автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.19, диссертация на тему:Разработка и экспериментальное обоснование энергетического метода оценки малоцикловой прочности деталей гидрооснастки

кандидата технических наук
Добровольский, Сергей Владимирович
город
Ижевск
год
1994
специальность ВАК РФ
05.02.19
Автореферат по машиностроению и машиноведению на тему «Разработка и экспериментальное обоснование энергетического метода оценки малоцикловой прочности деталей гидрооснастки»

Автореферат диссертации по теме "Разработка и экспериментальное обоснование энергетического метода оценки малоцикловой прочности деталей гидрооснастки"

ИЖЕВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ РГБ и и УНИВЕРСИТЕТ

1 5 АВГ 1994

На правах рукописи

ДОБРОВОЛЬСКИЙ Сергей Владимирович

УДК 620.172:621.757

РАЗРАБОТКА И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОБОСНОВАНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО МЕТОДА ОЦЕНКИ МАЛОЦИКЛОВОЙ ПРОЧНОСТИ ДЕТАЛЕЙ ГИДРООСНАСТКИ

Специальности: 05.02.19 — Экспериментальная механика машин 01.02.06 — Динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степепн кандидата технических наук

Ижевск 1994

Работа выполнена о Ижевском государственном техническом университете (ИжГТУ),

Научный руководитель — засл. деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор И. В. Абрамов.

Официальные оппоненты: д. т. н., профессор И. Б. Покрас; к. т. н., доцент В. П. Беркутов.

Ведущая организация — Ижевский филиал Центрального научно-исследовательского института бумагоделательного машиностроения.

Защита состоится 29 сентября 1994 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета К 064.35.01 по присуждению ученой степени кандидата технических наук в Ижевском государственном техническом университете, 426069, г. Ижевск, ул. Студенческая, 7.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИжГТУ.

Ваши отзывы на автореферат >в 2 экземплярах, заверенные гербовой печатью, просим направлять по указанному адресу на лмя ученого секретаря диссертационного совета.

Автореферат разослан .«_» июля 1994 г.

Ученый секретарь диссертационного совета к. т. н., доцент

Ю. В. Пузанов

- 3 -

ОБЩАЯ ХАШ1ЕРИС1ИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Базовые'детали многих гидравлических устройств высокого, давления, широко применяемые а промышленное™, испытывают за время эксплуатации малое число нагружений при высоких уровнях внутреннего, давления.' На основании- анализа литературно источников установлено, что проводимые в настоящее время расчета подобного-рода детален на статическую прочность не в полной мере отралеют условия эксплуатации, не дают ответа о долговечности базовик 'детапеП'и- узлов гидрооснастки в целой, в значительной мере .-сдерживает проектирование^ более надежных и менее металлоемких, конструкций гидрооснастки. В связи"с этим разработка методов.-расчета на-ыалоциклоьую прочность деталей гидроос-касткй: представляет. актуальную- в научном и важную в практическом отнош^^зздаОу.'-. 'Бэ.'рёшеяивь..в6зЬожно'. на основе экспериментальных исследований согфотивлёшОг материалов малоцккловому деформг!-рованию и .разрушении, механического:моделирования прочности элементов конструкций,; ш подобия,. позволяющих по результатам .испытаний материаЛ'овгобоснованно прогнозировать ма-•лоцикйовуо прочггасть; Деталей дашйн. - . . '

. . Цель работы-, разработка и экспериментальное обоснование метода оценки-- несущей способностей малоциюююой долговечности элементов консгруки^1Я»1бг;нованног6- на' использовании в качеств® физического, критерия- разрушения,- удельной энергии упругопластиче-ского -дефзрмированйя-. "..,....•-•.'; . ■ ...

