Сопротивление хрупкому разрушению крановых сварных конструкций тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Тулин Даниил Евгеньевич

• Тулин Даниил Евгеньевич
• кандидат наук
• 2024

Оглавление диссертации кандидат наук Тулин Даниил Евгеньевич

ВВЕДЕНИЕ

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА

1.1. Анализ случаев и причин разрушения сварных металлических конструкций подъёмных машин

1.2. Методики прогнозирования хрупкого разрушения

2. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ХРУПКОГО РАЗРУШЕНИЯ

2.1. Выбор и обоснование базовой теории для построения модели

2.2. Математическая модель напряжённо-деформированного состояния в зоне усреднения

3. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ СВАРНОГО УЗЛА НА НАПРЯЖЁННОЕ СОСТОЯНИЕ МАТЕРИАЛА В ВЕРШИНЕ ТРЕЩИНЫ

3.1. Определение коэффициента интенсивности напряжений для трещин в гладкой пластине при одноосном нагружении

3.2. Трещины в концентраторе

3.3. Трещины в поле остаточных напряжений

4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК КОНСТРУКЦИОННЫХ СТАЛЕЙ ПРИ ОТРИЦАТЕЛЬНЫХ ТЕМПЕРАТУРАХ74

4.1. Исследование зависимости предела текучести от температуры

4.2. Исследование напряжения отрыва и размера зоны предразрушения

5. МЕТОДИКА ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ХРУПКОГО РАЗРУШЕНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ СВАРНЫХ КОНСТРУКЦИЙ

5.1. Расчёт критического КИН

5.2. Математическая модель хрупкого разрушения с учетом конструктивно-технологических особенностей сварного узла

5.3. Пример применения методики в прикладных инженерных расчётах

Заключение

Список сокращений и условных обозначений

Список литературы

Приложение А

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Сопротивление хрупкому разрушению крановых сварных конструкций»

ВВЕДЕНИЕ Актуальность темы исследования

Проблема прочности и надёжности сварных металлоконструкций приобретает все большую актуальность с развитием подъёмно-транспортного машиностроения. Особого внимания заслуживает сегмент мобильного грузоподъёмного оборудования. Автомобили, суда, специальные железнодорожные составы, гусеничная техника и т.п. оборудуются как уже вполне известными автомобильными и железнодорожными кранами, крюковыми погрузчиками и автогидроподъёмниками, так и сравнительно новыми для региона ЕврАзЭС краноманипуляторными установками и гидроманипуляторами. В России уже функционирует значительное количество предприятий, осуществляющих проектирование, изготовление по полному циклу, а также монтаж упомянутых типов грузоподъёмных машин. Мобильное грузоподъёмное оборудование модернизируется, улучшаются его эксплуатационные характеристики. Например, для снижения веса конструкции всё более широко прибегают к использованию тонкостенных сварных конструкций, изготавливаемых из высокопрочных сталей. Подавляющую долю рынка мобильных грузоподъёмных решений занимают КМУ. В связи с этим, аспекты проектирования и изготовления КМУ представляют наибольший интерес [35].

КМУ широко применяются во многих отраслях, в первую очередь лесо-, ломозаготовки, перегрузочные и транспортировочные работы, строительство. Для КМУ характерна весьма интенсивная эксплуатация на протяжении всего срока службы машины. Работа КМУ связана с большим количеством циклов нагружения, а также частыми перегрузками, ударами, рывками, т.п. Таким образом, металлоконструкции КМУ и рама грузового автомобиля весьма сильно подвержены развитию усталостных повреждений. Поэтому довольно остро стоит вопрос о трещиностойкости металлоконструкции КМУ [35]. Значительная доля производимых КМУ эксплуатируется в нефтедобывающей отрасли, т.е. в северных широтах. Эксплуатация в условиях преобладающих отрицательных

температур усложняет задачу обеспечения надёжности сварных металлоконструкций. Активное освоение арктических регионов - разработка полезных ископаемых и сопутствующие строительные инфраструктурные работы - также остро ставят вопрос об обеспечении надёжности сварных металлоконструкций в условиях отрицательных температур.

Опыт эксплуатации металлических конструкций машин показывает, что в некоторых ситуациях в них могут возникать хрупкие разрушения. Этот вид отказа возникает достаточно редко при стечении неблагоприятных обстоятельств, однако весьма опасен тем, что обычно приводит к полной потере несущей способности конструкции. Большое значение данная проблема имеет для техники, эксплуатируемой в условиях отрицательных температур и особенно в арктическом регионе.

Степень разработанности темы исследования

Данный вид разрушения встречается в конструкциях грузоподъемных, горнодобывающих и строительных машин, которые подвержены интенсивным динамическим нагрузкам, а также в сосудах давления, корпусах судов и строительных сооружениях. Для прогнозирования таких разрушений используют критерии механики разрушения, описывающих поведение материала с трещиной [42, 44, 45, 50, 58, 60, 70, 78]. Однако указанные критерии являются сравнительными параметрами сталей. Они не учитывают конструктивно-технологические особенности сварных металлических конструкций машин и трудно применимы в инженерной практике. В настоящее время развиваются физические критерии, использующие базовые механические свойства материала [29]. Однако в этом направлении пока не получены надежные решения, пригодные для инженерных приложений. Данная работа посвящена развитию методики прогнозирования хрупкого разрушения сварных конструкций, с учетом их конструктивно-технологических особенностей и условий эксплуатации.

Цели и задачи исследования

Цель работы: методика прогнозирования хрупкого разрушения сварного узла металлоконструкции с трещиной, эксплуатируемой в условиях низких температур.

