Прогнозирование усталостной долговечности металлических конструкций на основании измерений накопления пластических деформаций на двух масштабных уровнях тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.08.02, доктор технических наук Гуревич, Марк Иосифович

• Гуревич, Марк Иосифович
• доктор технических наук
• 1998

Оглавление диссертации доктор технических наук Гуревич, Марк Иосифович

Введение б

Глава 1. Анализ видов повреждений конструкций в эксплуатации ■ и «предельные>? сроки службы конструкции.

Глава 2. Развитие представлений о накоплении структурных повреждений в конструкционных материалах при циклическом нагружении.

2.1. О роли пластической деформации в процессе накопления усталостных повреждений.

2.2. О роли поверхности в процессе усталостного разрушения

Глава 3. Развитие подходов к учету усталостной долговечности судовых конструкций и концепция оценки долговечности скоростных судов.

Глава 4. Разработка, опробирование и оценка точности показаний датчиков дисперсии деформации (ДДД).

4.1. Научные предпосылки к разработке датчика.

4.2. Конструкция и технология изготовления ДДД.

4.3. Опробирование ДДД на образцах.

4.3.1. Задачи, материал, оборудование. 4.3.2. Отработка способов крепления датчиков.

4.3.3. Проверка чувствительности показаний ДДД.

4.3.4. Оценка точности измерения параметров: средняя деформация (Еср) и дисперсия деформаций (Д).

4.3.5. Разработка бортового комплекса измерений.

4.4. Использование ДДД для ускорения определения усталостных характеристик образцов и деталей и основные положения методологии практических оценок усталостной долговечности образцов и элементов конструкций.

Глава 5. Разработка методики испытаний крупногабаритных узлов и натурных конструкций СПК и экранопланов.

5.1. Оценки поврежденности корпусных конструкций СПК (судов на подводных крыльях).

5.1.1. Задачи и методика проведения испытаний.

5.1.2. Анализ результатов испытаний*на речных пассажирских СПК типа «Восход » (пр. 352).

5.1.3. Анализ результатов испытаний на речных пассажирских СПК типа «Метеор» (пр. 342).

5.1.4. Анализ результатов испытаний на головном морском пассажирском СПК «Циклон» (пр. 1235)

5.1.5. Анализ результатов испытаний ДДД на СПК и расчетная оценка долговечности.

5.2. Анализ результатов испытаний пилона изделия зав. № С-12 (пр. 19500)

5.3. Разработка методики определения вероятностного распределения долговечности сварных узлов из сталей АК-ЗЗШ и 12Х18Н10Т.

5.4. Результаты испытаний крюка запорного устройства (пр. 904) . . ~

5.5. Анализ сравнительных испытаний на выносливость сварных соединений из сплава 15 61 с использованием ДДД.

Глава б. Разработка методик ускоренного получения усталостных характеристик изделий машиностроительной части.

6.1. Ускоренные испытания на усталость шатунов двигателя с помощью ДДД.

6.2. Испытания дисков колес автомобиля ГАЗ 2410 с использованием ДДД.

6.3. Использование ДДД для оценки долговечности партий изделий, изготовленных по различной технологии.

6.3.1. Обработка результатов испытаний шатунов двигателя автомбиля ГАЗ-66 методом Митропольского-Шашина.

6.3.2. Обработка показаний ДДД, установленных на шатунах двигателя автомобиля ГАЗ-66.

6.3.3. Обработка показаний ДДД, установленных на шатунах двигателя автомобилей ГАЗ 24-10 и ГАЗ 52-04.

6.4. Использование ДДД для получения распределения усталостной долговечности по результатам испытаний одного сварного узла.

Глава 7. Методические рекомендации по оценке усталостной долговечности конструкций судов с использованием ДДД.

7.1. Образцы, детали, узлы подвергаются одноступенчатым усталостным испытаниям до разрушения.

7.2. Образцы, детали, узлы, суда подвергаются одноступенчатым испытаниям до определенного (фиксированного) числа циклов нагружения при известном предельном значении накопленной деформации.

7.3. Прогноз усталостной долговечности конструкций судов в условиях эксплуатации.

7.4. Определение эквивалентных режимов нагружения (образцы, детали, узлы, суда)

7.5. Приближенная оценка параметров распределения и показателей надежности.

7.6. Испытания по «программам».

7.7. Обобщенные рекомендации и их связь с методологией практических оценок усталостной долговечности.

Глава 8. Разработка и оценка возможностей рентгеновских методов определения долговечности элементов конструкций.

Основные результаты работы и выводы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Прогнозирование усталостной долговечности металлических конструкций на основании измерений накопления пластических деформаций на двух масштабных уровнях»

Практика эксплуатации инженерных сооружений показывает, что от 80 до 90% (по разным оценкам) всех отказов конструкций в эксплуатации ■ связано с усталостью их элементов. Такое положение имеет место?несмотря на то, что систематические . исследования явления усталости ведутся примерно 150 лет физиками, математиками и инженерами. Более тогоможно считать, что проблема обеспечения, необходимой работоспособности элементов конструкций обостряется с развитием техники и связана в первую очередь с разрешением противоречия вес — прочность.Создание более легких и экономичных конструкций приводит, как правило, к снижению «предельных» сроков их службы по условиям сопротивления усталостному разрушению. Л;.,,. " ■ Накопленный опыт показывает, что при решении задач конструкционной прочности и, в частности, сопротивления усталостному разрушению, . решающую роль, как правило играют конструктивно-технологические факторы, теоретический учет которых затруднен или практически исключен. . '

Расчетным путем с использованием современных вычислительных средств трудно (часГто невозможно) оценить, влияние различного рода конструктивно-технологических и эксплуатационных факторов, (техно- ч: логин обработки; остаточные напряжения, привнесенные технологией сборки; изменения материала,;вызванные структурными превращениями в нем под влиянием силовых, температурных, коррозионных и других воздействий и т. п.) . . t

V: Именно поэтому, по мнению академика АН УССР Г. С. Писаренко решение отмеченных выше задач должно базироваться на данных экспериментальных исследований, которые по праву следует отнести к ' числу фундаментальных работ данной области.

