WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 | 2 || 4 |

В данном случае напряжения также описываются выражением (2), однако множитель имеет сложный вид из-за того, что параметр особенности является комплексной величиной (). Его мнимая часть теоретически приводит к осцилляциям всех компонент напряжений с возрастающей частотой (так как при ). В реальности такую картину трудно себе представить, тем более выразить графически. Поэтому основные результаты получили методом конечных элементов, учитывая, что действительная часть R = – 0,5 независимо от соотношения упругих свойств материалов.

На рисунке 7 приведены графики распределения напряжений перед межфазной трещиной для двух случаев (размеры ; ; номинальное напряжение ; разномодульность материалов и ). Значения КИН, найденные прямым методом с экстраполяцией, приведены в таблице 2. Аналогичные результаты получены энергетическим методом.

Рисунок 7 – Графики распределения напряжений в биметалле
с межфазной трещиной

Таблица 2 – Значения КИН для межфазной трещины в биметалле
для случая «г» на рисунке 5 (; ; )

Схема

трещины

h, мм

К1, ед. СИ

К2, ед. СИ

0,5

6

0,3029105

0,2890105

0,5

10

0,3091105

0,2826105

0,5

16

0,3042105

0,2917105

2

6

0,6304105

0,9270105

2

10

0,6413105

0,9159105

2

16

0,6434105

0,9239105

Результаты исследований подтверждают, что при повреждении твердого слоя биметалла образующаяся при этом концентрация напряжений значительно более опасна, чем в обратном случае.

При развитии межфазной трещины коэффициенты интенсивности напряжений К1 и К2, соответствующие нормальным и касательным напряжениям, практически не изменяются, оставаясь на исходном уровне.

Таким образом, фактор механической неоднородности материалов оказывает одно из определяющих влияний на напряжённое состояние, прочность, ресурс биметаллических сосудов и на допустимые безопасные режимы их эксплуатации.

Третья глава посвящена изучению особенностей напряжённого состояния и прочности соединений разнородных материалов (поперечной неоднородности). К таким, в частности, относятся сварные, паяные, клеевые элементы конструкций. В районе стыков таких соединений возникает концентрация напряжений (рисунок 8).

Рисунок 8 – Фотоупругая картина стыкового соединения с поперечной прослойкой из мягкого материала

Применяя метод комплексных потенциалов в сочетании с «принципом микроскопа», установили, что в окрестности краевой точки стыка (рисунок 9) напряжения также описываются выражением типа (2) несмотря на то, что в данном случае трещины нет. Следовательно, в зависимости от параметра краевая зона стыка может быть таким же резким концентратором напряжений, как и трещина. Исследования показали, что параметр сложным образом

Рисунок 9 Расчётная схема краевой зоны стыка

зависит от упругих характеристик материалов Е1, 1, Е2, 2 и углов 1 и 2, «занятых» этими материалами. Для случаев, когда поверхность соединения в зоне стыка плоская (), характер зависимости параметра от угла 1 показан на рисунке 10. Из графика видно, что параметр принимает отрицательные значения в диапазонах и ; при этом появляется резкая концентрация напряжений типа. В диапазонах и параметр положителен. Это означает, что при этих углах концентрация напряжений в краевых зонах стыка не возникает, а наоборот, проявляется эффект малонапряженности. Данный результат имеет важные практические последствия: он открывает возможность управлять концентрацией напряжений конструктивными методами на этапе проектирования изделий.

Рисунок 10 – Характер зависимости параметра от угла 1
(1 соответствует сектору, «занятому» мягким материалом)

Однако этой возможностью на практике не всегда удается воспользоваться. В таких случаях необходимо правильно оценивать степень опасности концентрации напряжений, возникающей из-за влияния фактора механической неоднородности. Учитывая, что напряжения описываются выражением типа (2), аналогичным для случая трещины, оценку целесообразно выполнять на основе критериев механики разрушения, но с учётом специфических особенностей. В данном случае одинаково эффективны следующие три критерия прочности:

    • К-подход, основанный на сравнении КИН с его предельным значением К* для данной пары материалов;
    • энергетический подход, основанный на балансе энергий: выделяющейся при зарождении и продвижении трещины и необходимой на образование новой поверхности (на компенсацию поверхностной энергии);
    • критерий эквивалентной трещины, основанный на том положении, что резкая концентрация напряжений в бездефектном соединении разнородных материалов эквивалентна по опасности некоторой трещине в однородном материале.

Энергия зарождения трещины G0 и размер эквивалентной трещины hэкв определяются построением графика изменения интенсивности высвобождаемой энергии G при росте трещины (рисунок 11).

Рисунок 11 – Определение энергии зарождения трещины G0
и размера эквивалентной трещины hэкв

Все критерии прочности и разрушения используют в качестве исходной информации значения параметров и К, участвующих в выражении (2). В таблице 3 приведены значения этих параметров для некоторых пар материалов, соединяемых прямым стыком (; ). Для расширения области применения полученных данных выделен безразмерный множитель Y, независимый по отношению к размерам () и нагрузке (). При этом использовано следующее выражение, аналогичное (3):.

