Прогнозирование ресурса элементов конструкций с учетом асимметрии цикла нагружения тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.02.06, кандидат технических наук Кузьмин, Александр Евгеньевич

• Кузьмин, Александр Евгеньевич
• кандидат технических наук
• 2000

Оглавление диссертации кандидат технических наук Кузьмин, Александр Евгеньевич

Введение.

Глава 1. Современные методы оценки характеристик сопротивления усталости материалов.

1.1 Контроль качества полуфабрикатов по критерию сопротивления усталости.

1.2 Экспериментальное определение усталостных характеристик материала.

1.3 Сравнительный анализ существующих подходов в учете асимметрии цикла нагружения.

1.4 Статистические теории усталостной прочности.

1.4.1. Теория подобия усталостного разрушения.

1.4.2. Учет микроструктуры материала в статистических теориях усталостного разрушения.

1.4.3. Статистическая теория усталостного разрушения микроскопически неоднородной анизотропной среды.

1.4.4. Статистическая теория рассеивания случайной координаты повреждения тела.

1.4.5. Статистическая теория усталостной прочности поликриетал-лического материала.

1.5 Функция распределения микронапряжений.

1.6 Сравнительный анализ уравнений диаграммы деформирования материала.—

Выводы.

Глава 2. Расчет и построение кривой усталости элемента конструкции при симметричном цикле нагружения.

2.1 Теоретическое обоснование уравнения диаграммы деформирования материала.

Расчет функции распределения микронапряжений.

Построение кривой усталости единичного зерна.

Расчет кривой усталости детали по данным статических испытаний и ограниченному усталостному эксперименту.

Выводы.

Глава 3. Оценка характеристик сопротивления усталости детали с учетом асимметрии цикла нагружения.

Асимметричное нагружение единичного зерна.

Асимметричное нагружение детали в целом.

Примеры расчета диаграмм предельных амплитуд для различных материалов.

Пример расчета диаграммы предельных амплитуд для болта из стали

40ХН2МА.

Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Прогнозирование ресурса элементов конструкций с учетом асимметрии цикла нагружения»

Предотвращение усталостного разрушения деталей машин становится все более актуальным. Это вызвано, во-первых, требованием снижения материалоемкости машин, выполнение которого связано с повышением уровня напряженности их деталей и в первую очередь вибрационной напряженности, во-вторых, - требованием увеличения ресурса машин, что приводит к большому количеству циклов переменных напряжений за срок их службы и к возрастанию влияния малых переменных нагрузок, которых трудно избежать в процессе эксплуатации, в-третьих, - расширением набора используемых в технике материалов, характеристики сопротивления усталостному разрушению которых, с учетом влиявши технологии, изучены недостаточно. Поэтому знание достоверных характеристик сопротивления усталостному разрушению материалов имеет большое значение.

Усталость авиаконструкций имеет общие черты с усталостью деталей других машин, особенно транспортных средств, такие как:

- зависимость усталостной долговечности от многих факторов технологического и эксплуатационного характера;

- рассеяние усталостной долговечности;

- зависимость усталостной долговечности от знака постоянной компоненты — среднего напряжения.

Помимо перечисленных выше факторов, усталость авиаконструкций имеет ряд особенностей. Прежде всего, это высокая нагруженность элементов силовой конструкции самолета, связанная с требованием высокой весовой эффективности, минимизации массы и максимальным использованием резервов прочности самолетостроительных материалов.

До настоящего времени основным источником информации об усталостных характеристиках материалов являлся усталостный эксперимент. В связи с разбросом усталостных характеристик, на который уже указывалось выттте, объем и трудоемкость усталостного эксперимента могут быть весьма велики Проведение обширного усталостного эксперимента может привести к существенному повышению себестоимости разработки новых авиаконструкций, особенно с применением новых конструкционных материалов. Возможность решить проблему прогнозирования ресурса деталей машин без проведения эксперимента, или при ограниченном объеме испытаний давно привлекает к себе ученых и инженеров в различных отраслях машиностроения. Однако, существующая теоретическая база позволяет решить эту проблему с некоторыми ограничениями, например для определенного, достаточно узкого диапазона кон-струмщонных материалов, либо для ограниченного набора режимов нагруже-ния и т д. Решения как правило базируются на феноменологическом подходе и не учитывают особенностей микросгруктуры материала.