В связи с значительной стоимостью и большой трудоемкостью э кс п ериме н т а л ь ных работ (в ряде отраслей техники —авиация, судостроение, автомобилестроение и др. испытаниям должны быть подвергнуты натурные образцы изделий) огромное значение придается методологии исследований.

Одним из важнейших показателей методологии является определение критического состояния элемента конструкции (детали) . Современные представления свидетельствуют, что критерии предельного состояния детали могут быть самыми различными, и характеризоваться как структурное состояние материала, при котором дальнейшая эксплуатация рассматриваемого элемента конструкции становится невозможной . Критериями состояния могут быть — нагрузки, приводящие к разрушению; остаточные деформации, исключающие дальнейшую эксплуатацию; возникновение трещинрталости определенных размеров; потеря устой- : чивости; предельный износ поверхностных слоев материала детали и другие факторы. С учетом изложенного выше можно подчеркнуть, что: основой основ оценки предельного состояния того или иного элемента конструкции является эксперимент.

Другим важнейшим показателем методологии экспериментальных работ по оценке сопротивления материалов и элементов конструкции усталостному разрушению является подход к определению расчетных показателей.

Для этих целей часто используются вероятностные распределения. (модели) отказов — экспоненциальное, Вейбулла, логарифмически нормальное и др.

Известен другой подход установления количественных показателей долговечности некоторых изделий, в отличие от строго вероятностного использующий информацию о значениях некоторых физических параметров, характеризующих его техническое состояние.

В этом случае установление количественных показателей связано с выявлением кинетических закономерностей физических процессов.дёг-радации и определения критического уровня этого процесса. Эффективным, оказалось использование в качестве моделей деградации случайных: процессов марковского типа и стохастических кинетических уравнений. Этот подход называют^ вероятностно-физическим. •

Отметим, что для решения отмеченных выше задач в условиях острого, дефицита, времени и ограниченности статистических данных только вероятностно-физический подход, дополнительно использующий информацию о физических процессах деградации, может привести к более эффективным решениям. С помощью таких моделей могут быт ь значительно (иногда в десятки раз) сокращены объемы и время экспериментальных работ при оценках долговечности, могут быть сделаны анализ проведения и .прогноз долговечностиг решаться .и другие задачи.

Автор выносит на защиту:

Экспериментально-аналитическую концепцию прогнозирования сопротивления усталостному разрушению металлических:материалов и элементов конструкций при использовании для получения количественных показателей многопараметрических вероятностно-физических или феноменологических моделей и их описание с помощью случайных процессов марковского типа. Впервые для построения и уточнения этих моделей созданы и использованы специальные приборы, позволяющие; исследовать процесс накопления пластической .деформации на двух масштабных уровнях с учетом ее неравномерности.

Научную методологию исследования процесса пластического деформирования для металлических материалов и элементов конструкций в различных условиях эксплуатации с учетом его неравномерности. Впервые разработан датчик дисперсии деформации (ДДД) , п о з в о л яюший с оцениваемой точностью производить измерения параметров накопленной пластической деформации как в лабораторных, так и в условиях испытаний крупногабаритных натурных конструкций. Впервые в рамках предложенной методологии используются рентгеновские датчики акало-гичного тип-а. Для ускорения обработки показаний датчиков и получения оперативных результатов по оценке долговечности в эксплуатационных условиях впервые разработан «переносный» (бортовой) комплекс полуавтоматического измерения показаний ДДД.

Практические методические разработки и инженерные оценки сопротивления усталостному разрушению (основанные на результатах проведенных исследований) , образцов, деталей, узлов, натурных конструкций судостроительной, автомобильной и мукомольной промышленности, изготовленных из сталей, алюминиево-магниевого сплава, титанового сплава (всего 8 марок) , при этом технологии изготовления включали литье, сварку, механическую обработку, поверхностное упрочение. Сокращение 'времени и объемов испытаний достигнуто в 2— 30 раз. "д .'При выполнении практических разработок впервые получены:

- — вероятностные распределения усталостной долговечности крупногабаритных конструкций судостроительной, автомобильной, мукомольной промышленности по результатам испытаний 1—3 изделий с датчиками дисперсии деформаций и оцениваемой точностью; расчетные показатели усталостной долговечности натурных конструкций судостроения по результатам измерений ДДД в эксплуатационных условиях; прогнозируемые показатели усталостной долговечности крупногабаритных элементов конструкций без разрушения изделий при испытаниях или эксплуатации с оцениваемой точностью (при использовании ДДД) ; на основе анализа массовых испытаний образцов уточнены коэффициенты вариации статистических распределений характеристик-прочности/ пластичности и долговечности конструкционных материалов, что'позволило реализовать «экспресс-методы» методы получения вероятностных распределений усталостной долговечности.

Диссертационная работа выполнялась в соответствии утвержденной ГКНТ СССР и Президиумом АН СССР общесоюзной научно-технической программой «Надежность» на •1987—1990 гг. "^задание П.01.Нба); Решением МСП, МАП, ВМФ и ВВС об обеспечении эксплуатации, ремонта и модернизации.экранопланов в составе авиации ВМФ № 703/038 от 26.02 .1990 г., планами АО «Центральное конструкторское бюро по судам на подводных крыльях», АО «ГАЗ» и других организаций.