Влияние сжимающей части цикла знакопеременного нагружения на усталостную долговечность элементов металлических конструкций тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.23.01, кандидат технических наук Зимонин, Евгений Александрович

• Зимонин, Евгений Александрович
• кандидат технических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат технических наук Зимонин, Евгений Александрович

Глава 1 СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ РАСЧЕТА ДОЛГОВЕЧНОСТИ КОНСТРУКЦИЙ. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1 Анализ причин разрушения металлических конструкций.

1.2 Эксплуатационные режимы нагружения металлических конструкций

1.3 Анализ результатов дефектоскопии сварных швов.

1.4 Анализ методов расчета усталостной долговечности металлических конструкций.

1.4.1 Нормативные методы расчета.

1.4.2 Концепция КИН и модели роста усталостных трещин.

1.4.3 Влияние сжимающей части цикла знакопеременного нагружения на кинетику развития усталостных трещин.

1.4.4 Подходы к прогнозированию усталостной долговечности металлических конструкций.

Глава 2 МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ.

2.1 Выбор методики исследования напряженного состояния в окрестности вершины трещины при упругопластическом деформировании материала.

2.1.1 Статическое нагружение.

2.1.2 Циклическое нагружение (разгрузка и повторное нагружение).

2.2 Выбор образца для исследований.

2.3 Выбор сталей для исследования.71'

2.4 Методика определения коэффициента интенсивности напряжений.

2.4.1 По полю напряжений.

2.4.2 Метод J-интеграла.

Глава 3 РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ.

3.1 Исследование кинетики напряженного состояния материала в вершине трещины при однократном и циклическом нагружениях.

3.1.1 Статическое нагружение.

3.1.2 Циклическое нагружение.

3.1.3 Влияние циклических пластических деформаций на величину

3.2 Изучение развития пластических деформаций в вершине трещины при однократном и циклическом нагружениях.

3.2.1 Статическое нагружение.

3.2.2 Циклическое нагружение.

3.3 Модель определения эффективного размаха КИН при регулярном знакопеременном нагружении.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Влияние сжимающей части цикла знакопеременного нагружения на усталостную долговечность элементов металлических конструкций»

Широкое применение в различных отраслях промышленности находят разнообразные, главным образом сварные металлические конструкции и сооружения: резервуары, газгольдеры, магистральные трубопроводы, сосуды давления, мачты, башни, опоры воздушных линий электропередач, подкрановые балки, опорные блоки морских платформ для добычи нефти и газа, несущие конструкции мостов и промышленных зданий. Большинство из них испытывают воздействие повторно-статических или циклических нагрузок, вызванных изменениями объема хранимого продукта, колебаниями рабочего давления, порывами ветра, глубоководным волнением, работой установленного на них силового оборудования или движением транспорта. Эксплуатация таких сооружений не обходится без аварийных ситуаций, которые возникают в результате потери несущей способности или разрушения отдельных элементов этих сооружений. Как правило, аварии сопровождаются, значительным материальным и экологическим ущербом, а иногда, и гибелью людей. Стремление к снижению количества аварий и сведения до минимума наносимого ими ущерба приводит к необходимости совершенствования методов расчетной оценки надежности и долговечности конструкций, воспринимающих циклические нагрузки.

В существующих строительных нормах вопросы оценки надежности и долговечности конструкций не нашли должного отражения. Так, в частности, в СНиП П-23-81* фактор времени эксплуатации учитывается лишь косвенно коэффициентами надежности по нагрузке и условий работы. Несущая способность сечений рассматривается независящей от характера нагружения и неизменной в течение всего срока эксплуатации сооружения. Влияние дефектов на прочность и выносливость конструкций не рассматривается. Предполагается, что на протяжении всего срока службы в расчетных сечениях не должно быть трещин, в том числе усталостных. Однако, при массовом изготовлении сварных металлоконструкций наличие в них дефектов в виде пор, включений, подрезов, непроваров, сварочных трещин практически неизбежно. При однократном на-гружении подобные дефекты, как правило, не снижают несущей способности конструкции из-за их относительно небольших размеров. При циклическом же нагружении (даже сравнительно низкого уровня) они могут трансформироваться в усталостные трещины. Сочетание таких неблагоприятных факторов, как конструктивная концентрация напряжений от нагрузки, наличие дефектов сварки и остаточных сварочных напряжений значительно сокращает период инициации усталостных трещин, который может составлять не более 5% от общей долговечности. Таким образом, большая часть времени эксплуатации сооружения приходится на стадию роста усталостной трещины, которая характеризуется постепенным снижением несущей способности элемента (конструкции). В этих условиях ресурс определяется временем подрастания трещины до некоторого критического размера, соответствующего моменту достижения одного из предельных состояний (разгерметизация резервуаров, недопустимое снижение несущей способности расчетного сечения вследствие ослабления его трещиной и др.). В этой связи на первый план выходит проблема достоверной оценки ресурса, т.е. способности безопасно функционировать при эксплуатационных воздействиях на протяжении заданного периода при наличии несовершенств и технологических дефектов.

