Главная       Продать работу       Блог       Контакты       Оплата       О нас       Как мы работаем       Регистрация       Вход в кабинет
Тех. дипломные работы
   автомобили
   спец. техника
   станки
   тех. маш.
   строительство
   электроснабжение
   пищевая промышленность
   водоснабжение
   газоснабжение
   автоматизация
   теплоснабжение
   холодильники
   машиностроение
   др. тех. специальности

Тех. курсовые работы
   автомобили
   спец. техника
   станки
   тех. маш.
   строительство
   детали машин
   электроснабжение
   газоснабжение
   водоснабжение
   пищевая промышленность
   автоматизация
   теплоснабжение
   ТММ
   ВСТИ
   гидравлика и пневматика
   машиностроение
   др. тех. специальности

Тех. дополнения
   Отчеты
   Расчетно-графические работы
   Лекции
   Задачи
   Лабораторные работы
   Литература
   Контрольные работы
   Чертежи и 3D моделирование
   Тех. soft
   Рефераты
   Общий раздел
   Технологический раздел
   Конструкторский раздел
   Эксплуатационный раздел
   БЖД раздел
   Экономический раздел
   Экологический раздел
   Автоматизация раздел
   Расчетные работы

Гум. дипломные работы
   педагогика и психология
   астрономия и космонавтика
   банковское, биржевое дело
   БЖД и экология
   биология и естествознание
   бухгалтерский счет и аудит
   военное дело
   география
   геология
   государство и право
   журналистика и СМИ
   иностранные языки
   история
   коммуникации
   краеведение
   кулинария
   культура и искусство
   литература
   экономика и торговля
   математика
   медицина
   международное отношение
   менеджмент
   политология
   музыка
   религия
   социология
   спорт и туризм
   таможенная система
   физика
   химия
   философия
   финансы
   этика и эстетика
   правознавство

Гум. курсовые работы
   педагогика и психология
   астрономия и космонавтика
   банковское, биржевое дело
   БЖД и экология
   биология и естествознание
   бухгалтерский счет и аудит
   военное дело
   география
   геология
   государство и право
   журналистика и СМИ
   иностранные языки
   история
   коммуникации
   краеведение
   кулинария
   культура и искусство
   литература
   экономика и торговля
   математика
   медицина
   международное отношение
   менеджмент
   политология
   музыка
   религия
   социология
   спорт и туризм
   таможенная система
   физика
   химия
   философия
   финансы
   этика и эстетика
   правознавство

Гум. дополнения
   Отчеты
   Расчетные работы
   Лекции
   Задачи
   Лабораторные работы
   Литература
   Контрольные работы
   Сочинения
   Гум. soft
   Рефераты

Рефераты
   Авиация и космонавтика
   Административное право
   Арбитражный процесс
   Архитектура
   Астрология
   Астрономия
   Банковское дело
   Безопасность жизнедеятельнос
   Биографии
   Биология
   Биология и химия
   Биржевое дело
   Ботаника и сельское хоз-во
   Бухгалтерский учет и аудит
   Валютные отношения
   Ветеринария
   Военная кафедра
   ГДЗ
   География
   Геодезия
   Геология
   Геополитика
   Государство и право
   Гражданское право и процесс
   Делопроизводство
   Деньги и кредит
   ЕГЭ
   Естествознание
   Журналистика
   ЗНО
   Зоология
   Издательское дело и полиграф
   Инвестиции
   Иностранный язык
   Информатика
   Информатика, программировани
   Исторические личности
   История
   История техники
   Кибернетика
   Коммуникации и связь
   Компьютерные науки
   Косметология
   Краеведение и этнография
   Краткое содержание произведе
   Криминалистика
   Криминология
   Криптология
   Кулинария
   Культура и искусство
   Культурология
   Литература : зарубежная
   Литература и русский язык
   Логика
   Логистика
   Маркетинг
   Математика
   Медицина, здоровье
   Медицинские науки
   Международное публичное прав
   Международное частное право
   Международные отношения
   Менеджмент
   Металлургия
   Москвоведение
   Музыка
   Муниципальное право
   Налоги, налогообложение
   Наука и техника
   Начертательная геометрия
   Оккультизм и уфология
   Остальные рефераты
   Педагогика
   Политология
   Право
   Право, юриспруденция
   Предпринимательство
   Прикладные науки
   Промышленность, производство
   Психология
   психология, педагогика
   Радиоэлектроника
   Реклама
   Религия и мифология
   Риторика
   Сексология
   Социология
   Статистика
   Страхование
   Строительные науки
   Строительство
   Схемотехника
   Таможенная система
   Теория государства и права
   Теория организации
   Теплотехника
   Технология
   Товароведение
   Транспорт
   Трудовое право
   Туризм
   Уголовное право и процесс
   Управление
   Управленческие науки
   Физика
   Физкультура и спорт
   Философия
   Финансовые науки
   Финансы
   Фотография
   Химия
   Хозяйственное право
   Цифровые устройства
   Экологическое право
   Экология
   Экономика
   Экономико-математическое мод
   Экономическая география
   Экономическая теория
   Этика
   Юриспруденция
   Языковедение
   Языкознание, филология

Главная > Тех. дипломные работы > машиностроение
Название:
Визначення довговічності металічних матеріалів та зварних з’єднань при циклічному навантаженні і наводнюванні

Тип: Диссертации
Категория: Тех. дипломные работы
Подкатегория: машиностроение

Цена:
0 руб



Подробное описание:

Національна академія наук України
Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка
УДК 669.788: 539.43

 

 

 

 

 

АВТОРЕФЕРАТ
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Визначення довговічності металічних матеріалів та зварних з’єднань при циклічному навантаженні і наводнюванні
01.02.04 – механіка деформівного твердого тіла

 


Рудавський Денис Володимирович

 