В предлагаемой работе предпринята попытка разработки нового метода оценки усталостных характеристик конструкционных материалов, основанной на свойствах микроструктуры металла.

Актуальность этого исследования состоит в том, что анализ усталостных характеристик проводится в нем с учетом асимметрии цикла нагружения. В авиационной промышленности и других отраслях машиностроения большинство элементов конструкций находятся в условиях асимметричного нагружения. Особенно это относится к разнообразным крепежным деталям, в частности болтам, соединяющим боковины барабанов авиаколес и диски автомобильных колес со ступицей, которые получают большое усилие затяжки и испытывают переменное растяжение - сжатие при взлете и посадке самолета, а также при движении самолета (автомобиля) по земле Таким образом, болты работают в условиях асимметричного цикла перемены напряжений с большим средним напряжением цикла. Трудность проведения эксперимента с большой асимметрией цикла напряжений на натурных деталях и лабораторных образцах, его большой объем и стоимость, высокие характеристики статичеекой прочности материала болтов приводят к необходимости теоретического исследования данной проблемы, которая, тем не менее, слишком широка, чтобы быть полностью решенной в пределах данной работы.

Целью работы является исследование механизма усталостного разрушения материала на уровне микроструктуры с целью разработки методики, позволяющей оценивать характеристики сопротивления усталости материала в условиях асимметричного цикла нагружения на основе статистических теорий прочности при сокращении материальных и временных затрат на планирование и проведение усталостного эксперимента. Задачи исследования:

1 Разработка модели асимметричного цикла нагружения на базе одной из статистических теорий усталостной прочности,

2 Сравнительный анализ существующих моделей усталости металлов с учетом асимметрии цикла нагружения. з. Разработка модели диаграммы деформирования материала, д Анализ распределения микронапряжений по зернам металла. 5. Разработка методики оценки характеристик сопротивления усталости материалов при симметричном цикле нагружения по результатам усталостных испытаний на одном уровне напряжений.

Основная часть исследований была выполнена на кафедре "Механика материалов и конструкций" РГТУ - МАТИ им. К.Э.Циолковского под руководством профессора, к. т. н. В.А.Иапжова. В работе были использованы экспериментальные данные, полученные в ходе научной работы кафедры в разные годы, главным образом под руководством Заслуженного деятеля науки, профессора, д. т. н. М.Н.Степнова и заведующего кафедрой, профессора, д. т. н. Л.В.Агаммрова, Часть исследований проводилась на Авиационной корпорации "Рубин" под руководством доцента, к. т. н. А.Н.Лисина и к. т. н. В.В.Мозалева.

Заключение диссертации по теме «Динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры», Кузьмин, Александр Евгеньевич

Общие выводы

1. На базе анализа наиболее известных статистических теорий прочности предложена модель в рамках теории Н.Н.Афанасьева, позволяющая рассчитывать диаграммы предельных амплитуд деталей и полуфабрикатов по результатам статических испытаний стандартных гагаринских образцов и результатам усталостных испытаний образцов (полуфабрикатов, деталей) заданного типоразмера при заданном режиме нагружения (например, циклическом растяжении - сжатии) на одной базе испытаний.

2. Рассмотрены экспериментальные и расчетно-эмпирические модели усталости металлов с учетом асимметрии цикла нагружения. Их главными ограничениями являются:

- использование этими моделями результатов трудоемкого и дорогостоящего усталостного эксперимента;

- нет учета влияния микроструктуры материала;

- отсутствует связь с характеристиками статической прочности. Обоснована необходимость их дальнейшего развития и пересмотра некоторых положений.

3. Предложена двухпараметрическая модель диаграммы деформирования материала, позволяющая анализировать распределение микронапряжений по зернам металла.

4. На основании статистической теории усталостной прочности и предложенной модели диаграммы деформирования выполнен анализ распределения относительных микронапряжений 2 — сг/&ср по зернам металла в виде функции распределения микронапряжений.

5. Разработана методика построения кривой усталости гладких образцов при симметричном нагружении, по результатам статических испытаний и циклических испытаний на одном уровне напряжений.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Кузьмин, Александр Евгеньевич, 2000 год

1. Агамиров Л.В. Статистическое оценивание параметров распределения случайных величин по результатам механических испытаний материалов и элементов конструкций: Методические указания.- М.: МГАТУ им. К.Э. Циолковского, 1994,- 20 с.

