книги / Прочность конструкций при малоцикловом нагружении
..pdfАКАДЕМИЯ НАУК СССР
ИНСТИТУТ МАШИНОВЕДЕНИЯ им. А. А. БЛАГОНРАВОВА
ПРОЧНОСТЬ
КОНСТРУКЦИЙ
ПРИ МАЛОЦИКЛОВОМ
НАГРУЖЕНИИ
ИЗДАТЕЛЬСТВО «НАУКА»
МОСКВА 1983
УДК |
621 : 539.43.001.24 |
|
|
|
|
|
|||
Прочность |
конструкций |
при |
м алоцнкловом |
нагружении. |
Маху- |
||||
тов Н. |
А., |
Воробьев А. 3., Гаденин М .М ., Дульнев Р. А., Зацарин- |
|||||||
ный |
В. В., Злочевский А. Б., Каган |
В. А., |
Казанцев А. |
Г., Кон |
|||||
дратьев А. |
Д., Ларионов |
В. В., Левин |
О. А., Москвитин Г. В., Пе |
||||||
тушков |
В. А., |
Романов |
А. |
Н., Свирский |
Ю. А., Сенин В. С., |
||||
Филатов В. М., |
Хуршудов |
Г. X ., Шувалов А. Н. М.: Наука, 1983. |
|||||||
Табл. 18, ил. 124, библиогр. 185 назв. |
|
|
|
Монография посвящена анализу условий работы высоконагруженных конструкций (энергетические установки, летательные аппа раты, роторы, сосуды давления, тонкостенные оболочечные кон струкции, сварные строительные конструкции, узлы разъемных соединений) и критериев эксплуатационного повреждения при ма лоцикловом нагружении. Излагаются методы расчетного и экспери ментального определения напряженно-деформированных и пре дельных состояний на образцах, моделях и натурных конструкциях.
Рассчитана на научных и инженерно-технических работников.
Ответственные редакторы
профессор, доктор технических наук Н. А. МАХУТОВ,
доктор технических наук А. Н. РОМАНОВ
2105000000-265„ |
© Издательство «Наука». |
П 042(02)-83 322-83-11 |
1983 г. |
ПРЕДИСЛОВИЕ
Расчет высоконагруженных элементов конструкций на малоцикло вую усталость — сложная задача, для решения которой необхо димо использовать результаты комплексного исследования как условий их нагружения, так и циклических свойств материалов. Сейчас оценки прочности конструкций на стадиях проектирования и эксплуатации либо основываются главным образом на углублен ном расчете их статической прочности, либо дополняются расче том на усталость и длительную прочность, в том числе с учетом соответствующих вероятностных представлений.
Однако в связи е нарастанием единичных мощностей совре менного оборудования при одновременном сокращении их метал лоемкости все более очевидной становится необходимость разви тия наряду с указанными выше методами традиционных расчетов на прочность новых методов расчетов ш Сопротивление малоцикловому разрушению, поскольку в экспериментальных условиях эксплуатации элементов машин в наиболее нагруженных зонах возникают местные упругопластические деформации. Последние в силу периодичности большинства рабочих процессов машин ока зываются повторными и, как правило, знакопеременными даже при пульсирующих циклах изменения номинальных параметров нагруженности. Такие условия деформирования вызывают по явление в рассматриваемых высоконагруженных зонах элементов конструкций (как правило, это зоны конструктивной концентра ции напряжений) эксплуатационных повреждений в виде трещин малоцикловой усталости и выход тем самым из строя наиболее от ветственных узлов машин.