ЛЬВІВ - 2004

Дисертацією є рукопис.
Робота виконана у Фізико-механічному інституті ім. Г.В. Карпенка НАН України. втома інженерний конструкція
Науковий керівник: член-кореспондент НАН України, доктор технічних наук, професор Андрейків Олександр Євгенович, Національний університет ім. Івана Франка, м. Львів, професор кафедри механіки
Офіційні опоненти: член-кореспондент НАН України, доктор технічних наук, старший науковий співробітник Кир’ян Валерій Іванович, Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України, м. Київ, завідувач відділу міцності зварних конструкцій
доктор технічних наук, старший науковий співробітник Силованюк Віктор Петрович, Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка НАН України, м. Львів, старший науковий співробітник відділу фізичних основ руйнування та міцності матеріалів
Провідна установа: Одеський національний політехнічний університет, кафедра динаміки, міцності машин і опору матеріалів, м. Одеса
Захист відбудеться “ 5 ” травня 2004 р. о 15.00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 35.226.02 у Фізико-механічному інституті ім. Г.В. Карпенка НАН України
за адресою: 79601, м. Львів, вул. Наукова, 5.
З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Фізико-механічного інституту ім. Г.В. Карпенка НАН України (79601, м. Львів, вул. Наукова, 5).
Автореферат розісланий “ 2 ” квітня 2004 р.
Вчений секретар спеціалізованої вченої ради доктор технічних наук Погрелюк І.М.