Задачи, решаемые в рамках настоящего исследования:

• Выбор и обоснование базовой теории хрупкого разрушения;

• Анализ напряженно-деформированного состояния детали из упругопластического материала в области вершины трещины;

• Анализ математической модели напряженно-деформированного состояния материала в области вершины трещины. Определение границ и условий применения данной математической модели;

• Исследование влияния отрицательной температуры на предел текучести высокопрочных сталей, уточнение аналитического аппарата для определения зависимости предела текучести стали от температуры;

• Исследование влияния конструктивно-технологических особенностей сварного узла на напряженно-деформированное состояние материала в области вершины трещины, обобщение результатов, формулирование на их основе рекомендаций для инженерных расчётов;

• Исследование напряжения отрыва высокопрочных сталей, уточнение методики его определения;

• Создание методики прогнозирования хрупкого разрушения сварного узла металлоконструкции с трещиной с учётом отрицательных температур и конструктивно-технологических особенностей, формулирование рекомендаций по применению методики.

Научная новизна работы

Научную новизну работы составляют следующие положения:

• Аналитическая методика оценки параметров упругопластического напряженно-деформированного состояния детали с полуэллиптической трещиной и ее подтверждение путем конечно-элементного анализа;

• Зависимость предела текучести низколегированных сталей высокой прочности от температуры и аналитическая модель этой зависимости в области температур от -196 до +20 °С;

• Расчетно-экспериментальная методика определения размера зоны предразрушения и напряжения отрыва для низколегированных сталей и ее экспериментальная проверка;

• Результаты конечно-элементного исследования влияние остаточных сварочных напряжений на напряженно-деформированное состояние конструкции с трещиной.

Практическая значимость работы

Практическую значимость работы составляет методика прогнозирования хрупкого разрушения металлических конструкций в условиях низких климатических температур с учетом свойств материала, наличия сварочных дефектов и остаточных напряжений.

Методология и методы исследования

В данном исследовании использован физический критерий хрупкого разрушения Л.А. Копельмана [49], который в соответствии с подходом Нейбера-Новожилова [29] применен к малой области материала в вершине трещины.

В работе применён системный численный анализ процессов упругого и упругопластического деформирования моделей различных образцов с трещинами при различных температурах. Для исследования параметров трещиностойкости использовался экспериментально-расчетный метод анализа испытанных образцов. Данные для численного анализа получены из массива результатов испытаний, полученных самостоятельно и представленных в научных публикациях. Механические испытания образцов из листового проката высокопрочной стали при различных температурах проведены с помощью поверенного оборудования и измерительных приборов. Численное исследование проводилось посредством программных пакетов МмИСЛО и ЫХЫая^ап.

Положения, выносимые на защиту

К основным положениям, выносимым на защиту, относятся:

• Результаты численного исследования напряжено-деформированного состояния материала в области вершины полуэллиптической трещины;

• Расчетные параметры и границы применимости математической модели напряжено-деформированного состояния упругопластического материала в зоне предразрушения перед вершиной трещины;

• Расчётные параметры зависимости предела текучести высокопрочных сталей от температуры в области отрицательных температур;

• Результаты исследования влияния остаточных сварочных напряжений на напряженное состояние материала в зоне предразрушения в области вершины трещины;

• Методика вычисления размера зоны предразрушения и напряжения отрыва для низколегированных и высокопрочных сталей;

• Методика экспериментально-расчетного определения напряжения отрыва для низколегированных сталей с использованием результатов испытания стандартных образцов типа КСУ на трехточечный изгиб в жидком азоте.

• Методика прогнозирования возможности хрупкого разрушения сварного узла с трещиной с учётом влияния конструктивных концентраторов и остаточных сварочных напряжений.

Степень достоверности и апробация результатов

Результаты работы отмечены на конкурсе грантов для студентов вузов, расположенных на территории Санкт-Петербурга, аспирантов вузов, отраслевых и академических институтов, расположенных на территории Санкт-Петербурга в 2021 году.

Материалы исследования представлены на конференции Современная техника и технологии: проблемы, состояние и перспективы: Материалы XI Всероссийской научно-практической конференции 26-27 ноября 2021 г.

По теме диссертации опубликовано 9 статей в научных изданиях, входящих в перечень ВАК, индексируемых в РИНЦ и Scopus, а также материалы 1 конференции:

1. Sokolov S., Tulin D., Vasiliev I. Investigation of the size of the fracture process zone and the cleavage stress in cracked steel parts // Fatigue Fract Eng Mater Struct. 2023. № 3 (46). C. 1159-1169. https://doi.org/10.1111/ffe.13927

2. Sokolov S. A., Vasil'ev I. A., Tulin D. E. Estimation of the Increase in the Yield Strength of Building Steels at Negative Temperatures // Russian Metallurgy (Metally). 2022. № 4 (2022). C. 396-399. DOI: 10.1134/S0036029522040279

3. Sokolov S. A., Tulin D. E. Mathematical Model of Brittle Fracture of a Cracked Part // Physical Mesomechanics. 2022. № 1 (25). C. 72-79. DOI: 10.1134/S1029959922010088

4. Tulin D. E. State of Stress in a Plate with a Semielliptical or Through Crack // Russian Metallurgy (Metally). 2021. № 10 (2021). C. 1213-1216. DOI: 10.1134/S0036029521100347

5. Sokolov S. A., Tulin D. E. Modeling of Elastoplastic Stress States in Crack Tip Regions // Physical Mesomechanics. 2021. № 3 (24). C. 237-242. DOI: 10.1134/S1029959921030024

6. Соколов С. А., Тулин Д.Е. Методика вычисления коэффициента интенсивности напряжений для трещины в области концентратора напряжений // Известия ТулГУ. 2020. No 5. С. 328—335.