В последние четыре десятилетия определенные успехи в решении указанной проблемы связаны с применением методов механики разрушения. Исследованию кинетики роста усталостных трещин и анализу долговечности конструкций посвящены многочисленные работы отечественных и зарубежных авторов, выполненные за этот период. Одним из основных направлений этих исследований является разработка моделей роста трещин, учитывающих влияние ряда факторов эксплуатационного нагружения.

Анализ опубликованных работ показывает, что существующие модели роста трещин не позволяют учитывать влияние величины сжимающей части цикла знакопеременного нагружения на скорость развития усталостных трещин.

Вместе с тем, имеющиеся экспериментальные данные, свидетельствуют, что с увеличением сжимающей части цикла знакопеременного нагружения скорость роста усталостных трещин возрастает.

В связи с этим изучение влияния сжимающей части цикла на долговечность элементов металлических конструкций, в сечениях которых имеет место знакопеременное циклическое изменение напряжений, имеет важное значение.

В рамках настоящей работы были выполнены исследования влияния сжимающей части цикла знакопеременного нагружения на кинетику роста усталостных трещин.

Ниже излагается цель работы, краткое содержание работы по главам, отмечены научная новизна и практическая ценность, приведены выносимые на защиту положения.

Цель работы. Совершенствование методики расчета долговечности элементов металлических конструкций, учитывающей наличие в расчетных сечениях исходных технологических дефектов, макротрещин и влияние на их развитие сжимающей части цикла знакопеременного нагружения

В первой главе анализируются причины разрушения различных металлических конструкций, отмечается наносимый при этом экономический и экологический ущерб. Приводятся данные об эксплуатационных режимах нагружения широко распространенных металлоконструкций. Рассмотрены данные статистической обработки данных дефектоскопии сварных соединений металлических конструкций. Дан критический обзор наиболее известных моделей роста усталостных трещин при циклическом нагружении и подходов к расчету циклической долговечности металлических конструкций. Выполнен анализ опубликованных данных, затрагивающих проблему влияния сжимающей части цикла знакопеременного циклического нагружения на скорость роста усталостных трещин.

Во второй главе описывается методика исследований при статическом и циклическом нагружениях, обосновывается выбор сталей и типа используемого образца. Приводится обоснование выбора методик определения коэффициента интенсивности напряжений (КИН).

В третьей главе приведены результаты экспериментального исследования кинетики напряженно-деформированного состояния материала в окрестности вершины трещины при однократном и циклическом знакопеременном нагружении.

Полученные результаты составили необходимую и достаточную экспериментальную базу для разработки математической модели роста трещины при знакопеременном циклическом нагружении. Выполнена проверка адекватности предложенной модели посредством обработки экспериментальных данных, полученных в других исследованиях.

Четвертая глава посвящена разработке методики расчетной оценки долговечности и надежности металлических конструкций, в основу которой положена предложенная в третьей главе диссертации модель роста усталостной трещины. Данная методика позволяет выполнить оценку долговечности элементов металлических конструкций в сечениях которых реализуется знакопеременное изменение напряжений с учетом исходных дефектов и макротрещин.

В этой же главе приведены примеры расчетов усталостной долговечности сварной подкрановой балки и элемента решетчатой конструкции радиорелейной башни.