■' Метод» исследования/ Теоретические исследования проБОди-лйсь ла основ0:Тё9'рии малых; упругопластических деформаций при . переменных,нагружёниях,';ет^тис^ёских>ебркП''1)рогтости с ио-'пользо.вонием машинршх Еаркантов ^именных методов анализа (метод ; коиеййых-■ Ьяеиентов*-^йетоД лерёменнггх лараме!ров упругости). Для проведения экспёршентальных-веслёдований была модернизирована установка для малоцикловых испытаний материалов при постоянной амплитуде энергии улругопластического деформирования. При этом использовались, методы планирования экспериментов, регрессионного н факторною анализа о привлечением ЭЕМ. Достоверность результатов исследований обеспечивалась использованием методов математической статистики, оценкой погрепшостей измерений, испытаний и расчетов,, критическим."анализомТестовых примеров, проверкой адекватности уравнений регрессии экспериментальным моделированием малЬциклевоЯ лрочности элементов конструкций.

Научная ноьизна. Разработан метод оценки, малоцикловой прочности элементов конструкций, когда в качестве, физического критерия разрушения г..спояьзуется энергия упругопдастического деформирования., как интегральная характеристика НДС.' Получены соотношения для учета конструктивной концентрации, поверхностного, к масштабного эффектов, совокупного влияния указанных факторов на ыа-лоцикловую прочность. Да'я номинального трехосного напряженного состояния развит метод расчета полей местных напряжений,:упруго-пластических деформаций,, энергий и их градиентйа при ыалоцикло-еом нагружении. Доведено экспериментальное обоснование энергетического метода. '.••••- »•'..,■'

Практическая ценность. ; Предлагаемый энергетический метод, использован для расчета базовых деталей, при. разработке, с участием автора комплекта.Бысокоэф^ектиБНоП нонтажно-деыонтажной' гид— рооснастки по заказу АО "Изстяжбуьиаи"»': - ".".•

Реализация результатов работы^ 'Результаты работы -внедрены в Ижевском филиале ЩЛЛбукмаа- и испсшьзу»тся при ;про ект про вании узлов гидрооснастхи'высокого давлении,. ' •; . • :

Апробация-работа. Основные положения работы:докладывались и обсуждались «а республиканской конференции "Молодые ученые -науке и народном-/хозяйству"- (ИяевскД989 г.), научно^технотес-кой конференции "Учёные'ЩЙ - прфюводству?ЧИжеве$,1990 р.З II научно-технической конференции молодых ученых.. (Ижевск, 19Э0г.)', Ш Всесоюзной конференции "Прочность материалов « !»нструкц11Йи (Винница,1991 г;)', ДОИ-

производству" (Ижевск, 1992-'г.'), Международной Школе '""Расчет и управление надежностью больших механических систеиЛЧ Екатеринбург, ■ 1992 г.), Международном симпозиуме па трибофатике (Кжель,1993г.). УШ Международной коференции по механике разрушения (Киев, 3993г.).

Публикации. Основные материалы диссертации опубликованы в 15 печатных работах > трзх отчетах по -НИР; ) "

На защиту встроятся: . '• ;''.,..

- гипотеза об использссанки удааьной'внергии упругоиластического деформирования в качестве физического критерия разрушения при

расчетах деталей гедрооснастки ;

- методика пуогноз'-фоэания ьалоцикяоаой усталости магераала в энергиях упруголласт5Р!еского дефорш!рования г.

- иьгодика прогнозирования параметра, чувствительности материала к хоцентрьцли Енерг?и ;

- метод расчета полей местных напряжений, упругопластичз с V чх де-

формация, энергий и их градиентов по сечению элемента конструкции при номинальном трехосном напряженно»« состоянии в условиях малоциклового кагружения.

Работа выполнена в отраслевой Лаборатории проблем надежности бумагоделательного оборудования и ка кафэдре "Основа мапмно-ьедения и робототехника" ;';жГГУ . .

Объем и-структура-.диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных положений и выводов, библиографии из 157 названий. Объем работы 115 страниц машинописного текста,' 56 - иллюстрация, 27 таблиц.

СОЩШШЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована важность темы диссертационной работа, показана ее научная, новизна и практическая ценность,, сформулированы задачи и цели исследования.

В первой главе дается обзор исследований по методом определения статической и; циклической, прочности с учетом насшгабного, поверхностного лг{.[>ектов и конструктивной концентрации. Как теоретическая основа диссертации излагается разработанный, энергетический метод, оценки-несущей способности элементов конструкций при.малоцикловом кагружении. Отмечается, что характеристики ые-ханическ!1х свойств.материалов, несущей способности и долговечности элементов конструкций имеют-определенное рассеивение, обладают. признаками случайных. величин' к могут быть исследоваш- экспер-Го1ен*альнши методами. В связи с зтш в работе анализируются статистические теории й метода для опенки ..хрупкой прочности к многоцикловой усталости. Отмечается, что наиболее детально разработанной является теория, подобия .усталостного разрушения образца л элемента конструкции С,В.Серенсеаа и В.П.Когаева, Применительно к деталям и узлам бумагоделательного.оборудования статистические. методы успйшо развивгэтея в исследованиях И.В.Абрамова й его'учеников!., Бресте с-тем укязанныз статистические подхода требует- развития''для излэщ'*ловС51 усталости . :

Выполненный обзор, литературных источников, проведенные автором теоретические разработки и экспериментальные исследования поискового характера доказали, что более предпочтительной по сравнению с силовой кли дефорглсцкониоП является энергетическая трактовка майошийо'вого разруления, когда в качестве физического

критерия используется удельная энергия упруго пластического деформирования за цикл и или аналогичная анергия Ч„ , накопленная за всю долговечность образца N . Энергетический подход имеет следующие преимущества:

- стационарное по нагрузкам (внешни образом) малоцикловое нагружэние элемента конструкции является также стационарным внутренним образом по местным энергиям;

- дает возможность сравнительно просто, и методически.более обоснованно оценивать повреждаемость элементов конструкций по местньм энергиям во всем возможном диапазоне долговечностей ;

- в зонах конструктивной концентрации законы, распределения местной энергии практически не изменяются при переходе от. мест-, них упругих к пластическим деформациям и по числу нагружений';

- коэффициенты концентрации энергии остаются постоянными \ при переходе от упругой к пластической области.

При разработке теоретических' положений энергетического метода принимались следующие основные допущения:

- в пределах опасного объема образца или детали материал однороден;

- ответственный за разрушение опасный объем содержит бесконечно (или достаточно) большое число структурно адинячник объемов ; '.'.'.

- амплитуда удельной упругопластической анергия и долговечность образца или детали распределены по нормальному.закону.

Если результаты ыалоцикловых испытаний структурно единичного рбъема в условиях растяжения-сжатия аппроксимировать уравна-нкш регрессии для вероятности Р » .

' 7 '■«>'

то в соответствии с линейной гипотезой накопленное в единичном объеме повреждение за цикл равно

где N -долговечность; /Т)„% Сивпараметры кривой малоцикловой усталости. Величина Ы"* , полученная и условиях однородного анергетического состояния, рассматривается как удельное повреждение, другими словами, как единица измерения повреждений образца кед элемента конструкции. Аналогично ряду статистических теорий прочности принимается, что переход от одного сечения образца или детали к другому не приводит к нозым комбинациям в распраде-

лении повреждений. С учетом этого при вычислении повреждения, накопленного стандартным образцом за ¡% циклов в условиях растяжения-сжатия, суммирование го рабочему объему можно заменить интегрированием по площади его поперечного сечения £

' -Зг'ЦЫ/ъМ, (2)

г*

где Гд ~ площадь сечения структурно едиишпюго объема. Аналогичным образом представляются накопленные повреждения в условиях неоднородного НДС"стандартного образца