7. Тулин Д.Е. Исследование напряженно-деформированного состояния материала в области вершины трещины, расположенной в зоне конструктивного

концентратора // Механика машин, механизмов и материалов. 2023. N0 3. С. 37— 42.

8. Тулин Д.Е., Соколов С. А., Грачев А.А. Влияние остаточных сварочных напряжений на сопротивление конструкций хрупкому разрушению // Вестник машиностроения. 2022. N0 3. С. 24—30. 001: 10.36652/0042-4633-2022-324-30

9. Соколов С. А., Тулин Д.Е. Влияние собственных остаточных напряжений на сопротивление сварного соединения хрупкому разрушению // Деформация и разрушение материалов. 2023. N0 1. С. 2—10. Б01: 10.31044/18144632-2023-1-2-10

10. Тулин Д. Е. Исследование упруго-пластического деформирования материала в вершине трещины компактного образца // Современная техника и технологии: проблемы, состояние и перспективы: Материалы XI Всероссийской научно-практической конференции 26-27 ноября 2021 г. / Под ред. к.т.н., О.А. Михайленко / Рубцовский индустриальный институт. - Рубцовск, 2021. С. 244 -250.

Личный вклад автора работы

Все представленные в диссертационной работе результаты получены лично автором или при его непосредственном участии. Автор участвовал в планировании, подготовке и проведении экспериментальных работ, обработке, анализе и обобщении результатов.

Структура и объём диссертации

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка сокращений и условных обозначений, списка литературы и одного приложения. Общий объём составляет 131 страниц, включая 55 рисунков, 11 таблиц и 1 приложение. Список цитируемой литературы содержит 80 наименований.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА 1.1. Анализ случаев и причин разрушения сварных металлических

конструкций подъёмных машин

Хрупкое разрушение обусловлено сочетанием нескольких факторов, затрудняющих протекание пластической деформации: отрицательная температура, наличие сварочных дефектов, концентрация напряжений [42], значительная толщина проката [8, 22, 24, 26, 28, 45, 76]. В случае, если локальная пластичность затруднена, то возникает риск хрупкого разрушения [36]. Известно множество случаев хрупкого разрушения сварных металлических конструкций в т.ч. и на самых ранних этапах эксплуатации [13]. Данное утверждение подтверждается статистическими данными, приведёнными в [13], где в качестве наиболее частно встречающихся факторов при хрупком разрушении конструкций указаны пониженная ударная вязкость материала, остаточные напряжения и наклёп. Пример хрупкого разрушения металлоконструкции козлового крана, работающего при отрицательных температурах, приведен на Рисунке 1.1.1, а, б).

б

Рисунок 1.1.1 а, б - Пример хрупкого разрушения металлоконструкции козлового крана, работающего при отрицательных температурах, а - общий

вид; б - поверхность излома

Вместе с тем практика гарантийного обслуживания КМУ заводами-изготовителями свидетельствует, что весьма крупный пласт причин разрушения металлоконструкций занимают сварочные дефекты - несплавления, непровары, поры, т.д. (Рисунок 1.1.2, а, б). Указанные дефекты являются источниками возникновения и дальнейшего роста усталостных трещин. Сварочные дефекты часто располагаются в зоне термического влияния, где происходит существенное локальное упрочнение металла. Нередки случаи, когда разрушение сварного узла происходит непосредственно по границе шва и зоны термического влияния (Рисунок 1.1.3, 1.1.4). В конструкциях из ординарных сталей в зоне термического влияния происходит закаливание (охрупчивание), а высокопрочные термически упрочнённые стали, обычно, разупрочняются. В сочетании с дефектом сварки это может также стеснять пластические деформации и повышать риск хрупкого разрушения. Свойства высокопрочных сталей требуют отдельных исследований [58]. В свою очередь, непосредственно инженерные методики расчёта учитывают только силовые эксплуатационные воздействия на конструкцию без учёта остаточных напряжений, возникающих в результате термопластического цикла сварки, локальной концентрации напряжений, т.п.

Рисунок 1.1.2 а, б - Макрошлифы сварных узлов, а - непровар; б - несплавление

б

Рисунок 1.1.3 а, б - Трещина в оголовке колонны КМУ

б

Рисунок 1.1.4 а, б - Макрошлиф сварного узла, а - вырезанный образец; б -

трещины в зоне термического влияния

1.2. Методики прогнозирования хрупкого разрушения

Способность материала сопротивляться разрушению в условиях отрицательной температуры и объемного напряженного состояния, создаваемого трещиной, оценивают критериям механики разрушения, как Кс, ./-интеграл, Я-кривые, СТОБ, трещиностойкость 1с [19, 23, 61, 71]. Начиная с 1950-х годов в мире проводятся обширные аналитические, численные и экспериментальные исследования. Целью данных исследований является техническая разработка эффективной методологии испытаний для измерения критических значений указанных параметров. Было разработано множество аналитических и расчетных решений для коэффициентов интенсивности напряжений для различных геометрических форм и конфигураций нагружения. Решения для коэффициентов интенсивности напряжений собраны в соответствующих справочниках [50, 60, 78]. Параллельно с этим проводились обширные экспериментальные исследования по измерению Кс для широкого круга материалов [44, 71]. Развиваются направления энергетических и деформационных критериев разрушения, таких как /-интеграл, СТОЭ, и в последнее время СТОЛ. Определяются соответствующие кривые сопротивления росту трещин, включая кривую К-Я, кривую /-Я и кривую 5-Я. Различные экспериментальные методики и процедуры испытаний для измерения этих параметров разрушения были разработаны и стандартизированы [71, 77, 79]. Производятся сравнительные оценки различных опытных методик, типов образцов, т.д. [51]. Однако упомянутые методики и процедуры требуют большого объема испытаний. Кроме этого, использование методов механики разрушения для оценки работоспособности конструкций, имеющих сложное напряженное состояние, металлургическую неоднородность сварных соединений и поле остаточных сварочных напряжений, вызывает большие сложности. Для оценки вероятности хрупкого или квазихрупкого разрушения на стадии инженерных расчетов предложены физические критерии [12, 14-16, 20, 27, 31, 37, 59]. Ведутся исследования на предмет создания экспериментально-расчётных методик определения физического критерия прочности материала детали, например [3].