Список литературы состоит из 190 наименований.

В приложение включены акты о внедрении методики расчетной оценки усталостной долговечности элементов металлических конструкций в ОАО «Магнитогорский ГИПРОМЕЗ» (г. Магнитогорск) и ЗАО МНТЦ «Диагностика» (г. Магнитогорск).

Научную новизну работы составляют:

1. Закономерности кинетики перераспределения активных и остаточных сжимающих напряжений при различных коэффициентах асимметрии цикла регулярного знакопеременного нагружения.

2. Закономерности влияния пластических деформаций, протекающих в вершине трещины при однократном и знакопеременном циклическом нагружении, на величины максимального коэффициента интенсивности напряжений (КИН) Ктах и размаха КИН АК.

3. Модель определения эффективного размаха коэффициента интенсивности напряжений при регулярном знакопеременном нагружении.

4. Усовершенствованная методика расчета долговечности элементов металлических конструкций, в сечениях которых возможно наличие исходных технологических дефектов и макротрещин, период развития которых до критического размера определяет срок службы конструкции, и влияние на их развитие величины сжимающей части цикла знакопеременного нагружения.

Практическая ценность работы состоит в том, что полученные результаты использованы при совершенствовании инженерной методики расчета усталостной долговечности и надежности элементов металлических конструкций при знакопеременном циклическом нагружении с учетом наличия в расчетных сечениях исходных трещиноподобных дефектов и макротрещин.

На защиту выносятся:

1. Закономерности влияния пластических деформаций, протекающих в вершине трещины при однократном и циклическом нагружении на величины максимального значения КИН Ктах и размаха КИН АК.

2. Закономерности кинетики перераспределения перед фронтом трещины активных и остаточных сжимающих напряжений при различных коэффициентах асимметрии цикла регулярного знакопеременного нагруже-ния.З. Закономерности влияния величины сжимающей части цикла знакопеременного нагружения на перераспределение напряжений в окрестности вершины трещины и кинетику роста усталостных трещин.

3. Модель определения эффективного размаха коэффициента интенсивности напряжений при регулярном знакопеременном нагружении, основанная на учете взаимодействия активных и остаточных сжимающих напряжений перед фронтом трещины.

4. Усовершенствованная методика расчета долговечности элементов металлических конструкций, учитывающая наличие в расчетных сечениях исходных технологических дефектов и макротрещин, период подрастания- которых до критических размеров определяет срок службы конструкции, и влияние на их развитие величины сжимающей части цикла знакопеременного нагружения.

Заключение диссертации по теме «Строительные конструкции, здания и сооружения», Зимонин, Евгений Александрович

ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Изучены закономерности перераспределения напряжений в окрестности вершины трещины при знакопеременном нагружении.

Установлено: в процессе снижения внешней растягивающей нагрузки при относительной величине текущей нагрузки Рщек/Ртах=0,63.0,82 в окрестности вершины трещины формируются остаточные сжимающие напряжения; при этом протекают два противоположных процесса — рост остаточных сжимающих напряжений по мере снижения нагрузки и снижение остаточных сжимающих напряжений вследствие перераспределения напряжений из-за протекания циклических пластических деформаций сжатия;

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Зимонин, Евгений Александрович, 2010 год

1. Александров А.Я., Ахметзянов М.Х. Поляризационно-оптические методы механики деформируемого тела. М.: Наука, 1973. - 576 с.

2. Анкудинов А.Б., Варяница В.Ю., Соболев Н.Д. Изучение кинетики развития трещин малоцикловой усталости при сжимающих перегрузках. В кн. Прочность и долговечность материалов и конструкций атомной техники. — М. 1982.-С. 10-15.

3. Арушонок Ю.Ю. Усталостная долговечность металлических конструкций при стационарных случайных воздействиях: Дис. канд. техн. наук. — М., 1993.-183 с.

4. Аугусти Г., Баратта А., Кашиати Ф. Вероятностные методы в строительном проектировании. -М.: Стройиздат, 1988. 584 с.

5. Аугустин Я., Шледзевский Е. Аварии стальных конструкций. — М.: Стройиздат, 1978.-С. 69-71.