Загальна характеристика роботи

Актуальність проблеми. Втома, як один із механізмів руйнування, є причиною експлуатаційних пошкоджень переважної більшості сучасних інженерних споруд. За статистикою доля втомних пошкоджень елементів металоконструкцій становить 40% від загальної кількості їх передчасних відмов. Під час експлуатації конструкцій, що працюють на втому, у водневовмісних середовищах їх загальна довговічність значно знижується внаслідок шкідливого впливу наявного в зовнішньому середовищі водню, який потрапляючи у внутрішній об’єм металу, полегшує зародження та поширення в ньому втомних тріщин. Тому проблема міцності наводнених елементів конструкцій під час дії змінних навантажень, є однією з найбільш актуальних. Тільки за 80-ті роки 18% всіх пошкоджень металоконструкцій можна віднести на рахунок корозійного розтріскування та водневого окрихчення. Поруч із використанням водню в хімічній та нафтохімічній галузях промисловості, а також в якості охолоджуючого агента в роторах турбогенераторів при виробництві електроенергії, інтенсивно збільшується його застосування в метал-водневих системах ядерних і термоядерних енергетичних установок, а також як палива для ракетних та авіаційних двигунів і транспортних засобів, для акумуляції енергії, її передачі та ін.
Важливе значення має та обставина, що, як правило, конструкційні матеріали, які мають більш високу міцність, виявляються і більш схильними до шкідливого впливу водню. Ефект впливу водню підсилюється також із зростанням його тиску. Цей фактор стає перешкодою для розвитку сучасної техніки, що передбачає підвищення параметрів робочих процесів в машинах та агрегатах для збільшення їх ефективності. Тому при моделюванні цих процесів важливе значення має кількісний опис взаємодії водневого середовища із елементами металоконструкцій (процеси масопереносу, взаємодія із неоднорідностями та дефектами структури, вплив на міцнісні та деформаційні характеристики та ін.). Після цього залишається розв’язати основну задачу – визначити довговічність (залишкову довговічність) елемента конструкції, підданого дії змінних навантажень та водневовмісного середовища. Розв’язання такої задачі пов’язано із значними математичними труднощами, зокрема із розв’язками складних нелінійних рівнянь в частинних похідних, математичні методи реалізації яких на даний час ще не розроблені. Тому застосування енергетичного підходу для математичного моделювання воднево-втомного руйнування для визначення залишкового ресурсу елементів металоконструкцій є актуальною науково-технічною задачею.
Дана робота присвячена вирішенню важливого науково-технічного завдання, а саме побудові на основі енергетичного підходу механіки руйнування методик визначення довговічності наводнених металічних матеріалів та зварних з’єднань на стадіях зародження та докритичного росту втомних тріщин.
Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Вибраний напрям досліджень відповідає науковій тематиці відділу конструкційної міцності матеріалів в робочих середовищах ФМІ ім. Г.В. Карпенка НАН України, де виконана дисертація. Робота має тісний зв’язок із такими державними науковими програмами: “Дослідження втомного руйнування конструкційних матеріалів в умовах складного напруженого стану та при дії динамічного навантаження” (№ держреєстрації 0100U004861, 2000-2002 рр.); “Дослідження кінетики та механізму високотемпературної пошкодженності металів в середовищі водню” (№ держреєстрації 0197U018137, 1997-1998 рр.); госпдоговірна тема “Експеримента-льні дослідження корозії внутрішньої поверхні нафтопроводів та видача рекомендацій на антикорозійний захист”, номер реєстрації ФМІ НАНУ № 2845 (2001) за господарським договором між ФМІ НАНУ і ДАТ “Придністровські магістральні нафтопроводи”. Автор дисертації брав безпосередню участь у виконанні вказаних тем, як виконавець.
Мета і задачі дослідження. Метою роботи є розробка на базі енергетичного підходу механіки руйнування методик визначення періодів зародження та докритичного росту втомних тріщин в неоднорідних за механічними властивостями матеріалах і елементах конструкцій, що експлуатуються в умовах дії водневих середовищ та побудова розрахункових моделей, за допомогою яких, можна визначати характер поширення на основних стадіях втомного росту тріщин у наводнених металічних матеріалах та прогнозувати загальну довговічність таких конструкцій. Ця мета досягається шляхом розв’язання наступних задач:
• визначення концентрації водню в зоні передруйнування біля вершини тріщини та в зварному з’єднанні шляхом розв’язання відповідних задач дифузії в полі механічних напружень;
• побудова розрахункової моделі для визначення періоду зародження втомної мі-кротріщини біля вершини концентратора напружень у наводненому матеріалі;
• побудова розрахункової моделі підростання зародженої мікротріщини до макроскопічних розмірів у наводненому матеріалі;
• побудова розрахункової моделі поширення втомної макротріщини до критичних розмірів в неоднорідному за механічними властивостями наводненому матеріалі, що перебуває в умовах плоского напруженого стану;
• розробка методики прогнозування залишкового ресурсу тонкостінних зварних з’єднань та трубних елементів конструкцій.
Об’єкт дослідження. Процеси воднево-втомного руйнування елементів металоконструкцій, кінетика процесів масопереносу водню в зоні передруйнування біля вершини тріщини.
Предмет дослідження. Побудова розрахункових моделей процесів зародження та поширення втомних тріщин в наводнених металоконструкціях, та розробка на їх основі методики визначення залишкового ресурсу цих конструкцій.
Методи дослідження. Аналітичні методи інтегральних перетворень, числові методи скінченних елементів, різницеві схеми та метод Рунге-Кутта для розв’язання диференціальних рівнянь математичної фізики, основні положення к - моделі Леонова-Панасюка, енергетичні підходи механіки руйнування матеріалів при циклічному навантаженні.
Наукова новизна отриманих результатів.
• За допомогою методів інтегральних перетворень та граничної інтерполяції отримано в замкнутому вигляді розв’язок задачі дифузії водню в зоні передруйнування біля вершини тріщини із врахуванням механічних напружень та попереднього наводнювання матеріалу.
• На основі комбінації методу скінченних елементів та різницевої схеми запропоновано нову числову схему побудови розв’язку нестаціонарної узагальненої двовимірної задачі дифузії водню в зварній пластині.
• На базі енергетичного підходу механіки руйнування матеріалів побудовано нові розрахункові моделі для визначення періодів зародження та підростання до макроскопічних розмірів втомної мікротріщини біля наводненої вершини концентратора напружень.
• Побудовану в рамках енергетичного підходу розрахункову модель докритичного росту втомної макротріщини у зварному з’єднанні узагальнено на випадок дії водневовмісного середовища та наявності дотичної складової тензора механічних напружень в зоні передруйнування біля вершини тріщини.
• За допомогою сформульованих розрахункових моделей розв’язано декілька нових, важливих із практичної точки зору, прикладних задач для визначення залишкової довговічності стикових зварних з’єднань та трубних елементів металоконструкцій.
Обґрунтованість і достовірність наукових положень і отриманих результатів забезпечуються їх узгодженістю із загальновизнаними уявленнями про закономірності та механізми втомного руйнування та водневої деградації конструкційних металічних матеріалів, коректністю побудови розрахункових моделей, експериментальним підтвердженням отриманих розрахункових результатів для різних типів конструкційних сталей, а також задовільним узгодженням прогнозованих оцінок довговічності елементів металоконструкцій із експериментальними.
Наукове та практичне значення роботи. Отримані в роботі результати, такі як розрахункові моделі для визначення періодів зародження і докритичного росту втомних тріщин в металічних наводнених матеріалах, мають фундаментальний характер і можуть бути використані при побудові загальної теорії втоми матеріалів. Запропоновані на цій основі методики застосовано для вирішення практичної проблеми оцінки залишкової довговічності тонкостінних зварних стикових з’єднань та трубних елементів металоконструкцій, що було використано в ІЕЗ ім. Є.О. Патона НАН України при виконанні науково-дослідної роботи, присвяченої розрахунку залишкового ресурсу зварних з’єднань. В рамках господарського договору між ФМІ ім. Г.В. Карпенка НАН України та ДАТ “Придністровські магістральні нафтопроводи” розроблені методики були застосовані для прогнозування залишкового ресурсу ділянки труби нафтопроводу.
Особистий внесок здобувача. Основні результати дисертаційної роботи отримані автором самостійно. В публікаціях, написаних у співавторстві, здобувачу належить: в роботі [1] – постановка задачі дифузії водню та визначення її розв’язку; в роботі [2] – узагальнення розрахункової моделі поширення втомних макротріщин у зварному з’єднанні на випадок складного напруженого стану та наявності концентрації водню, побудова кінетичних рівнянь; в роботі [3] – побудова числового розв’язку задачі дифузії водню в біметалічній стінці; в роботі [4] – розробка методики розрахунку залишкової довговічності елемента газопроводу; в роботі [5] – узагальнення розрахункової схеми та побудова числового розв’язку визначальних рівнянь; в роботі [6] – визначення концентрації водню в зварному з’єднанні та узагальнення розрахункової моделі; в роботі [9] – проведення досліджень та інтерпретація результатів; в роботі [10] – побудова розрахункової моделі зародження втомної макротріщини біля наводненої вершини концентратора напружень та визначення аналітичного розв’язку визначального інтегрального рівняння; в роботі [11] – проведення досліджень та інтерпретація результатів.
Апробація результатів дисертації. Основні положення й окремі результати дисертації доповідались на ІІ Міжнародній конференції “Механіка руйнування матеріалів і міцність конструкцій” (Львів, 1999 р.), V Міжнародному симпозіумі “Механіка і фізика руйнування будівельних матеріалів та конструкцій” (Луцьк, 2002 р.), ІІ симпозіумі “Механіки руйнування матеріалів і конструкцій” (Польща, Августов, 2003 р.), V українсько-польському науковому симпозіумі “Актуальні задачі механіки неоднорідних структур” (Львів-Луцьк, 2003 р.), VI Міжнародному симпозіумі українських інженерів-механіків у Львові (2003 р.), а також на науково-технічних конференціях КМН-2001(2002, 2003) (Львів, ФМІ).
Дисертаційна робота в цілому доповідалася й обговорювалась на наукових семінарах відділу конструкційної міцності матеріалів в робочих середовищах, загальноінститутському семінарі “Проблеми механіки крихкого руйнування” Фізико-механічного інституту ім. Г.В. Карпенка НАН України.
Публікації. Основний зміст дисертаційної роботи висвітлений в 11-ти публікаціях, з них 4 у фахових виданнях, що входять в перелік ВАК України.
Структура і обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел та додатка. Загальний обсяг роботи 117 сторінок, що містять 40 рисунків, 6 таблиць, бібліографічний список із 120 найменувань.