Выпускаемая издательством «Наука» серия монографических публикаций по вопросам малоцикловой прочности, к которой от носится и настоящая монография, рассматривает в логической последовательности основные подходы к оценке сопротивления материалов и элементов конструкций циклическому упругопласти ческому деформированию и разрушению. В первой из этих моно графий — «Прочность при малоцикловом нагружении» (1975 г.) — изложены основополагающие аспекты методов оценки малоцик ловой прочности конструкционных материалов и методов их ис пытаний, приведены экспериментально обоснованные закономер ности деформирования и разрушения, которые описывают характер поведения материалов в рассматриваемых условиях нагружения. Следующая монография — «Поля деформаций при малоцикловом
3
нагружении» (1979 г.) — рассматривает методы и результаты ис следований напряженно-деформированных состояний в зонах кон центрации, их кинетику по циклам нагружения и достижение предельных состояний по условию накопленных повреждений. Мо нография «Прочность при изотермическом и неизотермическом мало цикловом нагружении» (1979 г.) распространяет описание зако номерностей сопротивления малоцикловому деформированию и разрушению на область высоких температур. Последняя из вышед ших в данной серии монографий — «Уравнения состояния при ма лоцикловом нагружении» (1981 г.) — обобщает полученные к это му времени результаты по описанию поведения материалов в усло виях циклического упругопластического деформирования для различных случаев нагружения, включая сложные его режимы, неоднородное напряженное состояние, температурно-временную кинетику свойств материалов, и дает с помощью соответствующих феноменологических зависимостей и модельных представлений описание указанных процессов деформирования.
В настоящей монографии рассматриваются вопросы малоцик- 10 вой прочности элементов конструкций различных типов обору дования, которым в процессе эксплуатации в наиболее значитель ной степени присущи эффекты малоцикловой усталости. В области энергетического машиностроения для элементов конструкций типа корпусов атомных реакторов, трубопроводов, элементов активной зоны, корпусов и роторов турбин, элементов разъемных соедине ний, теплообменных аппаратов, герметизирующих и компенси рующих элементов актуальны вопросы кинетических закономер ностей деформирования и перехода к предельным состояниям. Для этих конструкций важны вопросы моделирования эксплуатацион ных режимов по частотам, температурам и временам, разработка унифицированных методов расчета на прочность и долговечность при циклическом, длительном циклическом и термоциклическом нагружениях, учет специфики условий нагружения.
Для авиационных конструкций, к которым относятся элементы газотурбинных двигателей, включая диски турбин, лопатки тур бин и компрессоров, конструкции планера и шасси, в рассматри ваемом плане представляют интерес и исследуются закономерно сти накопления и суммирования длительных и циклических по вреждений при высоких температурах в условиях стационарного
и |
нестационарного нагружения, разрабатываются мероприятия |
по |
технологическому и конструкторскому повышению долговеч |
ности, анализируются закономерности накопления эксплуата ционных повреждений на стадиях частичного повреждения тре щинами.
Применительно к тонкостенным конструкциям (сосуды давле ния, компенсирующие устройства, листовые и оболочечные кон струкции, торовые уплотнения) для оценки их малоцикловой прочности необходимы расчетный и экспериментальный анализ напряженно-деформированных состояний в кинетической постанов ке, особенностей возникновения предельных состояний по обра
4
зованию сквозных и несквозных дефектов, нормирование методов расчета напряжений, деформаций и прочности.
Сварные конструкции (стержневые, листовые и оболочечные несущие элементы, подкрановые устройства, трубопроводы, ем кости) требуют при оценках их сопротивления деформированию и разрушению учитывать влияние неоднородности механических свойств и дефектности, связанной с широким использованием сварки, развития методов испытаний и расчетов в связи с эффек том абсолютных размеров сечения конструкций и технологиче ской концентрацией напряжений.
При рассмотрении малоцикловой прочности указанных типов элементов конструкций в настоящей монографии используются результаты и методы, содержащиеся в перечисленных выше мо нографиях данной серии.
Глава 1 настоящей книги написана Н. А. Махутовым, глава 2—
Н.А. Махутовым, В. М. Филатовым, глава 3 — А. Н. Романо вым, Г. X. Хуршудовым, В. С. Сениным, глава 4 — Р. А. Дульневым, глава 5 — О. А. Левиным, А. 3. Воробьевым, Ю. А. Свирским, глава 6 — Н. А. Махутовым, М. М. Гадениным, А. Д. Кондратьевым, глава 7 — А. Б. Злочевским, А. Н. Шуваловым, глава 8 — В. А. Петушковым, Г. В. Москвитиным, глава 9 —
Н.А. Махутовым, В. В. Ларионовым, глава 10 — В. А. Каганом, В. В. Зацаринным, глава 11 — Н. А. Махутовым, В. М. Филато вым, глава 12 — М. М. Гадениным, В. А. Петушковым, А. Г. Ка занцевым.