Таблица 3 Результаты расчётов КИН прямым методом (номинальное
напряжение ; толщина образца ;
экстраполяция по напряжениям у в области 0,1…0,3 мм)

Е2/E1

К, МПам

Y

1

0

1,0

1,0

2

0,03700

0,7343

0,8707

3

0,07989

0,5167

0,7465

4

0,11214

0,3983

0,6676

5

0,13618

0,3287

0,6154

6

0,15460

0,2842

0,5792

7

0,16909

0,2537

0,5527

10

0,19846

0,2018

0,5033

20

0,23915

0,1476

0,4440

50

0,26769

0,1187

0,4072

100

0,27803

0,1098

0,3951

1000

0,28773

0,1021

0,3841

10000

0,28871

0,1013

0,3829

100000

0,28882

0,1012

0,3827

В четвертой главе приведены результаты экспериментов.

Первая серия экспериментов проведена с целью проверки возможности управления концентрацией напряжений путём оптимизации формы стыка. Для этого использовали эффект фотоупругости, позволяющий визуально наблюдать поле напряжений. На рисунке 12 показаны фотоупругие картины двух соединений, отличающихся только формой стыка. Данный эксперимент подтверждает, что, подбирая форму стыка (добиваясь, чтобы угол выхода стыка на поверхность соединения соответствовал условию малонапряженности), можно полностью исключить резкую концентрацию напряжений, перевести ее в разряд «мягких», не опасных для конструкции.

Рисунок 12 – Фотоупругие картины на стыковых соединениях
разнородных материалов («т» – алюминиевый сплав; «м» – полиуретан )

Вторая серия экспериментов проводилась с целью проверки эффективности предложенных методов оценки прочности соединений с учётом фактора механической неоднородности. На рисунке 13 приведены результаты испытаний (точки) и расчетов (сплошная линия) образцов с межфазными трещинами. Результаты испытаний совпадают с расчётными данными в пределах случайных разбросов.

На рисунке 14 приведены аналогичные результаты для бездефектных соединений с мягкой прослойкой. Систематическое отклонение результатов испытаний от расчётной кривой объясняется наличием остаточных напряжений, которые в расчёте не учитывались. Несмотря на это, результаты испытаний правильно передают характер зависимости прочности от толщины прослойки. Видно, что с уменьшением толщины прослойки прочность соединения растёт и превышает прочность самого материала прослойки (в этом проявляется эффект упрочнения мягкой прослойки).

Рисунок 13 – График зависимости разрушающей нагрузки Q*
от размера межфазной трещины в соединении стали (т) и отверждённой эпоксидной смолы (м) (ширина ; толщина пластин 4,7 мм)

Рисунок 14 – Результаты испытаний бездефектных соединений
с мягкой прослойкой

В следующем эксперименте испытаны несколько типов соединений, отличающихся только формой стыка (рисунок 15). В качестве мягкого материала использован гарт (сплав 78 % свинца, 4,5 % олова, остальное – сурьма). Результаты испытаний подтвердили, что при выполнении рекомендаций, сделанных на основе теоретических исследований, удается полностью исключить отрицательное влияние концентратора напряжений.

Рисунок 15 – Типы испытанных образцов и их прочность

(сечение 1050 мм2, разномодульность 6,62)

Таким образом, показано, что без учёта фактора механической неоднородности элементов конструкций можно получить ошибки, которые в дальнейшем приведут к разрушениям оборудования. Результаты настоящих исследований позволяют минимизировать отрицательное влияние фактора механической неоднородности на всех этапах жизненного цикла такого оборудования.

Основные выводы

1. На примерах биметалла и стыкового соединения установлены основные закономерности формирования полей напряжений и деформаций в элементах конструкций, обладающих ярко выраженной неоднородностью механических свойств. Полученные формулы позволяют:

на этапе проектирования технических устройств оптимизировать выбор материалов, геометрические характеристики, технологические особенности изготовления и ремонта;

на этапе эксплуатации оценивать по результатам диагностики техническое состояние, определять безопасные сроки эксплуатации с учетом фактора неоднородности, геометрических характеристик, тепловых и механических режимов нагружения, динамики развития разрушения.

2. Изучены отличительные особенности формирования полей напряжений в окрестности трещин, развивающихся в механически неоднородных элементах конструкций. На трещинах сингулярность поля напряжений типа сохраняется, но порядок особенности и коэффициент интенсивности напряжений зависят от соотношения упругих свойств материалов. Оценка опасности трещин по силовому критерию затруднена из-за несоразмерности КИН и стандартной характеристики материалов вязкости разрушения КIC.

3. Установлено, что:

Pages:     | 1 | 2 || 4 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»