Создаются двух- и более параметрические критерии разрушения [39, 48, 52], учитывающие характеристики тела без трещины, например, предел текучести или предел прочности материала. Данный подход позволяет решить проблему противоречия результатов, получаемых по классическим однопараметрическим критериям (ассимптотичность разрушающих напряжений), концепции конечной прочности твёрдых тел [20]. Исследованиями обосновывается переход к локальному критерию разрушения. Так, в работе [27] экспериментально установлена независимость критического максимального локального растягивающего напряжения от геометрии концентраторов напряжений и образцов, скорости нагружения и температуре испытаний. Перспективным представляется использование локального подхода к построению критериев разрушения, например критерий Нейбера-Новожилова [16-18, 53]. Упомянутые критерии рассматривают образование условий для хрупкого разрушения не в точке, но в конечном объёме материала перед вершиной трещины, что позволяет сохранить справедливость уравнений сплошности (неразрывности деформаций) [16].

Результаты существующих на данный момент исследований по разработке интегрального локального критерия разрушения получены на простейших образцах в т.ч. с простыми концентраторами в виде отверстий, т.п. Отсутствует общепринятый инженерный подход к использованию указанных критериев, а также обоснованные области их применений. Вместе с тем уже производится обобщение известных результатов и формирование на их основе инженерной методики определения нижней границы прочности элемента конструкции с трещиной, использующей механическую характеристику материала [30, 31].

2. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ХРУПКОГО РАЗРУШЕНИЯ 2.1. Выбор и обоснование базовой теории для построения модели

В рамках исследования рассматривается физический критерий, использующий базовые механические свойства материала. Критерий основан на подходе Нейбера-Новожилова. В.В. Новожилов показал, что для адекватного описания распространения трещины в уравнениях классической механики сплошной среды необходим параметр с размерностью длины [18]. Согласно упомянутому критерию, условие разрушения применяется к некоторой зоне усреднения конечных размеров г (Рисунок 2.1.1). В контексте условия разрушения такая зона называется зоной предразрушения.

Рисунок 2.1.1 - Зона усреднения, выделяемая в вершине трещины

Таким образом, критериальным параметром является среднее напряжение в зоне предразрушения, и силовое условие прочности Новожилова-Нейбера имеет вид, представленный в [18]:

^ (2.1) где оа - средние напряжения по объёму зоны предразрушения;

а/0с - локальная прочность.

Критерий Новожилова-Нейбера (2.1) пригоден для зон предразрушения с произвольным размером и конфигурацией и любой асимптотики напряжений [18]. Далее в работе размер зоны предразрушения обозначается как го.

Условие хрупкого разрушения. Для построения математической модели хрупкого разрушения необходимо сформулировать набор условий, применяемых к материалу в выделяемой зоне предразрушения. Условия должны управлять процессами зарождения и страгивания трещины. Дальнейший рост трещины представляет собой отдельный процесс и не входит в рамки настоящего исследования. Для применения к зоне предразрушения выбраны условия, сформулированные Л. А. Копельманом [13], и описывающие внутризёренное разрушение в поликристалле. Хрупкое разрушение происходит, когда существенные перемещения дислокаций в отдельных зёрнах поликристалла формируют т.н. субмикротрещины. Существенное перемещение дислокаций становится возможным при достижении текучести. При появлении в зерне субмикротрещины становится актуальным условие, при котором разрушение произойдёт при достижении первым главным напряжением некоторой величины, называемой сопротивлением отрыву Бс. Сопротивление отрыву Бс является свойством материала. Таким образом, для достижения материалом в зоне предразрушения критического состояния должны быть выполнены следующие условия [13]:

Ч * °тг, * ^ (2.2)

где а'Г - а2Г )2 + - а3г )2 + (а3г - а1г )2 - усреднённая по зоне

предразрушения интенсивность напряжений при упругопластическом деформировании,

а1г ,а2г ,азг - усреднённые по зоне предразрушения главные напряжения, отТ - предел текучести при температуре нагружения,

Бс - напряжение отрыва данного материала. Напряжение отрыва Бс не зависит от температуры [13].

2.2. Математическая модель напряжённо-деформированного

состояния в зоне усреднения 2.2.1. Структура расчётной модели

Математическая модель хрупкого разрушения подразумевает наличие математического аппарата, описывающего напряжённо-деформированное состояние (НДС) материала в зоне усреднения в вершине трещины. Ввиду того, что нагружение трещины по первой моде является наиболее опасным с точки зрения хрупкого разрушения, исследуется трещина нормального отрыва в условиях одноосного нагружения. Рассмотрим случай подобного нагружения. Характер зависимости первого главного напряжения а1г в области вершины

трещины (Рисунок 2.1.1) от номинальных напряжений аном представлен на Рисунке 2.2.1, а.