Составление и подготовка материалов книги осуществлены Н. А. Махутовым и М. М. Гадениным.
Глава 1
ПРОБЛЕМЫ ПРОЧНОСТИ И РЕСУРСА КОНСТРУКЦИЙ
ПРИ МАЛОЦИКЛОВОМ НАГРУЖЕНИИ
§ 1. ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ПРОЧНОСТИ И РЕСУРСА
Обеспечение прочности и ресурса машин и конструкций являет ся одним из наиболее важных условий повышения эффективности их применения в различных отраслях промышленности, снижения материалоемкости, освоения принципиально новых технологиче ских процессов, перехода на более высокие рабочие параметры. Это требует разработки новых методов расчетов на прочность, расчет ной и экспериментальной проверки нагруженности и долговеч ности, создания новых методов и средств определения служебных характеристик конструкционных материалов, развития техноло гических приемов и процессов упрочнения, методов и средств ана лиза состояния материала при изготовлении и эксплуатации, разработки мероприятий по восстановлению и увеличению ресур са. Решение указанных выше задач должно осуществляться на всех основных стадиях создания машин и конструкций — при проектировании, изготовлении, доводке и испытании и в эксплу атации. Аналогичные подходы используются при обосновании возможности продления ресурса безопасной эксплуатации или форсировании режимов действующих машин и конструкций.
Принципиальная схема, характеризующая стадии и этапы соз дания новых машин и конструкций, показана на рис. 1.1. На ста дии конструирования одним из основных элементов является определение запасов прочности и исходного ресурса безопасной эк сплуатации. При этом в расчетах прочности конструкторы исполь зуют исходные данные но основным рабочим параметрам машин и конструкций. Расчеты проводят с применением ЭВМ для опре деления усилий, температур, напряжений и деформаций с учетом эксплуатационных воздействий; в расчетах, как правило, исполь зуют данные по основным характеристикам механических свойств конструкционных металлов. Такие данные содержатся в норматив ных руководящих материалах, справочниках или получаются по результатам стандартных испытаний лабораторных образцов.
Для наиболее сложных узлов конструкций и условий нагру жения проводят испытания моделей для анализа напряженнодеформированных и предельных состояний. На стадии изготовле ния машин и конструкций большое внимание уделяется входному и текущему контролю механических свойств материалов и свар ных соединений и обеспечению их соответствия требованиям тех-
6
## Stf/K
MrjwfrA/f _ А#//0#7Д?#- ЛГС4&/77А/ _#г#А//7?##га /&»/#//• /700#### 0/700/70007# 0$7#0#0<f
J#0#0A7 |
f/#7##t#A |
|
0/700/70007# |
||
|
^0000007#-
###,
0#007###0 |
1^0#70A7770- |
-#&■£###■ |
— anr/rag |
Рис. 1.1. Схема основных задач создания машин и конструкций
нических условий. На этой же стадии осуществляется контроль фактической дефектности несущих элементов для получения ис
ходной |
информации, используемой |
при назначении ресурса бе |
зопасной |
эксплуатации, объема и |
периодической дефектоскопии |
в процессе работы. |
|
Доводка и испытания головных и серийных объектов включают в себя стендовые испытания, в том числе на прочность и ресурс. Для этой цели используют испытательные стенды с воспроизведе нием основных эксплуатационных воздействий при нормальных и форсированных режимах работы.
Результаты расчетов на прочность при конструировании, контроля свойств и состояния дефектов при изготовлении и дан ные стендовых испытаний используют при обосновании и назна чении исходного ресурса.
При вводе машин и конструкций в эксплуатацию все большее значение приобретает контроль за их состоянием с определением эксплуатационных повреждений и остаточного ресурса. Для этих целей разрабатываются и создаются информационно-измеритель ные комплексы натурной тензометрии с многоточечной регистри рующей аппаратурой. Контроль за состоянием дефектов в процессе эксплуатации проводится методами и средствами ультразвуко вого и рентгеновского контроля, проникающих жидкостей, аку стической эмиссии и др. По результатам эксплуатационного конт роля прочности и ресурса производится уточнение режимов эксплуатации, оценка возможности перехода на форсированные режимы, а также определение и назначение остаточного ресурса.