6. Бадаев А. С. Разрушение стальных конструкций. М.: НИИИноФормтяш-маш, 1972. - 42 с.

7. Беляев Б.И., Корниенко В. С. Причины аварий стальных конструкций и способы их устранения. М.: Стройиздат, 1950. - С. 144-153.

8. БроекД. Основы механики разрушения. М.: Высш. шк., 1980. - 68 с.

9. Буренко А.Г., Верхолаб Н.Г., Михеев П.П. Сопротивление усталости сварных соединений при сжатии // Автоматическая сварка. 1982. - № 4. - С. 14-17.

10. Варяница В.Ю., Соболев Н.Д. Кинетика разрушения при малоцикловой усталости в условиях нестационарного нагружения // Физика и механика деформации и разрушения. —М.: Энергоиздат, 1981. —Вып. 9. С. 15-18.

11. Васкевич А.А., Кузнецов А.П. Дефектоскопия и причины разрушения резервуаров // Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья. -М., 1970. -№ 12.-С. 14-16.

12. Винклер О.Н., Ларионов В.В., Махутов Н.А. и др. Условия механической нагруженности газгольдеров в процессе эксплуатации. Реф. сб.: Проектирование металлических конструкций, серия VII, вып. 2. — ЦНИИС Госстроя СССР, 1972. С. 12-17.

13. Воронцов В.К. Исследование напряженно-деформированного состояния металла при прокатке поляризационно-оптическим методом: Автореф. канд. техн. наук. М., 1963. — 20 с.

14. Галлагер Р. Метод конечных элементов. Основы. М.: Мир, 1984. - 428 с.

15. Гликман А.А., Гуревич Б.Г., Слюта Г.Д. О явлении зарождения усталостного разрушения в зоне действия переменных сжимающих напряжений при изгибе. В кн. Некоторые вопросы прочности металлов. — JL, 1975. — С. 24-29.

16. ГОСТ 25.504-82. Расчеты и испытания на прочность. Методы расчета характеристик сопротивления усталости.

17. Гузевич Ю.Д. Возникновение усталостных трещин в сварных соединениях под действием сжимающих усилий // Автоматическая сварка. 1967. - № 6. - С. 40-42.

18. Гусенков А.П. Прочность при изотермическом и неизотермическом малоцикловом нагружении. -М: Наука, 1979. 295 с.

19. Гусенков А.П. Свойства диаграмм циклического деформирования при нормальных температурах / Сопротивление деформированию и разрушению при малом числе циклов нагружения. М.: Наука, 1967. — С. 36-38.

20. Данные отдела АС ЦНИИПСКа.

21. Делъ Г.Д. Определение напряжений в пластической области по распределению твердости. — М.: Машиностроение, 1971. — 199 с.

22. Дмитриев Ф.Ф. Крушение инженерных сооружений. — М.: Стройиздат, 1963.-188 с.

23. Доценко A.M. Влияние редких сжимающих перегрузок на развитие усталостной трещины // Заводская лаборатория. 1971. — № 3. - С. 257.

24. Емельянов О.В. Влияние сжимающих перегрузок на усталостную долговечность элементов металлоконструкций: Дис. канд. техн. наук. М., 1990. -181 с.

25. Еремин К.И. Ресурс фланцевых соединений при наличии трещинопо-добных дефектов сварки: Автореф. дис. канд. техн. наук. — М., 1986. — 20 с.

26. Зааль. Рост усталостных трещин в надрезанных образцах при сжимающей средней нагрузке. Теоретические основы инженерных расчетов. — 1972. — № 1. С. 267-272.

27. Зенкевич O.K. Метод конечных элементов в технике. — М.: Мир, 1975. — 541 с.28: Злочевский А.Б. Влияние концентрации напряжений на статическую прочность термоупрочненной стали класса. С-75: Дис. канд. техн. наук. — М., 1968.-150. с.

28. Злочевский А.Б. Долговечность элементов конструкций в связи с кинетикой усталостного разрушения: Дис. докт. техн. наук. М., 1985. - 383 с.

29. Злочевский А.Б., Шувалов А.Н. Факторы. тормозящие рост усталостных трещин после перегрузок // Физико-химическая механика материалов. -1985.-С. 41-46.