деформация деформация пластичность

а

б

Рисунок 2.2.1 - Графики зависимости а -усреднённого первого главного напряжения о1г от номинальных напряжений аном; б - безразмерных параметров Бг(к) в зоне усреднения

Зависимость с1г (<\ом ) (Рисунок 2.2.1, а) в процессе нагружения делится на три стадии: первая - упругая деформация, вторая - упругопластическая деформация и третья - интенсивная пластичность. Условия хрупкого разрушения

(2.2) выполняются при пересечении кривой а1г(аном) с уровнем напряжения отрыва Sc на второй стадии. При понижении температуры растет предел текучести, и поэтому уровень первого главного напряжения а1г (аном) повышается. Если на второй стадии условия (2.2) не выполнились, то на третьей стадии быстро растет пластическая зона, развиваются пластические деформации, и вершина трещины притупляется. Процесс изменения напряжения а1г (аном) в зоне усреднения г зависит от предела текучести, температуры, размеров и формы трещины, а также характерного размера г. Напряжение отрыва 8с зависит от свойств стали.

Переход к безразмерным параметрам позволяет получить более универсальные зависимости, которые не зависят от предела текучести стали и температуры [7]:

К1 _Ут Ъном^ьЬ а

'1г /,- __I _ Т ном * а1г /О

Sг = —, к =---, л = — (2.3)

атТ атТл/ кг а тТу кг

'тТ атТу1 кг а тТ^ кг а,.,

где г - характерный размер зоны усреднения,

Ут - безразмерный коэффициент, учитывающий форму трещины и ограниченные размеры детали (К-тарировка, п. 3.1),

Ь - характерный размер трещины,

П - коэффициент жесткости напряжённого состояния (Рисунок 2.2.1, б).

Параметр 8г характеризует локальный упругопластический процесс. Функция 8г(к) не зависит от предела текучести и температуры [7], но зависит от геометрических параметров детали и трещины (Рисунок 2.2.1, б). Параметр к характеризует процесс локального нагружения детали с трещиной с размером Ь в

упругом материале. Для получения безразмерной величины использован параметр

£ /

Нейбера-Новожилова г с размерностью длины. Величина sc — у уменьшается

тТ

с понижением температуры (Рисунок 2.2.1, б).

Графики параметров (2.3) получены МКЭ. Графики зависимости параметров 8Г и п от k (2.3) представлены на Рисунке 2.2.2. [57]. График Бг(к) отчётливо разделяется на три участка, которые соответствуют определённым стадиям нагружения. Первая стадия при к < к1, на данном участке зависимость 8г(к) имеет линейный характер. Пластическая зона мала, и размер её не превышает характерного размера зоны усреднения г. Вторая стадия наступает при к1 < к < к2 и сопровождается ростом жёсткости напряженного состояния п, а также локальным развитием пластических деформаций 8г> до значения 1-2%. На второй стадии размер области пластических деформаций уже превышает г. Граница к2 соответствует максимуму п. Третья стадия проходит при к > к2 и характеризуется интенсивным развитием пластических деформаций вместе со снижением п. В работе [7] показано, что зависимость 8г(к) в области к < к2 с достаточной точностью описывается функцией:

при 0 < к < к : = 1,2к;

(2.4)

при к < к < к2: £г = 1 + и 1 -

где Ор - модуль пластического упрочнения,

Е - модуль упругости,

и, V, w - расчётные коэффициенты.

^ л

4 3 2 1

0 2 4 6 8 к

Рисунок 2.2.2 - Графики зависимости параметров ¿г (♦), п (0) (2.3) и 8г> (•) от k, полученные методом конечных элементов. График ¿г(к) (сплошная линия) вычислен по выражению (2.4) при и = 1,7, V = 1,2

С учётом (2.3) и (2.4) условие разрушения (2.2) примет вид:

а г *атТ, Sг(k )атТ * £ (2.5)

Считая, что при хрупком разрушении второе условие (2.5) выполняется по равенству при ¿г = ¿с, где ¿с - величина ¿г, при котором происходит разрушение, и с учетом соотношения о1г = ¿сотТ получается уравнение:

Scатт - £ = 0. (2.6)

В данной работе выполнен анализ зависимости (2.4) и предложена методика определения напряжения отрыва.

к 1 5 г к2

\

/ 1 Л Ч

о* ¡г /

2.2.2. Определение расчётных коэффициентов функции Б(к) для

частных случаев

Для определения расчетных коэффициентов зависимости (2.4) выполнен конечно-элементный анализ напряжённого состояния в области вершины трещины в деталях из упругопластического материала. Расчётные коэффициенты и, V, w функции (2.4) определялись для случаев поверхностных полуэллиптических трещин и трещин в компактных образцах, потому что подобные типы трещин представляют интерес для настоящего исследования с точки зрения моделирования типичных усталостных повреждений (Рисунок 2.2.3) или дефектов сварки. Указанные коэффициенты зависят от геометрии узла и размеров трещины. Величины коэффициентов определяются посредством конечно-элементного анализа напряженного состояния детали с трещиной и подбираются из условия наилучшей сходимости аналитической аппроксимирующей кривой (2.4) и опытной кривой вида 8г(к) [62].

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Тулин Даниил Евгеньевич, 2024 год

Список литературы

1. Атлури С. Вычислительные методы в механике разрушения: Пер. с англ. / С. Атлури, Москва: Мир, 1990. 392 с.