гладкого образца-заданных размеров П-и

конструктивного элемента с надрезом

где и , иг , - амплитуды энергии образцов стандарт;л.-х и за-двиных размеров, местной энергии в надрезе ; и/Й;„ - минимальная амплитуда повреждающей энергии ; >/г(х;у) </г{■*;<,') ~ ФУ"*1*™«

характеризующие распределение энергия по соответствующим сечениям ; Реи , РГ!1,/г -части ппоцадей сечений, где энергияЧуЬ

Для шероховатого и полированного (стандартного) обре цов локальные повреждения, накопленные в примыкаяцкх к вершинам впадин микрообъем-ак» представлены аналогичный образои

Ъ» -в

гдв »-^А.т Ло'^/У ~ Фуниция, характеризующие распределение

локальных энергий по сечениям и зависящие от высот микронеровно стсй поверхностен стандартного /?„.. к шероховатого Й, образцов,

я. ^ ~ --■

периметров сечений , или их наиболее нагруженных частей ;

, Рт. - локальные части площадей, непосредственно примыкавшие к контуру оечениР, где .

Для установления взаимосвязи между повреждаемостью материала и элемента шжсгрунции развивается понятие эквивалентности. Механические состояния стандартного образца и элемента конструкции при равной долговечности являются эквивалентными, если их повреждения равны. С учетов этого- масштабный, поверхностный факторы и эффективный коэффициент концентрации энергии представлены следует,км образом

' <9> (Ю)

и ил., П7,

Предельный значения масштабного фактора для гипотетического образца бесконечно больших размеров и поверхностного фактора для предельно грубо обработанной поверхности находятся по формул®

С » 0,600 - 0,014^У» (12)

.6^-1 - 7.19"^^, (13)

где - предел прочности материала, ЫПа. Параметра чувствительности материала к ыасатебноыу т поверхностному эффектам еу-цислкзотся по соотношениям

Н1({ » 0,160 ♦ 0,014^/^ (14)

тр - 0,205 ♦ 2,8-20^, (15)

где 7" - температура иалоцикловых испытаний,0«. Параметр чувствительности материала к концентрации анергии /^прогнозируется по разработанной метод«]" или определяется-по результатам малоцик-ловыя испытаний образцов и конструктивных-элементов.'Коэффициент концентрации энергии сСи. , представляющий собой отношение местной ип к номинальной II# анергий при рассматриваемой долговечности элемента консг уяши, опрельаяется в четвертой глава. Безразкер-1ше комплекса

иь)

*еи % г

к." ] Н Ач/^М £. (18)

' Л/

представляют собой критерии подобия соответственно для учета ывсотабного, поверхностного эффектов и конструктивной концентрации. Их конкретные значения, определяемые коэффициентами КС(., и Нп в соотношениях (16) ... (18), зависят от сочетаний форм сечений и видов нагруяеняя стандартного образца и элемента конструкции.

Для учета совокупного влияния конструктивной концентрации, масштабного и поверхностного эффектов вводится обобщенный эффективный коэффициент концентрации энергии

-., (19)

С учетом этого номинальная энергия элемента конструкции равна

"К, ' ■;. ; •

Для модели материала с показателем степенного упрочнения в пластической области номинальная энергия в опасной точке надреза для номинального трехосного напряженного состояния вычисляется в осях Ь"С , соответствующих Началу раз груз ни, по формулам

• - (20)

где ^¿тс • ¿¿тс ~ интенсивности напряжений и деформаций, соот-ветствувди.е схематизированному пределу текучести; 5/гз , 5^Л, » 5]н , 5^4 - главные номинальные напряжения и их интенсивность.

При известной номинальной янерпгл 11 ы из соотношений (20) можно определить главные номинальные 'напряжения и их интенсивность во вспомогательных осях $•£ . В действительных ослх£Г-<? экстремальные значения главных номинальных напряжений, определя-пз1гх несугцто способность элемента конструкции при малоцикловом погружении,: рааны

$нты » ^«{(1 >.1,2,3. (21)

' - 10 -

где - коэффициент асимметрии цикла по номинальный напряжениям (нагрузкам).

