Построение методик оценки усталостного ресурса
Как отмечалось выше более половины всех случаев эксплуатационного разрушения элементов машиностроительных конструкций происходит при циклическом нагружении, то есть в результате потери усталостной прочности. Поэтому оценка усталостной прочности и ресурса элементов конструкций на стадии их проектирования и в процессе эксплуатации представляет собой весьма актуальную задачу. Чтобы корректно решить подобную задачу необходимо предварительно установить:
- распределение статических и динамических нагрузок за весь срок службы с учетом нестационарного характера реакции на внешние воздействия;
- напряженно деформированное состояния несущих элементов конструкции и его инвариантные характеристики.
Имея данную информацию можно решить третью основную задачу и определить долговечность элемента конструкции в конкретных условиях эксплуатации на основе прочностных и ресурсных характеристик материала.
Несмотря на разнообразие и внешнее различие отраслевых методик в общих чертах постановка и пути решения данной задачи одинаковы. Каждая из частных задач является предметом многочисленных исследований, как правило, не связанных между собой. Так, например, в области исследования динамики оболочечных конструкций разрабатываются все более точные детерминированные модели их поведения в различные моменты эксплуатации [22, 95]. Но разнообразный и, в общем, случайный характер внешних воздействий не позволяет рассчитать историю нагружения отдельных деталей, необходимую для решения второй и третьей задач. Получить подробные сведения о нагрузках за весь срок службы можно лишь на основе использования и расширения возможностей систем компьютерного мониторинга.
Надежное определение напряженно-деформированного состояния возможно в деталях простой формы, работающих в области упругих деформаций. Но даже в этом случае нет корректного решения задачи при появлении в исходно бездефектном теле усталостной трещины. Следовательно, остается открытым вопрос включения в ресурс конструкции стадии развития трещины. Как правило, при решении второй задачи не проводится разделения свойств поверхностного слоя и основного металла детали и не учитывается их деградация. Не решен однозначно вопрос об эквивалентном, по числу циклов до разрушения, напряжении при сложном напряженном состоянии.
Линейное суммирование усталостных повреждений, широко используемое при решении третьей задачи, позволяет проводить перегруппировку циклов реального спектра напряжений, замену случайного спектра стационарным режимом, асимметричного цикла симметричным. Иными словами, становится возможным достаточно простое и эффективное обращение с результатами решения двух первых частных задач. Однако прогноз долговечности на основе линейной гипотезы дает многократные ошибки, часто не в запас усталостной прочности
Прогнозирование ресурса в случае произвольного напряженного состояния тел с изменяющимися под действием переменных нагрузок свойствами является трудно разрешимой научной проблемой. Например, определение компонент тензора поврежденности четвертого ранга или его инвариантных мер требует проведения длительных дорогостоящих экспериментов (которые еще никто не проводил). При этом физическая трактовка меры усталостных повреждений постоянно меняется и до настоящего времени не имеет ясного однозначного толкования. Инженерная методика оценки усталостного ресурса изделий должна удовлетворять, кроме того, определенным требованиям и запросам расчетной практики:
- обладать концептуальной ясностью и единством подхода к определению меры повреждения, критериев усталостного разрушения, правила суммирования повреждений, расчетного числа циклов до появления и устойчивого развития усталостной трещины;
- опираться на накопленные экспериментальные данные или те, которые можно получить в условиях заводской лаборатории, а по мере их накопления в справочной литературе;
- избегать использования непроверяемых гипотез и допускать прямую экспериментальную проверку на любом этапе расчета;
- представлять собой ясный алгоритм или программный продукт с подробными инструкциями пользователю;
- вести расчет в детерминированной постановке задачи или полувероятностной при наличии данных о квантилях распределения случайных исходных величин;
- давать прогноз долговечности с приемлемой точностью и содержать указания границ применения методики и получаемых результатов.
Очевидно, что
создание содержательной расчетной
методики, исходя из имеющихся теоретических
положений, затруднительно. Необходимы
ограничения и допущения по числу циклов
до разрушения, замене сложного напряженного
состояния приведенными напряжениями
и переходу к скалярной мере усталостного
повреждения и др. В этом случае инженерные
расчеты могут строиться традиционно в
форме сравнения двух параметров. Один
параметр (А) характеризует фактическое
или текущее состояние конструкции, а
другой (Б) нормативно установленное
предельное состояние. Так, например,
при сравнении расчетной долговечности
с требуемой, условие работоспособности
А
Б
должно гарантировать необходимый
уровень вероятности исключения отказа
машины из-за усталостного разрушения
металлоконструкции.
При этом в математической модели процесса
отказа должны быть учтены факторы,
которые вносят в расчет элемент
неопределенности. Это вероятностная
природа механических характеристик
материала и внешних воздействий,
приближенность исходных данных и
математических моделей недостаточно
изученных процессов, степень надежности
и ответственности конструкции.
Конкретное наполнение основного расчетного условия составляет содержание расчетных методик, закрепленных в отраслевых нормах расчета изделий [84, 94]. Если речь идет о проверочном расчете на усталостную прочность, то первые две основных задачи по определению нагрузок и полей напряжений полагаются решенными. Реальный процесс нагружения расчетной зоны конструкции схематизируется тем или иным методом и заменяется эквивалентным стационарным процессом. Далее все инженерные методы расчета конструкций используют аппарат «классической» теории усталости, базирующийся на уравнении усталостной кривой, диаграмме предельных напряжений и гипотезе линейного суммирования повреждений. Как основное условие работоспособности, так и расчет на сопротивление усталости может иметь различные формы: по напряжениям, по долговечности или по повреждениям. Примером обстоятельного и подробного изложения порядка проведения подобных расчетов может служить материал пособия по расчету сварных крановых металлоконструкций [92].
Потребность в сверхнормативном использовании техники и переход от плановых ремонтов к обслуживанию по техническому состоянию делают особо актуальной задачу объективной оценки несущей способности и остаточного ресурса ответственных элементов эксплуатируемых конструкций. Как правило, для успешного решения подобных задач недостаточно накопленного опыта проектирования или внедрения международных стандартов и готовых расчетных вычислительных комплексов. Нужны новые, концептуально ясные способы определения параметров текущего и предельного циклического состояния материала эксплуатируемой конструкции. Нужны инженерные методики, позволяющие с единых позиций проводить расчет числа циклов до появления усталостной трещины и до полного разрушения исследуемого объекта при сложном спектре разнообразных внешних нагрузок.
Значительные запасы прочности проектируемых конструкций долгое время позволяли не рассматривать любые виды разрушения, за исключением усталостного. Как следствие, усталостное разрушение, в силу своей специфики и сложившихся традиций исследования, изучается не в контексте общей проблемы разрушения, а как самостоятельная научно техническая задача. С другой стороны, разрушение как новое явление в поведении конструкций изучено недостаточно. Использование старых моделей упруго пластического анализа приводит к некорректным решениям с бесконечными напряжениями или деформациями в вершине трещины. В монографии рассмотрен новый континуальный подход к проблеме усталостного разрушения элементов конструкций на основе экспериментальных данных о взаимосвязи статических и циклических свойств материала.