7
# 0 0 /70 0 0 0 |
0 0 /0 0 0 0 |
0 0 0 0 /0 /70 0 0 0 0 |
||||
X |
|
|
Е |
|
Лг00у00700/01 |
|
\/7/7000070/70#000^ |7fj/0070#00000 |
||||||
♦ |
|
|
t |
|
|
3L |
/7#0 С0 0 #0 0 0 /000700/070 0 00000а |
||||||
~3L |
~ |
|
♦'— |
|
|
31 |
Д0004/0 0#0/070 |
#04/000/7400004/0// |
|
Afttf/TTf/Kf// |
|||
#0Я/г 000/^000000 |
0 0 0 000/7/0700/000/7» |
|
/7/?0М0С/774/ |
|||
/*700:000000000 |
/,0Г0/0/?000000 |
|
£’/77/&77М£>ГАГаЯ |
|||
|
.0007/00 _________ |
|
/7/70У//0£/7?4 |
|||
710/1000440 |
0000/70/000000 |
|
~/}///0<?щ///Г#70&ая |
|||
//аг////0 л-// |
/770Л/00/7007///7 |
|
|
|
||
\* -J 704/00/70/7Т///0 |
//000007404/0 |
|
^&7»/77ДЛ!МГаЖ |
|||
|
00000000000 |
|
/7/70WW/776 |
|||
%/С00/70000Л/0# |
Л/000704/0 |
|
|
£ P/p rff/7 T£ f& 7 f//a fjp p |
||
000/70000000 |
|
|||||
|
|
|||||
7%/0ш//0 /0 0 0 0 |
#0000 |
000/70# |
|
4/£У77аЖХУ77£ |
||
|
0/004/0 000000 |
^ ,Дт/77&ГЛМ1Ж4&ЛУГ4- |
||||
7//0/?0 |
000/70000000 |
|
т^4&£йг/вг/фРУАюет* |
|||
|
|
|
|
|
|
|
/7/70Vtf0C/77# |
/700&0Г |
|
|
|
1 |
/70070070004/0 |
|
|
|
|
/700/7/70 |
||
|
|
|
|
|
|
Рис. 1.2. Схема решения вопросов прочности ресурса
Надлежащий уровень выполнения указанных выше разрабо ток вопросов прочности и ресурса позволяет сокращать сроки проектирования, энерго- и материалоемкость машин и конструк
ций, увеличивать |
срок их безопасной эксплуатации, переходить |
к форсированию |
режимов, сокращать объем ремонтно-восстано |
вительных работ. |
|
Общая постановка задач обоснования прочности и ресурса ма шин и конструкций на трех основных стадиях их создания (проек тирование, изготовление, эксплуатация) представлена на рис. 1.2 [1, 2, 3]. Эти задачи включают в себя три основных элемента:
—исходную информацию об условиях нагружения,
—расчетные и экспериментальные данные о номинальных и местных напряжениях в несущих элементах,
—критерии прочности для соответствующих условий нагру жения и основные расчетные уравнения.
Данные об условиях эксплуатационного нагружения являются
исходными при назначении основных расчетных параметров и последующих расчетов прочности и ресурса. К ним в первую очередь относятся механические нагрузки, вызываемые действием давления, веса, центробежных и других инерционных усилий, электромагнитных воздействий, усилиями затяга. Тепловые на грузки и напряжения обусловлены неравномерностью тепловых расширений из-за разности температур в пределах данного эле мента или сопрягаемых элементов, неоднородностью коэффициен-
8
тов линейного расширения применяемых конструкционных мате риалов при изотермических и неизотермических условиях. Одним из важнейших эксплуатационных факторов, определяющих проч ность и ресурс, является температура. Температурный фактор проявляется не только в упомянутом выше возникновении тем пературных напряжений, но и в существенном изменении расчет ных характеристик механических свойств конструкционных ме таллических материалов: увеличение температур приводит к сни жению сопротивления упругопластическим деформациям, а их снижение — к потере пластичности.
Многорежимность работы машин и конструкций с учетом уров ня механических и тепловых нагрузок, абсолютных значений тем ператур эксплуатации влияет на несущую способность и долго вечность наиболее нагруженных элементов. Ускоренная смена режимов и увеличение числа этих смен являются одними из основных причин ускоренного накопления повреждений и умень шения ресурса. Кроме того, сменность режимов приводит к допол нительному увеличению номинальной и местной нагруженности, что, в свою очередь, дает дополнительные эксплуатационные повреждения.