Вторая глава содержит описание установки, модернизированной автором для малоцикловых испытаний материалов в условиях чистого изгиба при стационарной амплитуде энергии упруго пластического деформирования. Излагается устройство трех разработанных тензометров повышенной точности для регистрации упругопластических деформаций при статическом и малоцикло вомнагружениях.

В третьей главе описывается разработанная методика и полученные результаты исследования сопротивления стали 5ХНМ переменному упругоплас.ическому деформировании. Экспериментально обосновывается энергетические критерии малоциклового:разрушения, приводятся результаты статистической обработки кривых малоцикловой усталости в энергиях, деформациях и напряжениях.

Выполнены трудоемкие эксперименты по изучению кинетики диаграмм деформирования в широком диапазоне (0...; 10^) нагружений. Установлено, что исследуемая сталь"является циклически разупроч-ншцимся материалом. Проведена систематизация и а1<алитическое описание диаграмм малоциклового деформирования путей идентификации модели обобщенной диаграммы. Полученные параметры обобщенной диаграммы позволяет вкомпактной форма хранить обширную »{формации, необходимую для оценки ггацшуювогоНДС й, в конечной счете, несущей способности.элементов конструкций. Для удобства-использования обобщенные диаграммы.деформирования представлены для ряда полуцикдов 10, I, 2, ) нагрукения в йнтенсивйрстях напряжений и деформаций,

В соответствии с разработанной методикой по результаты трудоемких малоцикдовых испытаний строились >фивые малоцикловой усталости (НЦУ) стали 5ХНМ в амплитудах упругих ^ , пластических Чр и упругопластических и энергий за цикл, а также в аналогичных энергиях 14» » » » накогыгенных за всю долговечность образца, в зависимости от чк.гяа циклов до образования трещюш дайной 0,5... 0,6 км Ыт и разруоекия N. Показано, что о качества физических критериев малоцикло во горазрушения целесообразно использовать энергии упругоплдстического деформирования Ц нам , поскольку в э*кх случаях в экспериментах устойчиво наблюдается нашеньвва рассеивание между указанными критериями и долговечностью материала. Дая кривых >ЩУ а упругих и, особенно, пластических энергиях характерно больнее рассеивание результатов

экспериментов. Для аналитического описания и прогнозирования указанных кривых предложена соотношения

и~ и* и

«т-МН*,^ (Эд-

Параметры , Ср , р , € определялись по рекомендуете"« соотношениям в зависимости от механических характеристик кясгериеда при растяжении.

Соотнопения (22)... (24) позволяют в компактной форме хранить .информацию о сопротивлении материала малоцчкловому разрушению. Однако их использование для оценки повреждаемости не удобно. В связи''; этим результаты мзлоциклоеых;испытаний аппроксимировались традицизтша степенными функциями. Параметры кривых ?ЛЦУ а 'энергиях,', деформациях и напряжениях в зависимости от Нт и /У получали а результате' статистической обработки. Показано, что наиболее достоверная корреляционная связь, оцениваемая по коэффициенту корреляции я тройной мере среднего квадрагического.отклонения, наблюдается для кривых МЦУ:з энергиях, нашенев достоверная для аналогичных кривых - а напряжениях. Кривые ((Щ в деформациях занимаю^ в этом. отношении промежуточное положение. Это подтверждает целеейобразность использования энергетических критер зв разрушения для расчёта-несудей способности элементов конструкций.

