введено понятие эффективной вязкости и получена формула для ее вычисления;

- получено описание в комплексном виде упругих констант материала и обобщенного закона Гука, и, тем самым, учтено влияние вязкости в процессе циклического деформирования в области многоцикловой усталости; показано что классические формулы обобщенного закона Гука являются частным случаем полученных зависимостей при нулевой вязкости (абсолютно упругое тело).

8. Разработаны зависимости и программа для ПЭВМ по определению суммарных необратимых затрат энергии при циклическом деформировании в общем случае сложного напряженного состояния. Впервые получена численная реализация функции суммарной необратимо затраченной за цикл деформирования энергии при трехосном напряженном состоянии и ее графическая интерпретация в виде диаграммы предельных относительных амплитуд напряжений. Численно рассчитана и построена предельная поверхность амплитуд главных напряжений при трехосном циклическом нагружении по симметричному циклу. Выполнен анализ формы предельной поверхности и ее аппроксимация в пространстве амплитуд главных напряжений.

9. Получены расчетные зависимости для определения необратимых затрат энергии при двухосном циклическом изгибе по симметричному циклу.

10.Сформулированы критерии усталостной прочности в общем случае сложного напряженного состояния и двухосного изгиба. Получены зависимости для оценки усталостной поврежденности и ресурса. Показаны место, роль и принципы использования полученных результатов в расчетном проектировании судовых конструкций.

11.В качестве иллюстрации возможностей рассмотренного метода разработана методика расчетного определения эффективных коэффициентов концентрации напряжений, основанная на учете геометрических параметров узлов судового корпуса и конкретных видов напряженного состояния, независимо от других влияющих факторов. Для трех судостроительных сталей рассчитан минимальный размер области повышенных напряжений, необходимый для «запуска» процесса усталости, который соизмерим с размерами зерна.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В представленной работе решена научно-техническая проблема, имеющая важное прикладное значение, - на основе термодинамической концепции усталости теоретически и экспериментально обоснованы и разработаны критерии усталостной прочности судостроительных сталей для расчетного проектирования судовых конструкций с учетом вида напряженного состояния, а также созданы основы методики расчетной оценки усталостной поврежденности узлов судового корпуса и их ресурса.

Список литературы диссертационного исследования доктор технических наук Аносов, Анатолий Петрович, 2001 год

1. Федоров B.B. Термодинамические аспекты прочности и разрушения твердых тел. -Ташкент: ФАН, 1979, -186 с.

2. Гольденблат И.И. Некоторые вопросы механики деформируемых сред. -М.: Наука, 1956.

3. Вакуленко A.A. -В сб. «Исследования по упругости и пластичности». -Л., 1961, с.3-35.

4. Седов Л.И. Введение в механику сплошной среды. -М.: Физматгиз, 1962, -284 с.

5. Болотин В.В., Голбденблат И.И., Смирнов А.Ф. Современные проблемы строительной механики. -М: Наука, 1964.

6. Седов Л.И. Проблемы науки. Основы механики. -М.: Физматгиз, 1966.

7. Ландау Л.Д., Лившиц Е.М. Теоретическая физика. В 10-ти т. Т. VII. Теория упругости: Учеб. пособие. -4-е изд., испр. и доп. -М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1987. -248 с.

8. Екобори Такео. Научные основы прочности и разрушения металлов. -Киев: Наукрва Думка, 1978. -352 с.

9. Циглер Г. Экстремальные принципы термодинамики необратимых процессов в механике сплошных сред. -М.: Наука, 1966.

10. Иванова B.C., Терентьев В.Ф. Природа усталости металлов. -М.: Металлургия, 1975. -456 с.

11. Сорокин Г.М. Методика определения удельной энергии пластической деформации сталей // Заводская лаборатория, 1982. №10.

12. Гуревич С.Е., Гаевой А.П. Об определении повреждающей энергии при циклическом нагружении. -В сб. Усталость и вязкость разрушения металлов. -М.: Наука, 1974.

13. Федоров В.В. Кинетика повреждаемости и разрушения твердых тел. -Ташкент: ФАН, 1985, -168 с.

14. Регель В.Р., Слуцкер А.И., Томашевский Э.Е. Кинетическая природа прочности твердых тел. -М.: Наука, 1974. -560 с.

15. Журков С.Н., Назруллаев Б.Н. Временная зависимость прочности твердых тел //ЖТФ, 1953, XXIII, вып. 10, с. 1677-1689.

16. Усталость и хрупкость металлических материалов / Под ред. В.С.Ивановой.-М.: Наука, 1966.

17. Ромашов Р.В. Исследование связи усталостного разрушения с энергетическими характеристиками процесса циклического деформирования металлов. Автореф. Дис.канд.техн.наук / -Оренбург, 1978.