Основний зміст дисертації

У вступі обґрунтовано актуальність теми досліджень, визначено мету роботи, сформульовано наукову новизну й обґрунтовано достовірність отриманих у роботі наукових результатів та їх практичне застосування. Визначено особистий внесок здобувача у публікаціях та рівень апробації результатів дисертації.
У першому розділі подано огляд робіт, присвячених дослідженню воднево-механічного руйнування металічних матеріалів. В першу чергу тут проводиться аналіз основних факторів, які визначають втомне руйнування та водневу деградацію конструкційних матеріалів, наводяться основні розрахункові моделі механіки руйнування, які використовуються для опису таких процесів.
У другому розділі зроблено спробу визначити поле концентрації водню в елементах металоконструкцій, що зовні контактують із водневовмісним середовищем. Розглянуто задачу для визначення концентрації водню в зоні передруйнування біля вершини тріщини із врахуванням наявності в матеріалі деякого початкового рівня концентрації водню С0. Вважаємо, що зовні в вершину тріщини потрапляє водневовмісне середовище, яке забезпечує в її поверхневому шарі деяку постійну концентрацію водню Cs. Як відомо, в зоні біля вершини тріщини наявний високий градієнт гідростатичної компоненти тензора механічних напружень, тому поле концентрацій водню тут шукали на основі узагальненого закону Фіка із врахуванням поля механічних напружень

, (1)

де СH, D, VH – концентрація, коефіцієнт дифузії і парціальний молярний об’єм водню в металі, Г – гідростатичне механічне напруження. Апроксимуючи зміну гідростатичного напруження в зоні біля вершини тріщини лінійною кусково-гладкою функцією, задача дифузії водню біля вершини тріщини для одновимірного випадку в безрозмірних змінних зводиться до системи двох диференціальних рівнянь

(2)
із граничними умовами
, ;
; (3)
та початковою умовою
. (4)

Знаходження точного розв’язку цієї задачі пов’язане з певними математичними труднощами. За допомогою інтегрального перетворення Лапласа знайдено розподіл концентрації водню в зоні передруйнування для малих значень  та стаціонарний розподіл. Застосувавши до граничних випадків метод граничної інтерполяції, отримаємо наближено функцію для проміжних значень  у вигляді

. (5)

На основі отриманого розв’язку можна зробити висновок, що наявність попереднього наводнювання та поля механічних напружень біля вершини тріщини можуть збільшувати концентрацію водню в цій зоні у 10-12 разів відносно поверхневої.
Наявність в металах неоднорідностей структури, механічних напружень, нестаціонарних теплозмін може викликати в матеріалі зони перенасичення воднем та спричинити приховану водневу деградацію. Це пояснюється різкими змінами, іноді стрибками, функції Ki розподілу розчинності водню, яка в загальному випадку залежить від температури, поля механічних напружень, хімічного та фазового складу та пластичної деформації

. (6)

Така ситуація є типовою для зварних з’єднань елементів металоконструкцій. Тому далі було розглянуто задачу дифузії водню в області тонкостінного зварного з’єднання, що зовні контактує із водневовмісним середовищем.
Так як в області зварного з’єднання, як правило, виділяють три основні різнорідні зони, а саме, зварний шов (ЗШ), зону термічного впливу (ЗТВ) та основний метал (ОМ), ця область моделюється тонкою кусково-неоднорідною полосою. Для випадку кусково-неоднорідних тіл на границі між підобластями функція розчинності водню матиме скачок, а значить скачок матиме і функція концентрації водню (що випливає із умови неперервності функції хімічного потенціалу водню по всій області). Ця обставина суттєво ускладнює постановку дифузійної задачі, тому замість концентрації було введено неперервну по всій області зварного з’єднання, так звану, функцію потенціалу водню (запропоновану в роботах академіка Походні І.К.)

. (7)

Тоді для двовимірного випадку на основі законів Фіка рівняння дифузії водню в полі механічних напружень із початковою умовою набуло виду

, . (8)

Вважаючи, що на границі зварного з’єднання із зовнішнім середовищем відбувається масообмін за законом Ньютона, задаємо наступні граничні умови

, (9)

де – парціальний тиск водню в зовнішньому середовищі, – коефіцієнт масообміну водню на границі зварного з’єднання із зовнішнім середовищем.
Для розв’язання цієї задачі дифузії побудовано та запрограмовано (на мові Фортран) скінченно-елементний алгоритм на основі методу Гальоркіна. Описану задачу дифузії застосовано для визначення поля концентрації водню в стиковому зварному з’єднанні із сталі Ст.3 із врахуванням впливу залишкових зварних напружень. На рис. 2 а зображено встановлений розподіл водню в зварному з’єднанні у вигляді ізоліній; на рис. 2 б – розподіл концентрації водню в перерізі вздовж осі Oy, який відповідає її максимальному рівню (суцільна крива 1 – із врахуванням залишкових зварних напружень, пунктирна крива 2 – без врахування).
У третьому розділі пропонуються розрахункові моделі для визначення періоду зародження біля наводненої вершини концентратора напружень втомної мікротріщини і її підростання до макроскопічних розмірів. В основу моделей закладено енергетичний критерій руйнування, згідно якого в довільному елементарному мікрооб’ємі матеріалу відбудеться руйнування, якщо сумарна енергія розсіювання пластичних деформацій в ньому за всі цикли навантаження (індекс (H) вказує на наявність в матеріалі концентрації водню) досягне деякого критичного значення