2. Баско Е. М., Афонин А. С. О критериях оценки сопротивления хрупкому разрушению элементов стальных конструкций с учётом трещиноподобных дефектов // Промышленное и гражданское строительство. 2010. № 9. С. 41-43.

3. Беленьких Д. И., Недбайло А. А. Способ определения механических характеристик и физического критерия прочности материала детали // 2006.

4. Беликов С.Б., Шевченко В.Г., Рягин С.Л. Влияние температуры и скорости деформации на механические свойства сталей, применяемых в краностроении // Вюник НТУ «ХП1». 2013. № 43 (1016). С. 32-36.

5. Браун У., Сроули Дж. Испытания высокопрочных металлических материалов на вязкость разрушения при плоской деформации / У. Браун, Дж. Сроули, Москва: Мир, 1972. 247 с.

6. Васильев И. А. Прочность крановых металлических конструкций в условиях низких климатических температур: дис. канд. техн. наук: 2.5.11 2022.

7. Васильев И. А., Соколов С. А. Исследование упругопластического напряженно-деформированного состояния пластины с трещиной // Деформация и разрушение материалов. 2020. № 3. С. 16-20.

8. Григорьев Р. С., Ларионов В. П., Уржумцев Ю. С. Методы повышения работоспособности техники в северном исполнении / Р. С. Григорьев, В. П. Ларионов, Ю. С. Уржумцев, Новосибирск: Наука, 1987. 256 с.

9. Гудков С. И. Механические свойства стали при низких температурах: Справочник / С. И. Гудков, Москва: Металлургия, 1967. 267 с.

10. Дейч А. Ш. Температурная зависимость предела текучести металла различных участков сварного соединения малоуглеродистой и низколегированной стали // Труды ЛПИ. 1974. № 336. С. 39-42.

11. Екобори Т. Физика и механика разрушения и прочности твердых тел / Т. Екобори, Москва: Металлургия, 1971. 264 с.

12. Карзов Г. П., Марголин Б. З., Швецова В. А. Физико-механическое моделирование процессов разрушения / Г. П. Карзов, Б. З. Марголин, В. А. Швецова, СПб: Политехника, 1993.

13. Копельман Л. А. Основы теории прочности сварных конструкций / Л. А. Копельман, СПб: Лань, 2010. 464 с.

14. Корнев В. М. Обобщенный достаточный критерий прочности. Описание зоны предразрушения // Прикладная механика и техническая физика. 2002. № 5 (43). C. 153-161.

15. Котречко С. А. [и др.]. Явление анизотропии сопротивления микросколу углеродистой стали, предварительно деформированной сжатием // Проблемы прочности. 2007. № 6. C. 91-102.

16. Крыжевич Г. Б. Интегральные критерии разрушения в численных расчетах низкотемпературной прочности конструкций морской техники // Труды Крыловского государственного научного центра. 2018. № 1. C. 29-42.

17. Леган М. А. Трехпараметрический интегральный критерий разрушения // Вестник ННГУ. 2011. № 4-4. C. 1574-1575.

18. Линьков А. М. Потеря устойчивости, характерный линейный размер и критерий Новожилова-Нейбера в механике разрушения // Механика твёрдого тела. 2010. № 6. C. 98-111.

19. Матвиенко Ю. Г. Модели и критерии механики разрушения / Ю. Г. Матвиенко, Москва: Физматлит, 2006. 328 с.

20. Матвиенко Ю. Г. Тенденции нелинейной механики разрушения в проблемах машиностроения / Ю. Г. Матвиенко, Москва: Ижевск: Институт компьютерных исследований, 2015. 56 с.

21. Махутов Н. А. Деформационные критерии разрушения и расчет элементов конструкций на прочность / Н. А. Махутов, Москва: Машиностроение, 1981. 272 с.

22. Мельников Н. П., Винклер О. Н., Махутов Н. А. Условия и причины хрупких разрушений строительных стальных конструкций // Материалы по металлическим конструкциям. 1972. № 6. С. 14-27.

23. Морозов Е. Н. Температурная зависимость предела трещиностойкости // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2007. № 11. С. 62-64.

24. Москвичев В. В. Основы конструкционной прочности технических систем и инженерных сооружений. В 3 ч. Ч. 1. Постановка задач и анализ предельных состояний / В. В. Москвичев, Новосибирск: Наука, 2002. 106 с.

25. Мураками Ю. Справочник по коэффициентам интенсивности напряжений. В 2 т. / Ю. Мураками, Москва: Мир, 1990.

26. Розенштейн И. М. Особенности хрупкого разрушения сварных стальных конструкций // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2007. № 3 (73). С. 53-57.

27. Сибилев А.В., Мишин В.М. Установление критерия хладноломкости стальных образцов на основе критерия локального разрушения // Фундаментальные исследования. 2013. № 4. С. 843-847.

28. Сильвестров А. В., Шафрай С. Д. Анализ отказов листовых конструкций с хрупким разрушением их элементов // Известия вузов. Строительство и архитектура. 1977. № 12. С. 6-10.

29. Соколов С. А. Условие сопротивления усталости сварных узлов в форме локальных напряжений // Вестник машиностроения. 2017. № 12. С. 14-19.

30. Соколов С. А., Васильев И. А., Грачев А. А. Математическая модель упругопластического напряженного состояния материала в вершине трещины // Деформация и разрушение материалов. 2020. № 8. С. 2-4.

31. Соколов С. А., Грачев А. А., Васильев И. А. Анализ прочности элемента конструкции с трещиной в условиях отрицательных климатических температур // Вестник машиностроения. 2019. № 11. С. 42-46.