2. Агамиров JI.B. Статистическое оценивание характеристик усталостных свойств материалов и элементов конструкций: Методические указания. -М.: МГАТУ им. К.Э. Циолковского, 1994,- 32 с.

3. Афанасьев H.H. Статистическая теория усталостной прочности металлов. -Киев: Изд-во АН УССР, 1953,- 128 с.

4. Богданофф Дж., Козин Ф. Вероятностные модели накопления повреждений.- М.: Мир, 1989.- 340 с.

5. Болотин В.В. Ресурс машин и конструкций,- М.: Машиностроение, 1990.

6. Болотин В.В. Статистические методы в строительной механике.-М.: Изд-во лит-ры по строительству, 1965,- 279 с.

7. Вагапов Р.Д. Преобразование рассеивания характеристик усталостной прочности ( статистическая теория и ее ограничения).// Машиноведение.-1965,-№4,-с. 78-92.

8. Вагапов Р.Д. Статистические и детерминистские закономерности усталости и возможность их моделирования.// Вопросы механической усталости,- М.: Машиностроение, 1964.-е. 101-138.

9. Вагапов Р.Д. Статистическая теория рассеивания случайной координаты повреждения тела.//Машиноведение,- 1970,- №4.- с. 63-74.

10. Ю.Васильев Д.В. Прогнозирование ресурса элементов конструкции с применением статистических теорий усталостного разрушения,- Автореф. дис. на соиск. учен. степ. канд. тех. наук.-М., 1996.

11. Васильев Д.В., Лисин А.Н. Применение статистической теории усталостного разрушения к оценке долговечности конструкций.// XXII Гагаринские чтения: Сб. тез. докл. научн. конф,- М.: МГАТУ, 1996. Часть 5.-е. 171172.

12. Васильев Д.В., Лисин А.Н. Прогнозирование ресурса элементов конструкций с использованием статистической теории прочности металлов. .// XXI Гагаринские чтения: Сб. тез. докл. научн. конф.- М.: МГАТУ, 1995. Часть 3,- с. 100.

13. Васильев Д.В., Лисин А.Н. Сравнительный анализ расчетных кривых усталости изделия из алюминиевого сплава с применением различных статистических теорий прочности.// Проблемы машиностроения и надежности машин,- М., 1995,- № 6,- с. 34 -38.

14. Вейбулл В.В. Усталостные испытания и анализ их результатов,- М.: Машиностроение, 1964,- 275 с.

15. Волков С.Д. Статистическая теория прочности,- М.: Машгиз, 1960.-176 с.

16. Давиденков H.H. Динамическая прочность и хрупкость металлов,- Киев: Наукова думка, 1978,- 352 с.

17. Иванов Г.Т., Скорый И.А. К вопросу об аппроксимации диаграмм деформирования.// В сб. Труды MATH.- М.: Оборонгиз, 1959,- №37,- с. 13-32.

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

19. Исследование сопротивления усталости конструкционных легких сплавов в связи с условиями их работы в напряженных конструкциях: Отчет по теме № 891/3. / М.Н. Степнов и др.- М.: МАТИ, 1962.

20. Исследование характеристик усталостного разрушения легких сплавов и барабанов колес в связи с технологией их изготовления и условиями эксплуатации: Отчет по НИР №1363/2. / М.Н. Степнов , А.Н. Лисин и др.- М.: МАГИ, 1985.-111 с.

21. Когаев В.П. Расчеты на прочность при напряжениях переменных во времени. -М.: Машиностроение, 1977.-232 с.

22. Когаев В.П., Махутов.Н.А., Гусенков А.П. Расчеты деталей машин и конструкций на прочность и долговечность: Справочник,- М.: Машиностроение , 1985.- 224 с.

23. Колесников К. С. Технологические основы обеспечения качества машин.-М.: Машиностроение, 1990.- 256 с.

24. Коновалов Л.В., Петрова И.М. Особенности циклической прочности конструкционных сталей в области длительной долговечности.// Вестник машиностроения. -1998. -№9. -с. 3 -11.

25. Конструкционная прочность материалов и деталей газотурбинных двигателей./ И.А. Биргер, Б.Ф. Балашов, P.A. Дульнев и др. Под ред. И.А. Биргера, Б.Ф. Балашова.- М.: Машиностроение, 1981.- 222 с.