. (10)

Вважаючи, що довжина зародженої мікротріщини l0 є достатньо малою, енергетичний критерій зародження мікротріщини можна записати через густини енергій деформацій в тілі у вигляді

, (11)

де Ni – кількість циклів навантаження до зародження втомної мікротріщини, – густина статичної складової енергії розсіювання пластичних деформацій в матеріалі, , – циклічна складова енергії розсіювання пластичних деформацій за цикл навантаження та її порогове значення, – густина енергії руйнування матеріалу,  – коефіцієнт Морроу. Як свідчать експерименти, наводнювання металічних зразків головним чином призводить до зниження їх деформаційних характеристик, яке для невисоких концентрацій водню добре описується лінійною залежністю

, (12)

де А1 – експериментальна константа системи метал-водневовмісне середовище. Тому, вважаючи, що концентрація водню в матеріалі не є достатньо високою, його вплив на руйнування металічних матеріалів моделюємо на основі співвідношення (12). Енергії, що входять у критерій (11), визначаємо як площі відповідних ділянок під діаграмою розтягу для матеріалу із зміцненням, апроксимовану степеневою залежністю (рис. 3)

 = T + Bn,

де B, n – експериментальні константи.
Таким чином, на основі енергетичного критерію (11), для визначення періоду зародження втомної мікротріщини Ni біля вершини концентратора напружень у наводненому матеріалі отримано співвідношення

, (13)

де .
Слід зауважити, що всі константи матеріалу, які входять у співвідношення (13) визначаються із експерименту на статичний розтяг. Жодна константа не визначається із експерименту на втому. Перехід до цикліки тут здійснюється лише за допомогою коефіцієнта Морроу , який дозволяє визначати сумарну енергію розсіювання циклічних пластичних деформацій при руйнуванні матеріалу через його статичну енергію руйнування. Цей коефіцієнт обчислюємо за емпіричною залежністю , яку запропонував Дж. Морроу на основі багатьох експериментів для різних матеріалів, тут – істинна границя міцності, – амплітуда напружень в зоні передруйнування. Отримані по (13) розрахункові дані (суцільні лінії) співставлено із експериментальними, отриманими О.П. Осташем для сталі У8А та 08кп на повітрі (рис. 4 а, б - квадратики, трикутники, кружечки). Розрахунок також порівнювався із експериментальними даними отриманими С.Я. Яремою – В.В. Поповичем для різної геометрії зразків виготовлених із сталі 65Г (рис. 4 в - кружечки).
Для наводненого матеріалу розрахунок порівнювався із експериментами В.І. Ткачова для сталі Х18Н10Т, що проводили у водні та в гелії. Константу системи метал-водень А1 визначено на основі експерименту на статичний розтяг у водні (В.І. Ткачов, Х18Н10Т). Розрахунок добре узгоджується і з іншими експериментами, наприклад, із даними Г.В. Карпенка для сталей 30ХГСНА та ЄИ-643 (рис. 5 в – кружечки, квадратики).
Переходу від стадії зародження втомної мікротріщини до стадії поширення втомної макротріщини, що задовольняє умовам автомодельності, передує стадія підростання зародженої мікротріщини до мінімальних макроскопічних розмірів, тривалість якої може складати значну частину загальної довговічності елемента металоконструкції. При розрахунку кінетики підростання такої мікротріщини не можна користуватися методами лінійної механіки руйнування, бо розміри тріщини, як правило, сумірні із розмірами зони пластичних деформацій попереду її вершини. Тому далі на основі енергетичного підходу механіки руйнування пропонується розрахункова модель, що дозволяє реально оцінювати тривалість цього періоду. Розглядається наводнена пружно-пластична пластина із концентратором напружень під дією циклічного навантаження (рис. 6). Вважаємо, що субмікротріщина перетвориться на макротріщину, якщо в процесі навантаження вона пройшла всю початкову статичну пластичну зону, утворену попереду вершини концентратора напружень, і створила свою характерну для макротріщини пластичну зону. Процес підростання мікротріщини моделюємо, як послідовне руйнування елементарних розрахункових елементів довжиною dl. На основі енергетичного критерію руйнування (10), розглянутого раніше, задача зводиться до розв’язування інтегрального рівняння Вольтери II-го роду з ядром типу згортки (14) відносно невідомої швидкості V підростання втомної мікротріщини, як функції її довжини l.

. (14)

Застосувавши до розв’язування цього рівняння аналітичний метод резольвент, цю швидкість отримано у вигляді

. (15)

Тоді на основі (15), повний період зародження втомної макротріщини Ns, який складається із періоду зародження мікротріщини, що визначається згідно моделі запропонованої раніше та періоду її підростання до макроскопічних розмірів, знайдено із співвідношень

, . (16)

Залежність довжини втомної мікротріщини l від кількості циклів навантаження N, розраховану на основі співвідношень (15), (16), співставлено із експериментальними даними, отриманими С.Я. Яремою – В.В. Поповичем для сталі 65Г при різних рівнях навантаження (рис. 7). Результати такого порівняння свідчать на користь запропонованої моделі.
В четвертому розділі на базі енергетичного підходу механіки руйнування пропонується розрахункова модель поширення втомних макротріщин у наводнених тонкостінних зварних елементах конструкцій, що перебувають в умовах плоского напруженого стану. В основу моделі покладено енергетичний критерій руйнування та основні положення к - моделі Леонова-Панасюка. Розглядається зварне тонкостінне з’єднання, яке моделюємо неоднорідною за механічними властивостями ідеально пружно-пластичною наводненою пластиною (рис. 8). Для цього випадку, як і в роботах О.Є. Андрейківа і М.В. Ліщинської, запропонована наступна енергетична умова елементарного акту руйнування попереду вершини втомної макротріщини

. (17)

Після граничного переходу при N0, де N – кількість циклів навантаження, отримаємо кінетичне рівняння