Так как большинство конструкционных материалов, исполь зуемых в широком диапазоне повышенных температур, обладает выраженными реологическими свойствами, то фактор времени становится важнейшим расчетным параметром прочности и ресур са. Увеличение времени работы на режимах с максимальными тем пературами способствует снижению сопротивления деформиро ванию и ускорению накопления повреждений металла в зонах с вы сокими местными напряжениями.
Усложнение условий работы машин и конструкций сопряжено с необходимостью учета при определении прочности и ресурса влияния окружающих сред на характеристики механического по ведения материалов. \Факторами сред, оказывающими такое влия ние, могут быть коррозия и эрозия от потоков газов и жидкостей, радиационные повреждения, водородная хрупкость, окисление. При этом часть сред имеет преимущественно поверхностное воз действие на материалы (коррозия, окисление), в других случаях воздействие сред приводит к изменению сопротивления образова нию и развитию разрушения по объему нагруженных деталей (ра диация, наводороживание) J
По данным об условиях эксплуатационного нагружения при расчетах прочности и ресурса определяется номинальная и мест ная нагруженность. С этой целью проводится анализ распределет ния усилий как между основными элементами машин и конструк ций, так и в пределах рассматриваемого элемента. Для такого анализа существенное значение имеет выбор и обоснование расчет ных схем, когда реальные конструктивные элементы заменяются соответствующими простейшими элементами или наборами (стерж ни, пластины, оболочки, кольца), а реальные усилия представ ляются соответствующими сосредоточенными или распределен-
9
ними усилиями для выбранных простейших элементов. В делом ряде случаев, характеризуемых сложным сочетанием элементов в расчетной схеме и повышенной степенью статической неопреде лимости, анализ распределения усилий требует моделирования соответствующих узлов и условий эксплуатационного нагружения.
Важное значение в определении номинальной и местной на пряженности имеет анализ распределения температур для стацио нарных и переходных режимов. В первом случае этот анализ по зволяет установить как сами температуры элементов, так и тепловые нагрузки (в том числе нагрузки термокомпенсации); во вто ром — температуры и градиенты температур по толщине элемен тов для различных моментов времени в переходном режиме. В этом анализе используют методы решения задач теплопровод ности, а при сложных формах конструктивных элементов и боль шой нестационарности тепловых процессов — экспериментальные методы термометрии.
По известным внешним нагрузкам (механическим и тепловым) в соответствии с выбранными расчетными схемами по формулам сопротивления материалов, теории пластин и оболочек устана вливаются номинальные напряжения в гладких частях несущих элементов и в местах действия краевых эффектов (места измене ния геометрических форм и сопряжения элементов различных форм). В большинстве случаев для определения номинальных на пряжений достаточно использовать предположение об упругом деформировании материалов; номинальные упругопластические деформации допускаются только при включении в системы высоконагруженных термокомненсирующих элементов или при крат ковременных программах и аварийных перегрузках.
Величины и распределения номинальных напряжений являют ся исходными для определения местных напряжений (механиче ских и температурных) в местах конструктивной концентрации напряжений (выточки, галтели, отверстия, витки резьбы и т. д.). Местные напряжения могут быть оценены на основе обширной справочной информации по теоретическим коэффициентам кон центрации напряжений, полученной из решения краевых задач теории упругости, а также из экспериментов (в частности, методом фотоупругости). Значительные возможности в определении мест ных напряжений в зонах концентрации связаны с расширяющим ся применением ЭВМ и численных методов решения краевых за дач (методы конечных элементов, конечных разностей, граничных интегральных уравнений). В большом числе случаев местные на пряжения в зонах концентрации (с учетом температурных и оста точных напряжений) могут превосходить предел текучести, обу словливая повторное упругопластическое деформирование.
Совместное рассмотрение режимов эксплуатационного нагру жения и местных напряженно-деформированных состояний по зволяет в расчетах прочности и ресурса перейти к анализу истории местной нагруженности и выявлению в ней циклов изменения местных напряжений и деформаций по их соответствующим
Й)