• Четвертая глава посвящена развитии инженерного метода определения полей ыёстных напряжений,, улругопластических деформаций и энергий в зонах. концентрации при хара^герКом для толстостенных труб номинальном тр.ехоснЫл напряженном состоянии в условиях ыа-лоци'кловога нагружения внутренним давлением. В основу метода положены:

" - теория малых уг^угоплаетических деформаций А.А.Ильюшина, развитая для иалоциклового нагруженил В.В.Москвитгашм; ;

- метод■перемейиах параметров упругости И.А.Биргеря ;

- решение Г.Нейбера о взаимосвязи коэффициентов концентрации интенсивности напряжении и упругопласткчейких деформаций в упругой и пластической областях с учетом его обобщения, выполненного Н. А.Мьхутовым ;

- 12 -

- предложение Г.Нейбера о выполнении в надрезе условия плоской деформации для так называемых дополнительных местных напряжений €* » С... - ;

- степенная аппроксимация пластических участков диаграмм исходного и малоциклового деформирования.

Коэффициенты концентрации интенсивности напряжений и деформаций для произвольной 1/" - точки сечения надреза в Л"*-ом полуцикле натружения рекомендуется определять по формулам

\bijc / }

ЦТс }

¿¡ы Цгс' ^ «« »

где Й - козф-

фкциенты концентрации интенсивности напряжений (упругих деформаций) в произвольной - точке а вершине надреза; , - ин-тенеивности номинальных напряжений в V - точке и вершине надреза. С учетом этого, интенсивности местных напряжений и упругопластических деформаций в $ - точке равны

с« „с '"у« '^^М •

Ч'Ш * С/!!} 'Т '

Характер НДС в надрезе занимает проиежутйадюе положение между плоским напряженный соогоянием * О ) и плоской де-

формацией ( « 0). «тому соответствует предложение, Г.Нейбера о вь-алненим в надрезе условия плоской деформации М«

дополнительна; местных наг.ря*чний • из.которо-

го для номинального объемного напряженного остояния получено соотнгшениа

с"" А^с* у 5».* г-^у.у//¿Ул<х

Ч«* ' -V (л))

(25)

(26)

(27)

(28)

-пв г«> . ?!*> М 1-М . /«.с"" 1с'л1 . /»/*>

Л'*1 » /:, £'*' переменные параметры упругости для местного и

номинального Н£С, определяемые по формулам

** • }

Здесь £ , А - упругие характеристики материала.

Если для пластически деформированного слоя отношение ^знсг/^тг предварительно азять из упругого решения и^ принять с//к' » 1,13 то по формуле (30) можно вычислить » а затем определить в первом приближении главные местные напряжения

гм _ сш ¡ЬсГи. 1М 1*/?*' . гил» /?»('

(32)

5'" <5

Чупг Ц^у "/«V , »

Предварительно принятые значения ^¡^/У^у и следует уточ-

нить и повторить (не более двух-трех раз) расчеты до приемлемой сходимости реэул!тагов. Местные упругопластические деформации определяются из соотношений метода переменных параметров упругости

^ . X, Гц'" - /*<в# * )] (33)

» X г, '«> _ ..¡«/¿м ^ ^ )]

При номинальном упругом деформировании коэффициенты асимметрии главных местных напряжения н деформаций для V - точки равны

о <*> в , ¡г'*1 ~ ам

■ =V" ' V" V'? 5 <з4)

где j ».1, 2, 3. Главные местные напряжения и деформации в действительных осях в"-с; определяются по формулам: в ролуцикле растяженн..

в полуцикла сжатия

gt*> <-to r(M> t, (к. | IM и/ mil ■ (за)

°j»f KgrJ U'^r), ej»r" t/нг VAI- / •

Ib известным компонентам местных напряжений и деформаций вычисляются их интенсивности.

Для коэффицк нта концентрации энергии в надрезе получены формулы; при номинальном и местном упругом деформировании

у . Un _ StHtr S sur ~ Ztf(5in<SimSiHt + Ssrtv Strrv 1 /

при номинальном упругом и местном упругопластическом деформировании

f e (hépUÏrvfl+SiHrWin;(ёщУ'Шы . при номинальном и местном упругопластическом деформировании

i в " Л Г /-

/ - {ПЪлГ *■ PiHtr .