. (18)

Тут , – циклічна складова енергії розсіювання пластичних деформацій за один цикл навантаження та її порогове значення в пластичній зоні біля вершини тріщини. Вважаючи, що тріщина задовольняє умови автомодельності, та ввівши, згідно к - моделі, модельні значення границь текучості матеріалу на розтяг та поперечний зсув , , на основі відомих співвідношень лінійної механіки руйнування циклічну та статичну складові енергії розсіювання пластичних деформацій можна представити у вигляді

, (19)
. (20)

Для визначення густини статичної енергії руйнування матеріалу, що перебуває в умовах плоского напруженого стану, яка в загальному випадку має вигляд

, (21)
скористаємось критерієм змішаного (I+II) макромеханізму руйнування
(22)
та співвідношенням
, (23)

яке відображає той факт, що якісна схема процесу деформування в зоні передруйнування при циклічному навантаженні зберігається і для випадку гранично-рівноважного стану в цій зоні. Тоді на основі (21)-(23) з врахуванням концентрації водню статична енергія руйнування матеріалу представиться у вигляді

. (24)

Таким чином, визначивши енергії, що входять у вихідне рівняння (18), отримано кінетичне рівняння поширення втомної макротріщини у наводненому тонкостінному зварному з’єднанні у вигляді

, (25)

де .
Так як тріщина поширюється в тому напрямку, де її швидкість є максимальною, то прирівнявши до нуля похідну від швидкості по куту напрямку поширення тріщини , отримано друге кінетичне рівняння для прогнозування її траєкторії

, . (26)

Маючи швидкість, період докритичного росту визначаємо на основі

. (27)

Розрахункову криву (25) співставлено з даними (кружечки), отриманими Я.Л. Іваницьким із експерименту на втомний ріст макротріщини при змішаному (I+II) макромеханізмі руйнування (рис. 9).
Для випадку одноосного розтягу (KII = 0) кінетичне рівняння (25) співставлялось із експериментальними даними отриманими R. Ritchie при циклюванні компактного зразка із сталі SA387-2-22 у водні (рис. 10 а), а також для зразків виготовлених із різних зон зварного з’єднання цієї сталі (рис. 10 б). Результати цих порівнянь свідчать на користь співвідношень (25)-(27), що складають розрахункову модель для визначення траєкторії та оцінки періоду докритичного росту втомних макротріщин у наводнених тонкостінних зварних з’єднаннях.
На основі цієї моделі розв’язано декілька важливих із практичної точки зору задач. Розглянуто стикові зварні з’єднання із сталі Ст.3 з непроваром довжини а, які циклічно навантажуються у середовищі водню максимальним розтягуючим напруженням р (рис. 11 а, б).
Оцінювали залишкову довговічність зварного з’єднання при різних значеннях навантаження та довжини непровару. Оскільки в даному випадку тріщина поширюватиметься по криволінійній траєкторії, то до обчислення коефіцієнтів інтенсивності напружень було застосовано метод еквівалентності рівнодотичних тріщин, запропонований М.В. Ліщинською. Рівняння моделі (25), (26) для даного випадку були розв’язані чисельно методом Рунге-Кутта.
На рис. 12 а), б) наведено результати розрахунків (відповідно до силових схем рис. 11 а, б) залишкової довговічності на повітрі (суцільні лінії) в порівнянні із експериментальними даними (кружечки, трикутники, квадратики) академіка В.І. Махненка для з’єднань при різних значеннях параметру .
Пунктирна лінія відповідає розрахунку для наводненого зварного з’єднання. Концентрацію водню в зварному з’єднанні визначено із дифузійної задачі (8)-(9). Тиск водню в середовищі приймався рівним 1 МПа. Як видно із рис. 12, наявність порівняно невисокої концентрації водню може помітно знижувати залишкову довговічність зварного з’єднання.
У цьому розділі також розглянуто задачу про ріст втомної внутрішньої напівеліптичної тріщини, що розташована в ЗТВ на ділянці з повздовжнім зварним швом газопроводу із сталі 09Г2С при циклічній зміні внутрішнього тиску (рис. 13). Визначали кінетику росту втомної тріщини та залежність залишкової довговічності трубопроводу від максимального внутрішнього тиску . При розв’язуванні цієї задачі концентрацію водню в стінці газопроводу визначено із співвідношення (5).
Припускалось, що в процесі втомного росту тріщини її контур завжди залишається близьким до напівеліптичного. Тоді для визначення кінетики його поширення достатньо визначити залежність довжини великої та малої півосі цього контуру від кількості циклів навантаження, яку можна отримати із розв’язку системи двох звичайних диференціальних рівнянь із початковою та кінцевою умовами

, (28)
N=0: a=a0, b=b0; N=Nd: b=h.

Швидкості росту півосей контуру тріщини V визначаємо на основі рівняння (25), яке для даного випадку набуває виду

. (29)

Систему рівнянь (28), (29) розв’язано чисельно методом Рунге-Кутта.
На рис. 14 наведено результати обрахунків для наводненої стінки газопроводу із врахуванням піку концентрації водню (5) (рис. 1) і для однорідного розподілу водню. Як можна бачити, попереднє наводнювання та градієнт механічних напружень помітно впливає на довговічність стінки газопроводу, і цей факт слід враховувати при розрахунку його залишкового ресурсу.
Аналогічні розрахунки були проведені для визначення залишкового ресурсу труб нафтопроводу, що було використано при виконанні науково-дослідної роботи за господарським договором між ФМІ ім. Г.В. Карпенка НАН України і ДАТ “Придністровські магістральні нафтопроводи”.


