Введение

Курсовая работа «Анализ предельных состояний конструкционных сталей и сплавов при статическом и циклическом нагружении» является важной составляющей курса «Конструкционная прочность», изучаемого студентами специальности «Динамика и прочность машин» в рамках магистратуры. В ходе ее выполнения учащимся предстоит пройти основные этапы решения реальной инженерной задачи, включающей анализ условий разрушения конструкционных материалов при сложном напряженном состоянии в условиях статического нагружения, а также определение долговечности элемента конструкции с концентратором напряжений при циклическом неупругом деформировании с учетом этапа живучести (развития усталостной трещины). Семнадцать вариантов работы определяются данными табл. 1. Также данное пособие будет полезным подспорьем при изучении курса «Основы инженерных расчетов на прочность» бакалаврами той же специальности.

Предельным или опасным (обычно именуемое разрушением) принято считать такое состояние материала или конструкции, при достижении которого объект перестает выполнять возложенные на него функции*. Эта ситуация может быть связана как непосредственно с разрушением (в смысле нарушения сплошности, разделения на части), так и в связи с невозможностью продолжения нормальной (или, как еще говорят, штатной) работы, по крайней мере, в рамках заданных технических характеристик (при этом машина или деталь могут оставаться целыми) – такие разрушения называют функциональными. В частности, в расчетах на прочность труб и других сосудов давления рассматриваются два критерия утраты работоспособности – общее разрушение изделия и образование течи. Если с последним в ряде случаев (например, на водоводах) еще можно мириться до момента ликвидации дефекта, то для котлов, химических реакторов, паропроводов, газо- нефтепроводов и других подобных сооружений это совершенно недопустимо.

Виды актуальных (наиболее вероятных в данных условиях) предельных состояний во многом зависят от вида действующей механической и тепловой нагрузки. При нормальной температуре в случае однократного монотонного статического нагружения – это пластическое течение материала поначалу в отдельных наиболее нагруженных областях (например, в зонах концентрации напряжений), а затем – предельное равновесие конструкции, к примеру, образование пластического шарнира. В условиях повторно-переменного, в частности, циклического нагружения, характерного

^* Термины и определения в тексте выделены курсивом, моменты, на которые следует обратить особое внимание – жирным шрифтом.

для изделий машиностроения, разрушение начинается, как правило, в зонах концентрации напряжений в результате знакопеременного пластического течения (возможно на фоне одностороннего накопления деформации), завершающегося образованием трещины. Обычно этим моментом и ограничивают долговечность объекта. Вместе с тем, как показывает опыт, некоторые сооружения могут длительное время (до 6070 % ресурса) эксплуатироваться при наличии развивающихся усталостных трещин. Если это обстоятельство не препятствует нормальной работе, например, из-за разгерметизации сосуда давления, этап живучести также следует учитывать для более полного использования ресурса конструкции.

В

Рис. 1. Поверхность разрушения в условиях двухпараметрического нагружения

ообще же вопрос об актуальных предельных состояниях в каждом конкретном случае не так прост. Если конструкция испытывает воздействие нескольких взаимно независимых нагрузок (такое нагружение называется многопараметрическим), приходится рассматривать их возможные сочетания и определять поверхность разрушения. Последняя может состоять из участков, отвечающих различным опасным состояниям (механизмам потери работоспособности). Для случая двухпараметрического нагружения она схематично представлена на рис. 1, штриховкой отмечена область возможного изменения параметров Р₁ и Р₂ в условиях эксплуатации. Основной вопрос заключается в том, каким образом, по какому пути может произойти сближение рабочего (А) и опасного (Аⁱ, Вⁱ, Сⁱ, Dⁱ ) состояний. Оно может осуществляться как в связи с какими-то нарушениями нормального режима работы (например, при перегрузке), так и из-за отклонений механических характеристик материала, снижения его сопротивления деформированию и разрушению. Если оценка основывается лишь на результатах расчета, следует учитывать также приближенность расчетных схем и моделей.

Наиболее простым является предположение, сводящее нагружение к однопараметрическому (луч ОААⁱ ). Определить реальный путь перехода (кривая ОАВⁱ ) гораздо труднее, поскольку требуется проведение специальных исследований. В некоторых случаях имеет смысл проанализировать переход при изменении только одной из составляющих нагрузок, полагая, что остальные остаются неизменными (линии АС ⁱ  и АD ⁱ ). Если при принятом пути перехода от рабочего состояния возможна реализация нескольких опасных состояний, следует оценивать не только самое близкое, но и все остальные. Неточности определения предельных линий 1, 2, 3,   разные, поэтому ближайшая из них фактически может оказаться не самой близкой; к тому же неодинаковыми могут быть последствия, связанные с различными видами разрушения.

В соответствии со сказанным в данной работе тематически выделяются три относительно самостоятельные части.

Вначале должна быть определена основная механическая характеристика заданной стали или сплава – диаграмма деформирования. Аппроксимация последней производится по методу Рамберга-Осгуда степенной зависимостью на основе справочных данных, полученных при линейном напряженном состоянии в условиях однократного статического нагружения. Этот метод распространяется на произвольное сложное напряженное состояние при пропорциональном нагружении – для построения единой кривой деформирования в интенсивностях соответствующих величин.

Поскольку подавляющее большинство элементов конструкций работа­ет в условиях сложного напряженного состояния, для оценки их прочности необходимо использовать так называемые критерии прочности. С помощью традиционного критерия прочности О.Мора и современных – Лебедева-Писаренко и деформационного (Колмогорова-Кононова) – определяют условия разрушения заданного конструкционного материала при различных сочетаниях двух главных напряжений. Результаты расчета позволяют произвести сравнительный анализ рассмотренных критериев и дать заключение об их адекватности в этих условиях.

На следующем этапе определяют основные деформационные (кривая циклического деформирования, циклическая кривая) и прочностные (кривые усталости по Морроу и Мэнсону-Коффину, диаграмма предельных амплитуд) характеристики стали (сплава) при циклическом неупругом деформировании с учетом асимметрии нагружения. Производится анализ поведения материала по признаку упрочнения, вытекающий из сопоставления циклической кривой и кривой однократного деформирования.

Расчет допускаемого номинального напряжения в опасной точке за­данного элемента конструкции производится в соответствии с «Нормами расчетов на прочность оборудования и трубопроводов атомных энергетических установок» с учетом статистического разброса основных характеристик прочности.

Определив на основе принципа суперпозиции теоретический коэффи­циент концентрации напряжений, соответствующий заданным соотноше­нию нагрузок и коэффициенту асимметрии цикла напряжений, с помощью подхода Нейбера находят амплитуды максимального (с учетом концентра­ции) действующего напряжения и соответствующей деформации, а по ним – число циклов до образования трещины.

И, наконец, для заданной нагрузки производится оценка ресурса элемента конструкции с учетом этапа живучести, включающая определение критической длины трещины и расчет долговечности на этапе развития усталостной трещины.