Акалиэ зон концентрации изложенным методом показал, что при переходе от упругого к местному пластическому.деформированию .существенно изменяются коэффициенты концентрации шгее^сивностей напряжений и деформаций dic и сравнительно мало - коэффициенты концентрации янергии аС^. Так для коэффициента упрочнения tîii * 0,05 и предельного уровня номинальных напряжений 5Ш « I значение c(is снижается с 3,53 до 1,12 {68% ), величина возрастает с 3,53 до 9,40 (170%), а коэффициент of„t изменяется с 13,8 до 17,04 (.23%). Для практически ватаых случаев,' когда Я у i, 0,5, изменение t/,Jr не превышает нескольких процентов. Это еще ps:j подтверждает, что энергетический подход является более предпочтительным по сравнению с деформационной и, тем более, силовой трактовкой малоцикловог . разрушения. ,

Изложенный метод использовался,для определения НДС в зонах концентрации толстостенного цилиндра (корпуса гидродрчкрата) при малоцикловом клгружении внутренним давлением. Предварительно MКЗ получено упругое репение аналогичной задачи. Для оценки точности решения сопоставлялись îijîjC при растяжении цилиндрического образца с кольцевым надрезом, полученные по Ш®. и точному решению Г.Нейбера. Погрешность реализации UK2 по интенсивностям местных

напряжений не преььтала 0,7%, а по местный энергиям - 2,3Поля местных напряжений, упругопластических деформаций и кх интенсив-ностей в угла вон переходе от днища к цилиндрической поверхности корпуса гидродомкрата определялись предварительно во вспомогатг-льных осях 5 - £ , & затем в осях S-G при исходном ньгруиении, в первом и втором толуциклах и на стадия стабилизации упругопластических свойств ь полуцикле ньгручения и после разгрузки.Характерно, что полученные эпюры остаточных главных напряжений явля-отся саюуравюеешенными, что подтверждает достоверность метода с физической точки зрения.

В пятой главе проведена экспериментальная проверка и показано применение предлагаемого метода для одонки маяоцикдовой прочности корпуса гвдродоыкрата.

С целью дополнительного обоснования энергетического ме* ода изучена кинетика местных налряяений, упругопластических деформаций и энергий по числу нагрухений. Показано, что в зонах конструктивной концентрации при стационарной внешним образом маяоци«-ловом нагрулении наблюдается существенное изменение по числу циклов местных напряжений к упругопластических деформаций (внутренняя нестационарность). При этом происходит сравнительно небольшое изменение местных энергий. Следовательно, энергетический подход представляется перспективным н для оценки иалоцнкловой конструктивной прочности. .

Проведены трудоемкие малоцикловые испытания конструктивных элементов стали 5ХНЦ, содержащих V*.- образные надрезы радиусами 0,25, 1,5, 3,0 мм и моделирующих работу материала п угловом участке корпуса гндродомкрата. fio результетм испытаний построено и статистически обработано 18 кризь ЫЦУ в амплитудах номинальных энергий^ Напряжений и деформаций в зависимости от чисел циклов jVT и Н • На этой экспериментальной основе выполнен кшяютый факторный анализ. Получено ураяискиз регрессии для окспсркмен-тальных значений параметра чувствительности стали 5ХШ v концентрации энергии

ш 0J345 + 0&45бв]оСи- 0,0640+ ОЩЗЭ^Гс<в(дМт . «40)

Для теоретических. значений пар4*метра чувствительностл материала к концентрации энергии рекомендуется формула

гп ~ .

"Ьт a (4D

Проведена експериментальнап-проверка энергетического метода. Дня этого сопоставлялись экспериментальные и расчетные кривые. МЦУ конструктивных элементов в номинальных напряжениях в зависимости от f/T и N. Расчеты выполнялись по предлагаемому энергетическому методу с использованием прогнозируемых кривых МЦУ и теоретических значений параметра чувствительности стали 5ХШ к концентрации энергии. В самых неблагоприятных случаях отличие расчета от эксперимента не превышало по номинальным напряжениям I5i.