Основні результати і висновки

У дисертації запропоновано новий енергетичний підхід для визначення періоду зародження та докритичного росту втомних макротріщин у наводнених елементах металоконструкцій та зварних з’єднаннях, основу якого складають наступні результати і висновки.
1. Отримано розв’язок задачі дифузії водню в зоні передруйнування біля вершини тріщини із врахуванням попереднього наводнювання та градієнту механічних напружень, а також числовий розв’язок задачі дифузії водню в зварному з’єднанні.
2. На базі енергетичного підходу механіки руйнування побудовано розрахункову модель для визначення періоду зародження втомної мікротріщини біля наводненої вершини концентратора напружень; виявлено, що сумарна енергія розсіювання циклічних деформацій при руйнуванні значно більша від статичної енергії руйнування, і що ці енергії пов’язані між собою поправкою Морроу.
3. Сформульовано розрахункову модель для визначення періоду підростання втомної мікротріщини до макроскопічних розмірів у наводненому матеріалі; виявлено, що цей період може становити значну частину від загальної довговічності елемента металоконструкції.
4. Побудовано розрахункову модель для визначення періоду докритичного росту втомної макротріщини у наводненому зварному з’єднанні, яке перебуває в умовах плоского напруженого стану; отримані на основі моделі кінетичні рівняння дозволяють прогнозувати траєкторію поширення тріщини та визначати залишкову довговічність зварного елемента.
5. Запропоновані моделі застосовано при розв’язуванні прикладних задач для визначення залишкової довговічності стикових зварних з’єднань та трубних елементів металоконструкцій.
6. Розроблену на основі сформульованих розрахункових моделей методику визначення залишкового ресурсу зварних елементів металоконструкцій було використано ІЕЗ НАНУ ім. Є.О. Патона при виконанні науково-дослідної роботи присвяченої розрахунку залишкового ресурсу зварних конструкцій. Ця методика також була використана при визначенні, в рамках господарського договору між ФМІ ім. Г.В. Карпенка НАН України та ДАТ “Придністровські магістральні нафтопроводи”, залишкового ресурсу труб нафтопроводу “Кременчук-Херсон” на ділянках водних переходів через річки Псло і Дніпро.


Список публікацій

1. Андрейків О.Є., Рудавський Д.В. Розрахунок ресурсу елемента трубопроводу під впливом водневовмісного середовища // Фіз.-хім механіка матеріалів. – 1999. – №4. – С. 43 – 48.
2. Андрейків О.Є., Рудавський Д.В., Гембара О.В. Розрахункова модель поширення втомних тріщин у наводнених зварних з’єднаннях // Там же. – 2002. – №6. – С. 18 – 24.
3. Андрейків О.Є., Гембара О.В., Рудавський Д.В. Вплив залишкових і термічних напружень на перерозподіл водню в біметалевих матеріалах // Машинознавство. – 2002. – №6. – С. 3 – 6.
4. Андрейків О.Є., Рудавський Д.В. Поширення поверхневої напівеліптичної тріщини в стінці труби газопроводу з врахуванням впливу наявного в газі водню // Механіка і фізика руйнування будівельних матеріалів та конструкцій: Зб. наук. праць. – Львів: Каменяр, вип. 5. – 2002. – С. 437-442.
5. Андрейків О.Є., Рудавський Д.В. Кінетика тріщини в стінці трубопроводу з урахуванням впливу воденьутримувального середовища // Механіка руйнування матеріалів і міцність конструкцій (випуск 2): Зб. наук. праць. – Т. 2. – Львів: Каменяр. – 1999. – С. 65-69.
6. Гембара О. В., Ліщинська М. В., Рудавський Д.В. Розрахункова модель поширення втомних тріщин у зварних з’єднаннях в умовах дії водневого середовища // Зб. доп. наук.-техн. конференції молодих науковців КМН–2001. – Львів. – 2001. – С. 100-103.
7. Рудавський Д.В. Розрахункова модель зародження втомних тріщин у зварному з’єднанні для випадку плоского напруженого стану // Зб. доп. наук.-техн. конференції молодих науковців КМН–2002. – Львів .– 2002. – С. 6 – 10.
8. Рудавський Д.В. Розрахункова модель для визначення періоду зародження втомної макротріщини // Зб. доп. наук.-техн. конференції молодих науковців КМН–2003. – Львів .– 2003. – С. 98 – 101.
9. Андрейків О.Є., Рудавський Д.В. Енергетичний підхід в механіці втомного руйнування матеріалів // Шостий міжнародний симпозіум українських інженерів-механіків у Львові: Тези доповідей. – Львів: КІНПАТРІ ЛТД. – 2003. – С. 5 – 6.
10. А.Е. Андрейкив, Ю. Полянский, Д.В. Рудавський. Определение периода зарождения усталостных макротрещин возле концентратора напряжений // Materiały II Sympozjum Mechaniki Zniszczenia Materiałów i Konstrukcji. – Augustów. – 4-7 czerwca 2003. – С. 5 – 7.
11. О.Є. Андрейків, Ю. Полянський, Д.В. Рудавський. Дослідження росту втомних тріщин в тонкостінних елементах конструкцій з неоднорідних наводнених матеріалів // Праці П’ятого українсько-польський наукового симпозіуму “Актуальні задачі механіки неоднорідних структур”. – Львів-Луцьк. – 2003.