32. Соколов С. А., Тулин Д. Е. Методика вычисления коэффициента интенсивности напряжений для трещины в области концентратора напряжений // Известия ТулГУ. 2020. № 5. С. 328-335.

33. Соколов С. А., Тулин Д. Е. Влияние собственных остаточных напряжений на сопротивление сварного соединения хрупкому разрушению // Деформация и разрушение материалов. 2023. № 1. С. 2-10.

34. Тулин Д. Е. Исследование упруго-пластического деформирования материала в вершине трещины компактного образца под ред. О. А. Михайленко, Рубцовск: Рубцовский индустриальный институт, 2021.С. 244-250.

35. Тулин Д. Е. Исследование напряженно-деформированного состояния материала в области вершины трещины, расположенной в зоне конструктивного концентратора // Механика машин, механизмов и материалов. 2023. № 3. С. 3742.

36. Тулин Д. Е., Соколов С. А., Грачев А. А. Влияние остаточных сварочных напряжений на сопротивление конструкций хрупкому разрушению // Деформация и разрушение материалов. 2022. № 3. С. 24-30.

37. Ужик Г. В. Прочность и пластичность металлов при низких температурах / Г. В. Ужик, Москва: Изд-во АН СССР, 1957. 192 с.

38. Шлепетинский А. Ю., Манжула К. П. Определения коэффициентов интенсивности напряжений в сварных соединениях металлоконструкций строительных машин с острым непроваром // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Охрана окружающей среды, транспорт, безопасность жизнедеятельности. 2012. № 1. С. 160-167.

39. Ba^zant Z. P., Jir'asek M. Nonlocal integral formulations of plasticity and damage: survey of progress // Journal of Engineering Mechanics. 2002. № 11 (128). C. 1119-1149.

40. Barsom J. M., Rolf S. T. Fracture and Fatigue Control in Structures. Application of Fracture Mechanics / J. M. Barsom, S. T. Rolf, 2-е изд., Englewood Cliffs: Prentice-Hall, Inc., 1987. 629 c.

41. Barsom J. M., Rolfe S. T. K1c Transition-temperature Behavior of A517-F Steel // Engineering Fracture Mechanics. 1971. № 2. C. 341-357.

42. Chen J. H., Ma H., Wang G. Z. Fracture Behavior of C-Mn Steel and Weld Metal in Notched and Precracked Specimens: Part I. Fracture Behavior // Metallurgical Transactions. 1990. (21A). C. 313-320.

43. Eanes W. F. Fracture Mechanics Evaluation of Reactor Vessel Steels. -Westinghouse Electric Corporation, Technical Progress Report for the Period Ending. 1966.

44. Gallagher J. P. Damage tolerant design handbook / J. P. Gallagher, Wright-Patterson Air Force Base (OH): Air Force Materials Laboratory, 1983.

45. Irwin G. R. Analysis of stresses and strains near the end of a crack traversing a plate // J Appl Mech. 1957. № 24. C. 361-364.

46. Klevtsov G. V., Klevtsova N. A., Frolova O. A. Metals fracture micro mechanism and plastic zones formation at the crack tip. European Journal of Natural History // European Journal of Natural History. 2007. № 4. C. 142-147.

47. Palombo M., Sandon S., Marco M. De An Evaluation of Size Effect in CTOD-SENB Fracture Toughness Test // Procedia Engineering. 2015. (109). C. 55-64.

48. Rabczuk T. Computational Methods for Fracture in Brittle and Quasi-Brittle Solids: State-of-the-Art Review and Future Perspectives // Applied Mathematics. 2013. (2013). C. 38.

49. Radaj D., Sonsino C. M., Fricke W. Fatigue assessment of welded joints by local approaches / D. Radaj, C. M. Sonsino, W. Fricke, 2-е изд., Cambridge: Woodhead publ. lim. Cambridge Engl., 2006. 639 c.

50. Rooke D. P., Cartwright D. J. Compendium of stress intensity factors / D. P. Rooke, D. J. Cartwright, London: Her Majesty's Stationery Office, 1976.

51. Seitl S. [и др.]. A refined description of the crack tip stress field in wedge-splitting specimens - a two-parameter fracture mechanics approach // Applied and Computational Mechanics. 2009. № 3. C. 375-390.

52. Severyn A. Brittle fracture criterion for structures with sharp notches // Eng. Fract. Mech. 1994. № 5 (47). C. 673-681.

53. Sokolov S. A., Grachev A. A. Local criterion for strength of elements of steelwork // International Review of Mechanical Engineering. 2018. № 5 (12).

54. Sokolov S. A., Tulin D. E. Modeling of Elastoplastic Stress States in Crack Tip Regions // Physical Mesomechanics. 2021. № 3 (24). C. 237-242.

55. Sokolov S. A., Tulin D. E. Mathematical Model of Brittle Fracture of a Cracked Part // Physical Mesomechanics. 2022. № 1 (25). C. 72-79.

56. Sokolov S. A., Vasil'ev I. A., Tulin D. E. Estimation of the Increase in the Yield Strength of Building Steels at Negative Temperatures // Russian Metallurgy (Metally). 2022. № 4 (2022). C. 396-399.

57. Sokolov S., Tulin D., Vasiliev I. Investigation of the size of the fracture process zone and the cleavage stress in cracked steel parts // Fatigue Fract Eng Mater Struct. 2023. № 3 (46). C. 1159-1169.

58. Starvin M. S., Ganesh K. C., Pandiyarajan R. Correlation of fracture parameters during onset of crack in middle tension specimen // Journal of Computational Design and Engineering. 2017. № 3 (4). C. 169-177.

