WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 |

В работе представлены более точные формулы для расчета, полученные на основе анализа неустойчивости пластических деформаций композитного цилиндра из деформационно-упрочненных металлов по степенной зависимости.

В зависимости от отношения относительных удлинений основного (мягкого) металла и ликвационной прослойки и параметра величина может изменяться в достаточно широком интервале. Очевидно, при определенных значениях,, и величина. Приравнивая к единице по уравнению (1), можно определять критические параметры механической неоднородности цилиндрических элементов, обеспечивающие равнопрочность цилиндрических элементов с ликвационными прослойками.

В реальных случаях, например в трубах, величина может быть достаточно большой (около 1/3), а пластичность твердых участков сравнительно малой. Поэтому при эксплуатации таких труб в твердых (хрупких) участках возможно образование трещин даже при рабочих нагрузках. Указанный факт может усиливаться при работе трубопроводов в режиме малоциклового нагружения. Все это говорит о том, что вопреки существующим мнениям некоторых специалистов, необходимо более внимательно относиться к оценке ресурса конструктивных элементов с металлургическими ликвационными прослойками. В частности, необходимо отметить, что повышенная твердость металла в окрестности ликвационных прослоек может снижать не только статическую и малоцикловую прочности, но и характеристики трещиностойкости. Поэтому возникает необходимость поверочных расчетов конструктивных элементов с ликвационными (твердыми) прослойками с использованием критериев трещиностойкости.

В работе произведена оценка предельного состояния цилиндрических конструктивных элементов с твердыми ликвационными прослойками по критериям трещиностойкости в соответствии с расчетной схемой, представленной на рисунке 4.

Оценка по критериям трещиностойкости произведена в предположении, что трещина образовалась длиной и глубиной в ликвационной прослойке, например, в результате малоциклового нагружения или дополнительного водородного и деформационного охрупчивания и старения ее металла.

Для расчета по критериям трещиностойкости получена следующая формула:

, (2)

где протяженность трещины в ликвационной прослойке. Очевидно, что при :.

В работе приведены более сложные формулы, полученные с учетом различной чувствительности металла конструктивных элементов к трещинам.

Таким образом, выведены аналитические зависимости для расчетного определения несущей способности конструктивных элементов оборудования и трубопроводов с твердыми ликвационными прослойками. Показано, что в ряде случаев наличие твердых ликвационных прослоек может снижать несущую способность конструктивных элементов оборудования и трубопроводов вследствие более раннего исчерпания их деформационной способности. Получены формулы для расчетов коэффициентов несущей способности конструктивных элементов оборудования и трубопроводов с твердыми ликвационными прослойками по критериям трещиностойкости.

В третьей главе произведена оценка напряженного и предельного состояний конструктивных элементов нефтегазового оборудования и трубопроводов с продольными твердыми прослойками (при плоской деформации).

Наиболее характерным примером реализации плоской деформации является нагружение внутренним давлением цилиндрического сосуда с продольной твердой прослойкой (рисунок 5).

Имеющееся решение задачи о плоской деформации мягкой прослойки относится к прямоугольной модели (рисунок 5, б) и базируется на следующих исходных условиях и допущениях, упрощающих математический анализ.

В частности, допускается, что диаграммы растяжения твердого (Т) и мягкого (М) металлов принимаются схематизированными, соответствующими идеально жесткопластическому материалу: ;. При этом большинство решений предполагают, что контактные касательные напряжения не зависят от координаты ( = 2х/S) и равны пределу текучести при чистом сдвиге к = ± Км, где Км = (рисунок 6). Здесь и в дальнейшем и пределы текучести мягкого (М) и твердого (Т) металлов, а их временные сопротивления соответственно. Основным геометрическим параметром, предопределяющим напряженное и предельное состояния твердой прослойки, является ее относительная толщина т = hт/S.

u (x,y) б) (x,y)

u (x,y) в) (x,y)

Кроме этого, на наш взгляд, достаточно жестким допущением является принятие постоянства касательных напряжений по координате.

Недостаточно обоснованным, на наш взгляд, является условие принятия равенства контактных касательных напряжений величине предела текучести мягкого металла при чистом сдвиге: к = Км. Наряду с этим имеющиеся решения относятся лишь к предельному состоянию соединения с твердой прослойкой. Указанные недостатки явились причиной более углубленного исследования напряженного и предельного состояний конструктивных элементов с твердыми прослойками.