Анотація

Рудавський Д.В. Визначення довговічності металічних матеріалів та зварних з’єднань при циклічному навантаженні і наводнюванні. – Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 01.02.04 – механіка деформівного твердого тіла. – Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка НАН України, Львів, 2004.
На базі енергетичного підходу механіки руйнування матеріалів в роботі пропонується ряд розрахункових моделей для визначення періодів зародження та докритичного росту втомних макротріщин у наводнених неоднорідних за механічними властивостями металічних матеріалах. Вплив на руйнування наявності в металі концентрації водню моделюється зниженням критичних деформаційних характеристик матеріалу по лінійному закону від рівня концентрації водню. В роботі сформульовано розрахункову модель зародження втомної мікротріщини біля наводненої вершини концентратора напружень та модель для визначення періоду підростання зародженої мікротріщини до макроскопічних розмірів. Отримані розрахункові періоди зародження співставленні із відомими в літературі експериментальними даними.
В роботі запропоновано розрахункову модель для визначення періоду докритичного росту втомної макротріщини у наводненому неоднорідному за механічними характеристиками матеріалі, що перебуває в умовах плоского напруженого стану. За допомогою отриманих, в рамках цієї моделі, кінетичних рівнянь можна визначати траєкторію та період докритичного росту втомної макротріщини. З використанням визначальних рівнянь моделі розв’язано декілька важливих із практичної точки зору прикладних задач, зокрема, задачу про визначення довговічності наводненого стикового зварного з’єднані із непроваром та задачу оцінки залишкового ресурсу елемента газопроводу із внутрішньою напівеліптичною поверхневою тріщиною. Розрахунки показали, що наявність в елементі металоконструкції порівняно невисокої концентрації водню може значно знижувати його довговічність при циклічному навантаженні.
Ключові слова: концентрація водню, циклічне навантаження, енергія розсіювання пластичних деформацій, зародження втомної тріщини, зварні з’єднання, довговічність, напівеліптична тріщина.


Abstract

Rudavskiy D.V. Life time determination of metallic materials and welded joints under cyclic loading and hydrogenation. – Manuscript.
Thesis for a Degree of Candidate of Sciences (Engineering) in speciality 01.02.04 – Mechanics of Deformable Solids. – Karpenko Physico-Mechanical Institute of the National Academy of Science of Ukraine, Lviv, 2004.
The dissertation is devoted to the problem of the hydrogenated structural elements residual life time estimation. The diffusion problem for hydrogen concentration determination in welded joints is formulated and numerical solution is obtained. A number of energy approaches based on the models for fatigue cracks initiation and propagation were proposed. The calculation models of fatigue microcrack initiation near the hydrogenated stress notch tip and its growth up to the macro size are formulated. The obtained equations allowed to estimate a full period of macrocrack initiation. The calculation model of fatigue crack growth propagation in hydrogenated inhomogeneous materials for plane stress state is built. A fatigue crack propagation path and a weld joint residual life time can be found by the obtained equations. It is shown that calculation results correlate well with the well known experimental data. Some important examples of the residual life time of the welds are considered with the help of proposed models.
Key words: hydrogen concentration, cyclic loading, dissipation of plastic deformation energy, fatigue crack initiation, welds, life time, semi-elliptical crack.


Аннотация

Рудавский Д.В. Определение долговечности металлических материалов и сварных соединений при циклическом нагружении и наводороживании. – Рукопись.
Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 01.02.04 – механика деформированного твердого тела. – Физико-механический институт им. Г.В. Карпенка, Львов, 2004.
Диссертация посвящена разработке методик оценки долговечности наводороженных металлических материалов и сварных соединений элементов металлоконструкций на стадии развития усталостных трещин. На базе энергетического подхода механики разрушения материалов в работе предлагается ряд расчетных моделей для определения периодов зарождения и докритического роста усталостных макротрещин в наводороженных неоднородных по механическим свойствам металлических материалах. Влияние на разрушение присутствующей в металле концентрации водорода моделируется снижением критических деформационных характеристик материала по линейному закону от уровня концентрации водорода. Для определения концентрации водорода в зоне предразрушения возле вершины трещины в работе аналитическим методом получено решение одномерной задачи диффузии водорода в поле механических напряжений с учетом предыдущего наводороживания. С помощью комбинации метода конечных элементов и разностной схемы получено распределение поля концентрации водорода в сварном соединении как численное решение двухмерной задачи диффузии в поле механических напряжений.
В работе сформулировано расчетную модель зарождения усталостной микротрещины возле наводороженной вершины концентратора напряжений, а также расчетную модель для определения периода подрастания зародившейся микро-трещины до макроскопических размеров. Показано, что этот период может составлять значительную часть от общей долговечности элемента металлоконструкции. В основу этих расчетных моделей заложен энергетический критерий усталостного разрушения материалов, согласно которому в произвольном элементе объема металла произойдет усталостное разрушение, если суммарная энергия рассеивания в нем пластических деформаций при циклическом нагружении достигнет критического значения. Полученные расчетные периоды зарождения сопоставлены с известными в литературе экспериментальными данными.
В работе предложено расчетную модель для определения периода докритического роста усталостной макротрещины в наводороженном неоднородном по механическим свойствам материале, прибывающего в условиях плоского напряженного состояния. Сформулированная модель позволяет учитывать влияние на усталостное разрушение касательной сопоставляющей тензора механических напряжений. В основу модели заложено уравнение баланса энергий в упруго-пластическом теле. С помощью полученных в рамках модели кинетических уравнений можно определять траекторию и период докритического роста усталостной макротрещины.
Используя определяющие уравнения этой модели, в работе были рассмотрены некоторые важные с практической точки зрения прикладные задачи, а именно. Задача об определении долговечности наводороженного стыкового сварного соединения с непроваром. Для определения коэффициента интенсивности напряжений для усталостной криволинейной трещины в данном случае использовано известный в литературе метод эквивалентности равнокасательных трещин. В работе также рассмотрена задача оценки остаточного ресурса элемента газопровода с внутренней полуэллиптической поверхностной трещиной. Задача решена с предположением о сохранении трещиной в процессе ее продвижения полуэллиптической формы. Расчеты показали, что присутствие в элементе металлоконструкции сравнительно невысокого уровня концентрации водорода может существенно снижать его остаточную долговечность при циклическом нагружении.
Ключевые слова: концентрация водорода, циклическое нагружение, энергия рассеивания пластических деформаций, зарождение усталостной трещины, сварные соединения, долговечность, полуэллиптическая трещина.




Комментарий:

Диссертация полностью соответствует своему описанию!


Рекомендовать другу
50/50         Партнёрка
Отзывы