26. Конторова Т.А., Френкель Я.И. Статистическая теория хрупкой прочности реальных кристаллов.// ЖТФ, 1941.- № 3.

27. Кузьмин А.Е., .Лисин А.Н., Минин С.А., Морозов Л.Н., Пашков В.А. Модель технико- экономического обоснования контроля качества изделия по критериям сопротивления усталости.//Заводская лаборатория (в печати).

28. Кузьмин А.Е., Минин С.А., Пашков В.А., Лисин А.Н., Методика построения кривых усталости гладких образцов по результатам статических испытаний.// XXV Гагаринские чтения: Сб. тез. докл. научн. конф.- М.: МГАТУ, 1999,- с. 889.

29. Кузьмин А.Е., Минин С.А., Пашков В.А., Лисин А.Н., Модель асимметричного циклического нагружения в рамках статистической теории усталостной прочности испытаний.// XXV Гагаринские чтения: Сб. тез. докл. на-учн. конф.- М.: МГАТУ, 1999,- с. 891 892.

30. Кузьмин А.Е., Пашков В.А., Лисин А. 11., Статистическая модель кривой усталости образца по его диаграмме деформирования.// XXIII Гагаринские чтения: Сб. тез. докл. научн. конф.- ML: МГАТУ, 1997.- Часть 4.-е. 114.

31. Кузьмин А.Е., Пашков В.А., Степнов М.Н., Лисин А.Н., Методика контроля качества по критериям сопротивления усталости.// XXIV Гагаринские чтения: Сб. тез. докл. научн. конф,- М.: МГАТУ, 1998.- Часть 3. с.100-101.

32. Лисин А.Н. Методы управления качеством полуфабрикатов по критериям сопротивления усталости с применением статистических теорий прочности.// Новые материалы и технологии: Сб. тез. докл. научн. конф,- М.: МГАТУ, 1995,- с. 27.

33. Лисин А. Н., Морозов Л. Н. Методика оптимизации управления качеством полуфабрикатов по критериям сопротивления усталости и трещиностойко-сти.// XXIV Гагаринские чтения: Сб. тез. докл. научн. конф.- М.: МГАТУ, 1995,-Часть 3. с. 94.

34. Макино Т., Охаси М., Докэ X., Макино К. Контроль качества с помощью персонального компьютера. М.: Машиностроение, 1991,- 224 с.

35. Малинин H.H. Прикладная теория пластичности и ползучести.- М.: Машиностроение, 1975,- 399 с.

36. Махутов H.A. Деформационные критерии разрушения и расчет элементов конструкций на прочность.- М.: Машиностроение, 1981.- 272 с.

37. Махутов H.A. Сопротивление элементов конструкций хрупкому разрушению,- М.: Машиностроение, 1973.-200 с.

38. Минин С.А., Кузьмин А.Е. // XXV Гагаринские чтения: Сб. тез. докл. научн. конф.- М.: МГАТУ, 1999.

39. Мхитарян B.C. Статистические методы в управлении качеством продукции.-М.: Финансы и статистика, 1982.- 120с.

40. Нейбер Г. Концентрация напряжений,- М.-Л.: Гоетехиздат, 1977. -204 с.

41. Петерсон Р. Коэффициенты концентрации напряжений,- М.: Мир, 1977,302 с.

42. Прочность материалов и элементов конструкций в экстремальных условиях. В 2-х т./ Под ред. Г.С. Писаренко,- Киев: Наукова думка, 1981,- т.1,- 531 е.,- Т.2.-766 с.

43. Расчеты на прочность в машиностроении. В 3-х т./ Под ред. С.Д. Пономарева.- М.: Машгиз, 1956-1959,-т. 1.-884 с.,-т.2,- 974 с.,-т.З,-1118 с.

44. Селихов А.Ф., Чижов В.М. Вероятностные методы в расчетах прочности самолета,- М.: Машиностроение, 1987,- 240 с.

45. Серенсен С.В., Когаев В.П., Шнейдерович P.M. Несущая способность и расчет деталей машин на прочность: Руководство и справочное пособие.-М.: Машиностроение, 1975.-488 с.