30. Иванова В.С, Терентъев В.Ф. Природа усталости металлов. — М.: Металлургия, 1975. 455 с.

31. Ильюшин А.А. Пластичность. ОГИЗ, 1948.

32. Исгша Такаси. Причины аварий при хранении нефти в резервуарах на предприятиях компаний «Мицубиси сэкию» // Добоку сэко. 1975. — 16. — №9.-С. 93-94.

33. Карзов Г.П., Леонов В.П., Тимофеев Б.Г. Новый подход к оценке качества сварных соединений. Л.: ЛДНТП, 1978. — 26 с.

34. Карзов Г.П., Розанов М.П., Тимофеев Б.Г. Влияние дефектов на малоцикловую усталость сосудов давления // Труды Всесоюзного симпозиума по вопросам мало цикловой усталости. — Каунас, 1971.

35. Кикин А.И., Васильев А.А., Кашутин Б.Н. Повышение долговечности металлических конструкций промышленных зданий. — М.: Стройиздат, 1984.

36. Ковалев В.Г. О возможности использования линий скольжения для определения поля напряжений при вытяжке // Кузнечно-штамповочное производство. 1966. - № 5. - С. 17-19.

37. Когаев В.П., Махутов Н.А., Гусенков А.П. Расчеты деталей машин и конструкций на прочность и долговечность / Справочник. М.: Машиностроение, 1985.-24 с.

38. Коданеев А.И. Исследование концентрации напряжений при пластической области: Автореф. дис. канд. техн. наук. М., 1947. — 22 с.

39. Контроль качества сварки / Под ред. Волченко В.И. М.: Машиностроение, 1975.-328 с.

40. Коцанъда С. Усталостное растрескивание металлов. М.: Металлургия, 1990.-624 с.

41. Кошутин Б.Н. Определение коэффициента перегрузки вертикальной крановой нагрузки на основании статистического изучения работы кранов в действующих цехах: Автореф. канд. диссер. МИСИ им. В.В. Куйбышева. — М., 1961.-21 с.

42. Крукер. Влияние сжимающей части симметричного цикла нагружения на рост усталостных трещин в высокопрочных сплавах // Конструирование и технология машиностроения. — 1971. — № 4. — С. 8-11.

43. Крылов Ю.М. Об эмпирическом спекре ветрового волнения на глубоком море. в кн.: Морское волнение, труды ГОИН. — Л.: Энергия, 1961. - Вып. 67. — 272 с.

44. Кунин Ю.С., Эглескалн Ю.С. Исследование статистических свойств режимов нагружения подкрановых конструкций // Промышленное строительство. 1969. - №9. - С. 36-39.

45. Курихара М, Като А., Кавахара М. Анализ скоростей распространения усталостной трещины в широком диапазоне значений коэффициента асимметрии цикла // Теоретические основы инженерных расчетов. — 1986. — № 2. -С. 133-141.

46. Лащенко М.Н. Аварии металлических конструкций зданий и сооружений. JL: Стройиздат, 1969.

47. Лядецкий И.А. Влияние режима нагружения на усталостную долговечность элементов металлоконструкций: Дис. канд. техн. наук. М., 2003. — 181 с.

48. Мазепа А.Г., Гринь Е.А., Морозова Г.И. Исследование кинетики роста трещин в условиях симметричного и пульсирующего нагружения // Проблемы прочности. 1981.-№ И.-С. 23-27.

49. Мельников Н.П. Металлические конструкции / Современное состояние и перспективы развития. М.: Стройиздат, 1983. - 541 с.

50. Микляев П.Г., Нешпор Г.С, Кудряиюв В.Г. Кинетика разрушений. — М.: Металлургия, 1979. 279 с.

51. Михайлов П.И., Волков А.Г. Исследование на выносливость сварных газгольдеров. -М.: БНИЦАГИ, 1964. 16 с.

52. Морозов Е.М, Никишков Г.П. Метод конечных элементов в механике разрушения. -М.: Наука, 1980. С. 254-256.

53. Москвитин В.В. Пластичность при переменных нагружениях. — М.: изд. МГУ, 1965.