59. Susmel L., Taylor D. The theory of critical distances to predict static failures in ductile metallic materials containing different geometrical features // Engineering Fracture Mechanics. 2008. № 15 (75). C. 4410-4421.

60. Tada H., Paris P. C., Irwin G. R. The stress analysis of cracks handbook / H. Tada, P. C. Paris, G. R. Irwin, 3-e H3g., New York: ASME Press, 2000.

61. Tanabe Y. Fracture Toughness for Brittle Fracture of Elastic and Plastic Materials // Materials Transactions. 2013. № 3 (54). C. 314-318.

62. Tulin D. E. State of Stress in a Plate with a Semielliptical or Through Crack // Russian Metallurgy (Metally). 2021. № 10 (2021). C. 1213-1216.

63. Tunnicliffe M. C. The Fracture Toughness of low Carbon Steels; the effects of grain size and Temperature. A thesis submitted in fulfilment of the requirements for the Degree of Doctor of Philosophy in Mechanical Engineering in the University of Canterbury 1991.

64. Turner C. E., Radon J. C. Fracture toughness measurements on low strength structural steels. 1969.C. 15.

65. Vakili-Tahami F., Sorkhabi A. H. D. Finite element analysis of thickness effect on the residual stress in butt-welded 2.25Cr1Mo steel plates // Journal of Applied Sciences. 2009. № 9. C. 1331-1337.

66. Vedernikova A. [h gp.]. On the use of the critical distance concept to estimate tensile strength of notched components under dynamic loading and physical explanation theory // Theoretical and Applied Fracture Mechanics. 2019. (103).

67. Wang Y. Q. [h gp.]. Experimental study on the through-thickness properties of structural steel thick plate and its heat-affected zone at low temperatures // Journal of Zhejiang University-SCIENCE A (Applied Physics & Engineering). 2015. № 3 (16). C. 217-228.

68. Wei C. Y., Jiang W. G. Influence of welding groove on residual stress and distortion in T-joint weld 2020.

69. Wessel E. T., Clark W. G., Wilson W. K. Engineering Methods for the Design and Selection of Materials Against Fracture. - Westinghouse Research Laboratories, Final Tech. Report No. DA-30-069-AMC-602(T). 1966.

70. Williams M. L. On the stress distribution at the base of a stationary crack // J Appl Mech. 1957. № 24. C. 109-114.

71. Zhu X. K., Joyce J. A. Review of fracture toughness (G, K, J, CTOD, CTOA) testing and standardization // Eng. Fract. Mech. 2012. (85). C. 1-46.

72. Zia-Ebrahimi F. Ductile-to-brittle transition in steel weldments for arctic structures // National Bureau of Standards. 1985. C. 68.

73. DASt-Ri 009 Empfehlungen zur Wahl der Stahlsorte für geschweißte Stahlbauten // 1998.

74. Bruchmechanischer Festigkeitsmachweis fuer Maschinenbauteile. FKM-Richtlinie Frankfurt/Main: VDMA-Verlag GmbH, 2001. 253 c.

75. ГОСТ 25.506-85 Методы механических испытаний металлов. Определение характеристик трещиностойкости (вязкости разрушения) при статическом нагружении // Стандартинформ. 2005. C. 61.

76. DIN EN ISO 15653:2010—09 Metals. Test method for determining the quasi-static fracture toughness of welded joints // CEN European Committee for Standardization. 2010.

77. ГОСТ 19281-2014 Прокат повышенной прочности. Общие технические условия // Стандартинформ. 2021. C. 47.

78. ГОСТ 9454-78 Металлы. Метод испытания на ударный изгиб при пониженных, комнатной и повышенных температурах.

79. ASTM A302B Standard Specification for Pressure Vessel Plates, Alloy Steel, Manganese-Molybdenum and Manganese-Molybdenum-Nickel.

80. BS 7910:2005 Guide to methods for assessing the acceptability of flaws in metallic structures, Annex. M.

6. Приложения Приложение А (обязательное)

Таблица А.1 - Величины к2, полученные на моделях гладких пластин и моделях с аналогичными трещинами.

Обозначение трещины ¿1, мм Н, мм Ъ/г к2 $2

Пластины без концентраторов

6x10 0,2 2,772 1,997

6x15 0,2 3,128 2,069

6x30 0,2 3,568 2,128

12x18 0,4 3,598 2,129

12x20 30 0,4 3,704 2,179

12x30 0,4 3,896 2,254

12x60 0,4 4,335 2,352

18x30 0,6 4,076 2,206

18x45 0,6 4,423 2,304

18x90 - 0,6 5,442 2,467

6,4x10,7 0,4 3,004 1,998

6,4x16 16 0,4 3,542 2,077

9,6x16 0,6 3,911 2

9,6x24 0,6 4,629 2,092

8x12 30 0,267 2,941 2

15x30 0,5 4,765 2,246

5x7.5 0,25 2,541 1,866

10x15 20 0,5 3,305 2,078

14x21 0,7 4,208 2,376

Нахлёсточное соединение, поперечный шов

5x7,5 20 12 0,25 3,056 2,185

24 3,42 2,249

Продолжение Таблицы А.1

10x15 12 0,5 3,815 2,342

24 4,123 2,428

Нахлёсточное соединение, продольный и поперечный шов

5x7,5 20 12 0,25 2,875 2,092

24 3,289 2,192

10x15 12 0,5 3,784 2,338

24 3,983 2,394

Тавровое соединение, кольцевой шов

5x7,5 20 25 0,25 2,835 2,235

10x15 0,5 3,368 2,383