46. Сопротивление усталости элементов конструкций./ А.З. Воробьев, Б.И. Олькин, В.Н. Стебенев и др.- М.: Машиностроение, 1990,- 240 с.

47. Степнов М.Н. Расчетно экспериментальный метод построения диаграмм предельных амплитуд для конструкционных деформируемых алюминиевых сплавов с учетом концентрации напряжений.// Вестник машиностроения.-! 998,-№ 9- с.11-17.

48. Степнов М.Н. Статистическая обработка результатов механических испытаний: Справочник,- М.: Машиностроение, 1984,- 231 с.

49. Степнов М.Н., Гиацинтов Е.В. Усталость легких конструкционных сплавов,- М.: Машиностроение, 1973,- 317 с.

50. Степнов М.Н., Евстратова С.П. и др. Косвенная оценка пределов выносливости сталей и алюминиевых сплавов.//Заводская лаборатория.-1981,- № 3,-с. 67-69.

51. Степнов М.Н., Евстратова С.П. и др. Расчетно-экспериментальные методы оценки характеристик сопротивления усталости конструкционных алюминиевых сплавов при асимметричном нагружении.// Проблемы машиностроения и надежности машин.-1998.- № 2,- с. 117 -122.

52. Степнов М.Н. и др. Косвенная оценка пределов выносливости титановых сплавов при переменном изгибе, растяжении-сжатии и круче-нии.//Заводская лаборатория.-1999.- № 3.

53. Степнов М.Н., Мозалев В.В., Лисин А.Н., Агамиров Л.В., Евстратова С.П. Расчетный метод точечного и интервального оценивания квантильных кривых усталости деталей машин.// Проблемы машиностроения и надежности машин.-1994,- № 4,- с. 38 43.

54. Степнов М.Н., Николаев A.B. Расчетно-экспериментальные методы оценки характеристик сопротивления усталости конструкционных алюминиевых сплавов при осевом нагружении.//Заводская лаборатория.-1998,- № 7.- с. 38 -40.

55. Трощенко В.Т. Деформирование и разрушение металлов при многоцикловом нагружении,- Киев: Наукова думка, 1981.- 344 с.

56. Трощенко В.Т., Сосновский Л.А. Сопротивление усталости металлов и сплавов: Справочник. В 2-х т.- Киев: Наукова думка, 1987.-т. 1.-505 с.

57. Форрест П. Усталость металлов,- ML: Машиностроение, 1968.-352 с.

58. Фридман Я.Б. Механические свойства металлов,- М.: Машиностроение, 1994.-т. 1.-472с.

59. Фролов К.В. Методы совершенствования машин и современные проблемы машиноведения.-М.: Машиностроение, 1984.-223с.

60. Хейвуд Р.Б. Проектирование с учетом усталости,- М.: Машиностроение, 1969.-504 с.

61. Шаврин A.B., Мозалев В.В. Моделирование характеристик сопротивления усталости барабанов колес летательных аппаратов.// Вестник машиностроения.-^.- № 9- с.26 30.

62. Школьник Л.М. Методика усталостных испытаний: Справочник,- М.: Металлургия, 1978,- 300 с.

63. Шнейдерович P.M. Прочность при статическом и повторно-статическом нагружениях. -М.: Машиностроение, 1968.-343 с.

64. Schutz W. Fatigue life prediction of aircraft structures. Past, present, future. Engineering Fracture Mechanics. V.6. N 4. 1974. P. 745-773.- 120

65. Wflker E.K. The effekt of stress ratio during crack propagation and fatigue for 2024- T3 and 7075- T6 aluminium // Effect of Environment and Complex Load History on Fatigue Life. ASTM STP 462

66. Методика оценки характеристик сопротивления усталости элементов конструкций, работающих в условиях асимметричного цикла нагружения.

67. Программа расчета, адаптированная на ПЭВМ в среде Excel под Windows (на дискете).

68. Приведены методические рекомендации по применению методики, а также примеры расчета конкретных диаграмм предельных амплитуд для алюминиевых и титановых сплавов, конструкционных сталей, а также для деталей и натурных конструкций.

69. Главный конструктор ВПУ. .А.И. Бакин

70. Начальник КО 200. .Д.П. Ямковенко1. Начальник НИО 280.1. Начальник бригады НКБ 2811. А.В. Суворов .В.В.Мозалев