54. Нормы американского общества инженеров-механиков для котлов и сосудов давления. ЦНИИАТОМИНФОРМ., вып. 4, разд. 3. - М., 1962. - С. 97-113.

55. Постное В.А., Келъман Б.Е., Черенков Н.И. Применение МКЭ для анализа напряженного состояния конструкций при циклических нагружениях в уп-ругопластической области: Сб. НТО Судостроительной промышленности. -Вып. 184.-1972.-С. 21-34.

56. Постное В.А., Хархурим И.Я. Метод конечных элементов в расчетах судовых конструкций. JL: Судостроение, 1974. - 343 с.

57. Пригоровский НИ. Методы исследования напряжений. М.: 1976. -130 с.

58. Прочность сварных соединений при переменных нагрузках / Под ред. Труфякова В.И. Киев: Наукова думка, 1990. — 256 с.

59. Ренне И.П., Юдин Л.Г. О точности значений локальных деформаций при использовании делительной сетки с малой базой // Заводская лаборатория. -1967.-№ 1.-С. 96-97.

60. Ромвари Л., Тот Л., Надь Д. Анализ закономерностей распространения усталостных трещин в металлах // Проблемы прочности. 1980. - №12. - С. 18-28.

61. Сапунов Н.Е. Никишина А.Г. Пожаро и взрывобезопасность складов и баз сжиженных углеводистых газов. — М.: ЦНИИГЭНефтеХим, 1975. — 58 с.

62. Сегерлинд Л. Применение метода конечных элементов. — М: Мир, 1979. -392 с.

63. Такаси Навору. Разрушение нефтяных резервуаров. — Киндзоку, 1975.1-T. 45. -№4.-С. 52-53.

64. Тейлор Д., Лыоис Р., Рамсей Д. Проверка конструкционной прочности существующей аэродинамической трубы. Труды АОИМ, Теор. осн. инж. расч. М.: Мир, 1974. - №2. - С. 43-53.

65. Теокарис П. Муаровые полосы при исследовании деформаций. — М.: Мир, 1972.-335 с.

66. Тихомиров В.М. Рост трещины при знакопеременном цикле нагружения // Прикладная механика и техническая физика. 2008. - Т. 49. - № 5. - С. 190-198.

67. Топпер Ю. Влияние прочности материала, коэффициента асимметрии цикла и сжимающей перегрузки на пороговый размах коэффициента интенсивности напряжений для стали SAE1045 //Теоретические основы инженерных расчетов. 1985. - Т. 107. - № 1. — С. 20-26.

68. Трощенко В. Т., Ясний П.В., Покровский В.В., Попов А.А. Влияние температуры и асимметрии нагружения на циклическую трешиностойкость стали 15Х2НМФА//Проблемы прочности. 1981. -№ Ю. - С. 3-7.

69. Трощенко В.Т., Ясний ИВ., Покровский В.В., Скоренко Ю.С. Методика и некоторые результаты исследования раскрытия трещин усталости // Проблемы прочности. 1987. - № 10. — С. 8-13.

70. Уваров Б.Ю. Статистическое исследование вертикальных нагрузок от подвесных однобалочных кранов. ВНИИС. Библиографический указатель депонированных рукописей. М., 1980. — Вып. 3. — 34 с.

71. Фалъкевич А. С, Анучкин М.П. Прочность и ремонт стальных резервуаров и трубопроводов. -М.: Гостехиздат, 1955. 148 с.

72. Шапкин B.C. Расчетно-экспериментальная оценка длительности развития усталостных трещин в тонкостенных элементах авиаконструкций при нерегулярном нагружении: Автореф. дис. канд. техн. наук. М., 1989. 29 с.

73. Шаханов С.Б. Дефекты сварных соединений и методы их устранения. — JL: 1980. 80 с.

74. Шкинев А.Н. Аварии в строительстве. М.: Стройиздат, 1984. — 320 с.

75. Шнейдерович P.M., Левин О.А. Измерение полей пластических деформаций методом Муара. М.: Машиностроение, 1972. - 152 с.

76. Шувалов А.Н. Влияние испытательной перегрузки на усталостную долговечность листовых конструкций: Дис. канд. техн. наук. — М., 1982. 236 с.79.