Е. А. Богданов Основы технической
Прогнозирование ресурса по трещиностойкости
жүктеу/скачать 6.94 Mb.
|
| 12.4. Прогнозирование ресурса по трещиностойкости и критерию «течь перед разрушением»
Важнейшим фактором, определяющим работоспособность конструкций, является их сопротивлямость воздействию циклических нагрузок. По мере увеличения числа циклов нагружений в металле происходит накопление повреждений в виде образования полос скольжения, скопления дислокаций в зернах и снижения их когезивной прочности, что в последующем приводит к зарождению и развитию микро- и макротрещин. Помимо числа циклических нагружений процесс накопления повреждений определяется механическими характеристиками материала и уровнем действующих напряжений вне зависимости от их природы: как эксплуатационных, так и остаточных (начальных). Циклические нагрузки могут быть детерминистическими или случайными. Примерами простейших детерминистических нагрузок являются циклы заполнения и опорожнения резервуаров, пульсация давления в трубопроводах и др. К случайным воздействиям можно отнести ветровые нагрузки, нагрузки от атмосферных осадков, сейсмические волны в грунте при землетрясениях и др. Так, вертикальные цилиндрические резервуары могут находиться под действием пульсационного давления ветра. Для вертикальных цилиндрических резервуаров характерны малые периоды собственных колебаний, находящихся в области спектра пульсаций скорости ветра. Для полых резервуаров диаметром 46 м и высотой 12 м при толщине стенки 15 мм период основного тона (гармоники) собственных колебаний равен 0,03 с, а для заполненных на всю высоту водой - 0,27 с. Для таких сооружений учитывают низкочастотную часть ветрового спектра [14]. Область разрушения при числе циклов нагружения от 103 до 5-105 называется малоцикловой. Она характеризуется тем, что разрушение происходит при числе циклов меньше базового (при котором определяется предел выносливости материала), а напряжения при заданном числе циклов нагружений превышают предел ограниченной выносливости. В настоящее время используют два основных метода расчета остаточного ресурса при малоцикловых нагрузках: по ГОСТ 25859-83 «Сосуды и аппараты стальные. Нормы и методы расчета на прочность при малоцикловых нагрузках»; по известным закономерностям кинетики развития усталостных трещин в соответствии с канонами механики разрушения. По ГОСТ 25859-83 выполняют (без учета деградации свойств материалов и др.) расчет ресурса, обеспечивающий получение гарантированного запаса. Расчет сводится к определению коэффициента U, который должен быть меньше единицы: где Ni , [Ni]]— фактическое и допустимое число циклов нагружений при действии напряжений i-го вида. Допустимое число циклов нагружений [Ni]определяют по кривой усталости соответствующей марки стали в малоцикловой области. Условно считается, что при достижении U = 1 возможно образование трещин в металлоконструкциях и их ресурс исчерпан. На самом деле металлоконструкции до своего разрушения при медленном росте трещин могут работать еще длительное время. Процесс разрушения конструкций с трещинами является двустадийным. Первая стадия характеризуется стабильным ростом трещин до достижения ими некоторого критического значения. Вторая стадия — лавинообразный рост трещин, приводящий к разрушению конструкции. Соотношение продолжительности этих стадий определяется свойствами конструкционного материала. Для пластичных (вязких) материалов стабильный рост трещины продолжается вплоть до полного разрушения конструкции, при этом в окрестности трещины наблюдаются значительные пластические деформации. Для высокопрочных сталей пластические деформации в зоне трещины минимальны, и ее стабильное развитие прекращается при достижении критического значения. Наиболее опасная ситуация имеет место при хрупком и квазихрупком разрушении, когда стадия стабильного развития трещины и сопутствующая пластическая деформация резко уменьшаются и происходит лавинообразное разрушение конструкции, характеризуемое минимальной работой разрушения (см. 11.5). Это состояние может возникнуть при эксплуатации оборудования при низких температурах (ниже минимальных температур, разрешенных для данных марок сталей), при деградации механических свойств, сопровождающейся снижением вязкости разрушения (охрупчивания) материала. В механике разрушения (механике трещин) в качестве основного параметра, определяющего трещиностойкость конструкций, используют коэффициент интенсивности напряжений K1 под которым понимается относительный рост максимальных напряжений в вершине трещины. Коэффициент K1, учитывает размер и форму элемента конструкции В, протяженность трещины l и уровень номинальных напряжений бн, т. е. Процесс разрушения материала под действием циклических напряжений называется усталостью. Закономерности зарождения и роста усталостных трещин рассматривают, используя зависимость ее скорости V = dl/dn от максимального значения kmax или размаха k коэффициента интенсивности напряжений в вершине трещины. Графическое представление зависимости скорости роста усталостной трещины от параметра разрушения называется кинетической диаграммой усталостного разрушения (КДУР). Типовая КДУР, построенная в логарифмических шкалах по обеим осям, приведена на рис. 12.3. Область развития трещины ограничивается пороговым (kп) значением коэффициента интенсивности напряжений, ниже которого трещина не растет, и критическим коэффициентом интенсивности напряжений Кu, при достижении которого происходит разрушение. Рис. 12.3. Кинетическая диаграмма усталостного разрушения: А – зона зарождения и начального роста; В – зона непрерывного роста; С – зона приближения к статическому разрушению В дополнение необходимо отметить, что даже уже возникшие в констукции микроскопические усталостные трещины при определенных условиях могут полностью приостановить свой рост. Например, перераспределением напряжений при пластическом деформировании конструкций, созданием препятствий на пути движения трещины (засверливание, создание зоны термических напряжений) и др. Полное математическое описание КДУР представляют в виде набора различных уравнений. Средний участок КДУР (зона В), представляющий наибольший интерес для оценки остаточного ресурса, аппроксимируется уравнением где l - длина трещины; N - число циклов нагружения; С, т — экспериментальные константы материала, зависящие в основном от предела текучести [14]; K - размах коэффициента интенсивности напряжений: где Ктах, Ктiп — максимальное и минимальное значения коэффициентов интенсивности напряжений в вершине трещины, соответствующие действующим в течение цикла максимальным бmax и минимальным бmin напряжениям: где у - коэффициент, зависящий от геометрии трещиноподобного дефекта и толщины элемента конструкции, для стального листа с трещиной на краю у = 1,12. Расчет остаточного числа циклов до разрушения при наличии распространяющихся усталостных трещин выполняют путем интегрирования уравнения скорости роста трещины в пределах ее развития от начальной l0 до критической lК длины. Заменим . жүктеу/скачать 6.94 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|