Основные особенности напряженного состояния конструктивных элементов с твердыми прослойками определяются эффектом стеснённости деформации мягкого металла в окрестности поверхностей твердого металла. В результате чего в мягком металле реализуется более жесткое (объемное) напряженное состояние (с высоким значением среднего напряжения ср или гидростатического давления). В твердой прослойке происходят процессы деформирования, способствующие уменьшению степени жесткости напряженного состояния и величины ср. Этот факт приводит к тому, что пластическое деформирование твердой прослойки может происходить при среднеитегральных (номинальных) напряжениях, меньших величины предела текучести твердого металла. Отмеченный феномен четко проявляется на картинах муаровых полос, полученных на образцах с различными значениями относительной толщины твердых прослоек (рисунок 6). Как известно, муаровые полосы представляют собой линии равных перемещений в вертикальном (V(x,y)) и горизонтальном (U (x,y)) направлениях. Кривизна муаровых полос предопределяет наличие сдвиговых деформаций и, соответственно, касательных напряжений.

Сравнение картин муаровых полос на рисунке 6, б и в, четко показывает, что с уменьшением относительной толщины твердой прослойки увеличивается степень вовлечения твердого металла в пластическую деформацию. В относительно развитых твердых прослойках (т = 0,5) в пластическую деформацию вовлекаются лишь боковые участки (рисунок 6, б). Совершенно другая картина (рисунок 6, в) наблюдается при деформации образцов со сравнительно тонкими твердыми прослойками (т = 0,1). В этом случае деформация образца практически равномерная и охватывает весь образец, включая и твердую прослойку. В связи с этим в работе полагается, что существует некоторая критическая относительная толщина твердой прослойки, при которой она полностью переходит в пластическое состояние, хотя при этом среднеинтегральные (номинальные) осевые напряжения меньше предела текучести. Таким образом, металл твердой прослойки находится при таких напряженных состояниях, при которых достигается максимальная деформационная способность металла и снижается вероятность хрупких разрушений, в особенности в окрестности линий сплавления твердой прослойки и основного (мягкого) металла. Заметим, что основной металл вблизи контактных плоскостей находится в условиях, когда из-за стеснения деформаций развивается объемное (жесткое) напряженное состояние, повышается сопротивление деформированного и увеличивается вероятность реализации хрупкого разрушения. Заметим, что область распространения эффекта стеснения деформаций основного (мягкого) металла в условиях проведенных опытов составляет около 5. При этом касательные напряжения ху по координате изменяются примерно по линейному закону, как это принимается в большинстве опубликованных работ, посвященных решению подобных задач по теории упругости и пластичности, обработке металлов давлением и др.

Необходимо обратить внимание на тот факт, что касательные напряжения, как в мягком, так и в твердом металле имеют один и тот же знак, но на контактных плоскостях зависимости ху() теряют разрыв второго рода. В связи с этим терпят разрыв первого ряда поперечные напряжения х. Это легко доказывается дифференциальными уравнениями равновесия, известными в теории пластичности. Таким образом, в мягком металле напряжение х должно иметь знак «плюс», а в твердом – «минус». Этот факт является причиной реализации в твердой прослойке более мягкого напряженного состояния (с меньшим значением ср).

Экспериментальные данные и логические размышления подсказывают, что касательные напряжения ху по координате должны изменяться по сложным экстремальным кривым. Об этом свидетельствуют данные, полученные методом муаровых полос (Р.С. Зайнуллин, А.Г. Халимов).

В связи с этим нами предлагается следующая зависимость для определения касательных напряжений в объеме твердых прослоек:

. (3)

где и текущая и предельная нагрузки (давления) на конструктивный элемент;  константа.

С использованием основных уравнений теории пластичности и с учетом формулы (3) получены следующие формулы для определения поперечных и осевых напряжений:

; (4)

. (5)

На рисунке 7 приведены зависимости и от координаты, построенные по формулам (4) и (5). Здесь же построены (штриховыми линиями) зависимости и, определенные на основе метода муаровых полос (Р.С. Зайнуллин, А.Г. Халимов). Как видно, отмечается неплохое совпадение теоретических и экспериментальных зависимостей и. Среднеинтегральная величина тем ниже, чем меньше относительная толщина твердой прослойки. При твердая прослойка полностью переходит в пластическое состояние, несмотря на то, что среднеинтегральные напряжения меньше предела текучести твердого металла.

