Pull down to refresh...

Main menu

Main menu

4.11. Прочность сопряжённых элементов сосудов при циклических нагрузках

Патрубки, ввариваемые в стенки и днища, являются наиболее слабым местом сосуда и это особенно проявляется при повторно-переменных нагрузках. При статическом нагружении сосуд разрушался по основному металлу в направлении образующей цилиндра, где развитие пластической деформации опережало накапливание повреждений в зоне концентрации напряжений. При пульсирующем цикле нагружения с максимальным напряжением цикла разрушение происходило от усталостной трещины в зоне концентрации напряжений в месте соединения трубы с днищем.

На рис. 4.12 приведено сопоставление разрушающих напряжений с допускаемыми для моделей корпусов из углеродистых и легированных сталей по [11]. Допускаемая кривая усталости описывается соотношением Л.Ф. Коффина.

                                                      (4.98)

где Е – модуль упругости; N – число циклов; – поперечное сужение образца материала в процентах; – предел выносливости материала при симметричном цикле

В табл. 4.11 приведены результаты испытаний цилиндрического вида укреплений при пульсирующей переменной нагрузке с различным числом циклов. Приведены коэффициенты концентрации окружных напряжений в точках, в которых возникали трещины усталости (показаны стрелками) [28]. Необходимо отметить, что симметричное расположение накладок (тип 6) повышает выносливость при переменных циклических нагрузках.

Рис. 4.12. Сопоставление разрушения моделей корпусов из различных сталей:

1 – угл. сталь, 2 – легированная сталь; · – малоугл. сталь, ■ – низколег. сталь; ▲ – высоколег. сталь

Как показывают экспериментальные исследования, усталостная прочность патрубков существенно зависит не только от формы шва, но и от вида термообработки, способа сварки, последующей обработки швов поверхностным пластическим деформированием: проковкой, обработкой резцом, выброобработкой, что способствует снижению отсаточных сварочных напряжений [28].

Пластические деформации в зоне сопряжения носят местный характер и чем больше степень локализации пластической деформации, тем ближе характер нагружения приближается в жёсткому, либо имеет промежуточный характер между мягким и жёстким нагружением. Поэтому за критерий разрушения принимается амплитуда напряжений, которая соответствует разрушающим напряжениям при мягком нагружении, если разрушение носит усталостный характер.

Таблица 4.11

При упруго-пластическом деформировании материалы могут упрочняться, разупрочняться или оставаться циклически стабильным. Деформационные характеристики материала определяются в полуцикле двумя параметрами: шириной петли гистерезиса и односторонней пластической деформацией, накопленной за предшествующие полуциклы. Этим двум процессам развития пластических деформаций соответствуют два типа разрушения: усталостное хрупкое и квазистатическое с образованием “шейки” [28]. Конечный вид одновременного протекания этих процессов зависит от ряда факторов: вида материала, уровня напряжений, асимметрии цикла и других. Так, для разупрочняющихся материалов возможно только усталостное разрушение. Для примера, алюминиевые сплавы В-96, АК-8, Д-16Т являются циклически упрочняющимися; теплоустойчивые стали ТС-I, ТС-II – разупрочняющимися; сталь 45 и сталь IXI8H9T – циклически стабильными [24].

Проведение малоцикловых испытаний на усталость в условиях сложного напряжённого состояния сталкивается со значительными трудностями оценки полученных результатов ввиду многообразия определяющих параметров. Большинство экспериментов проводилось при жёстком режиме нагружения, единичные при мягком. Результаты испытаний показывают, что малоцикловая усталость зависит от вида напряжённого состояния.

В условиях мягкого циклического нагружения размахи существенно изменяются в процессе испытаний вследствие циклической нестабильности материала. Это приводит к наличию влияния истории нагружения и начального состояния на процесс накопления повреждений. Накопление односторонней деформации создаёт дополнительное повреждение, которое может оказаться доминирующим. Для интерпретации результатов испытаний вводятся гипотезы о накоплении повреждений. При этом можно выделить две группы: первая – длительность работы в соответствующих условиях (временная гипотеза), вторая – накопленная и циклически изменяющаяся деформация (деформационная гипотеза) [11, 38].

Рис. 4.13. Петли пластического гистерезиса упрочняющегося материала:

а) мягкое нагружение; б) жёсткое нагружение

Рис. 4.14. Петли пластического гистерезиса разупрочняющегося материала:

а) мягкое нагружение; б) жёсткое нагружение

При деформационной трактовке условия малоциклового разрушения предполагается, что разрушение наступает тогда, когда сумма односторонне накопленных и циклических упруго-пластических деформаций достигнет предельного значения

                                                                          (4.99)

где – некоторая функция, определяющая состояние материала; П1 – повреждения усталостного характера; П2 – статического характера. Условие квазистатического разрушения записывается в виде

                                                                               (4.100)

где – односторонне накопленная пластическая деформация, предельная деформация однократного статического разрушения.

При усталостном разрушении предельная упруго-пластическая деформация оценивается по экспериментальным данным жёсткого нагружения, когда одностороннее накопление пластических деформаций не происходит. Критерий малоциклового усталостного разрушения записывается в виде

                                                                      (4.101)

Подставив в (4.99) значение П1 и П2 с учётом (4.98) получим соотношение повреждаемости для промежуточного нагружения, характерного для сопряжённых конструкций.