Для определения получена следующая формула:

, (6)

где.

Зависимость, построенная на основании формулы (6), показана на рисунке 8. Уменьшение параметра приводит к снижению. При этом расчетные значения практически совпадают с экспериментальными данными (А.Г. Халимов).

Таким образом, базируясь на основных закономерностях пластического деформирования разнородных материалов, выполнен анализ напряженного и предельного состояний конструктивных элементов оборудования и трубопроводов в условиях плоской деформации.

по формулам (4) и (5); эксперимент

Рисунок 7 – Распределение относительных поперечных

и осевых напряжений по координате

– по формуле (6); – эксперимент (А.Г. Халимов)

Рисунок 8 – Зависимость критических величин относительной

толщины твердых прослоек от параметра Квт

Выявлены и описаны новые закономерности распределения основных компонент тензора напряжений в объеме твердых прослоек конструктивных элементов нефтегазового оборудования и трубопроводов с учетом особенностей реализации контактных эффектов разупрочнения твердого металла, в зависимости от степени механической неоднородности и основных геометрических параметров.

Установлено, что касательные напряжения на контактных поверхностях твердых прослоек описываются по совершенно иным законам, на базе которых ранее (другими авторами) решен ряд задач по оценке напряженного и предельного состояний твердых прослоек в составе конструктивных элементов.

Показано, что величина и характер распределения контактных напряжений зависят от степени механической неоднородности и относительной толщины твердых прослоек.

Произведена уточненная оценка контактных эффектов разупрочнения твердых прослоек, деформируемых в составе конструктивных элементов нефтегазового оборудования и трубопроводов.

Показано, что существующие методы в несколько раз завышают величину контактных эффектов разупрочнения твердых прослоек в сравнении с полученными оценками в настоящей работе.

Четвертая глава посвящена оценке напряженного и предельного состояний твердых прослоек при осесимметричной деформации.

В работе впервые выполнен анализ напряженного и предельного состояний конструктивных элементов с кольцевой прослойкой (рисунок 9).

С учетом ранее установленных особенностей распределения контактных касательных напряжений в плоских твердых прослойках, выполнен анализ и получены новые аналитические зависимости, для оценки компонент напряжений в объеме осесимметричных и кольцевых твердых прослоек:

; (7)

; (8)

, (9)

где (рисунок 9). Остальные обозначения те же, что и ранее.

Установлены соотношения механических и геометрических параметров твердых прослоек, при которых происходит их полное вовлечение в пластическое состояние при средних напряжениях, меньших их предела текучести.

, (10)

где (рисунок 9). При из формулы (10) следует выражение для расчета для дискообразной твердой прослойки. В других частных случаях из уравнения (10) вытекают формулы, полученные другими авторами.

Базируясь на теории тонких оболочек, впервые показано, что с уменьшением относительной толщины твердых прослоек происходят снижение степени краевых сил, моментов и напряжений и соответствующий рост несущей способности конструктивных элементов нефтегазового оборудования и трубопроводов.

Анализ полученных решений показывает, что общие закономерности напряженного и предельного состояний кольцевых, дискообразных и плоских твердых прослоек качественно совпадают, но отмечаются заметные количественные отличия.

В пятой главе разработаны методы расчета несущей способности и остаточного ресурса безопасной эксплуатации нефтегазового оборудования и трубопроводов.

Показано, что для конструктивных элементов с продольными твердыми прослойками коэффициент несущей способности независимо от величины. Однако уменьшение способствует повышению деформационной способности конструктивных элементов вследствие вовлечения в пластическую деформацию металла твердых прослоек. Указанный факт относится к случаю, когда твердый металл (прослойка) имеет достаточно высокие показатели технологической и эксплуатационной трещиностойкости. В противном случае величина может существенно отличаться от единицы.

Наибольшую опасность в плане несущей способности представляют кольцевые толстые твердые прослойки. В этом случае несущая способность конструктивных элементов определяется деформационной способностью и трещиностойкостью металла твердых прослоек.

Установлено, что для сравнительно тонких твердых прослоек с критическими деформационная способность конструктивных элементов практически равна деформационной способности конструктивных элементов без твердых прослоек.

В работе приведены формулы для определения несущей способности конструктивных элементов с кольцевыми твердыми прослойками. Установлены соотношения механических свойств основного металла и металла твердых прослоек, при которых обеспечивается равнопрочность, т.е..

Pages:     | 1 || 3 |






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