Выполнены варианты расчета несущей способности корпуса гид- • родомкрата при малоцикловом нагружении внутренним давлением р по прогнозируемым и экспериментальным параметрам кривых НЩ' и чувствительности материала к концентрации энергии ГПиг ,ГПиз в зависимости от чисел циклов Ыт а.N. Показано, что отличие между указанными вариантами расчета не существенно. Для сопоставления выполнялись также расчеты гидроцилиндра на статическую прочность и определялись давления рт и [р] , когда максимальные номинальные эквивалентные напряжения в цилиндре равндлись пределу текучести и допускаемому напряжению при запасе прочности пг « 4. Показано, что при допускаемом давлении lf>] » 55 Mlla долговечность цилиндра составляет примерно 2-10^ циклов и является приемлемой для обеспечения надежной работы гидродомкрата за время эксплуатации.

ОСНОВШЕ ПОДОдЕН'.Ш й ВЬЕОДЦ

1. В работе решена актуальная научная задача экспериментальной механики и прочности машин, имеющая научное и практ:гоес-кое значение по повышению надежности работы конструкций на стадии проектирования и заключающаяся в разработке и экспериментальном обосновании энергетического методе оценки иалоциклавой прочности элементов конструкций. В качестве физического критерия малоциклового разрупениг обосновывается энергия улругопластичес-кого деформирования, как интегральная характеристика НДС.

2. Для реализации предлагаемого метода разработана методика и создана установка, позволяюцая проводить маяэшииоа^е испытания образцов к конструктивных элементов при стационарном по энергии упругопластического деформирования режиме погружения.

3. Проведены трудоемкие базовые эксперименты по исследованию сопротивления малоцлкчовому деформированиг стали 5XHJ' б широком диапазоне (0... 10^ нагружечий. Полученные при этом обоЗ-

щеиные диаграммы деформирования.представлены в интенс^зкостяк напряжений и деформаций, описаны традиционными и удобным'.'. дяя использования степенными функциями.

■ Построены и статистически обработаны кривые I-ЩУ м&теркаяЕ амплитудах энергий« напряжений и деформаций в зависимости от числа циклов'до образования трещины и разрушения. Установлено, что наиболее достоверная корреляционно:! связь, оцениваемая по тройной мере ср едиекв адрат ич е с ко г о отклонения и коэффициенту корреляции, наблюдается для кривых МЦУ-а энергиях, наименее достоверная - в напряжениях.'Кривые Н1С э деформациях занимает ь этом отношении промежуточное полояеиие.- Зто подтверждает предпочтительность принятого физического критерия ыалоцикяОБОГО разрушения по отношения к силовому и деформационному подходам.

4. Предложены методы прогнозирования диаграмм малоциклоглго деформирования на стадии стабилизации,"кривых 1ЩУ в энергиях и параметра'чувствительности материала к концентрации энегрии по механическим характеристикам материала при растяжении, которые рекомендуется использовать при отсутствии соответствующих экспериментальных данных. .

5. В развитие предложений Г.Нейбера н Н.Л.Махутова ризпкт метод определений местных напряжений, деформаций и энергий а зонах концентрации на случай ыалоциглового объемного номинального НДС. Использование метода показано на примерах определения местного и номинального НДС в зонах концентрации при »галоцикловом нагружении внутренним давлением толстостенного цилшщрв для ряда характерных гюлуциклов нагружения (исходное нагруженке, первый, второй полуциклы,, полущшш активного нагрукекия к разгрузи*. на стадии стабилизации). Предложены соотношения для определения коэффициентов концентрации энергии и ее градиента по сечения элемента конструкции при местной и'номинальном упругом к упругопластическом дефор.миро вг.нии.

6. Проведены шдоци.иловые испытания конструктивных элементов стали КОМ.с V -образными надрезами радиусами 0,2!} , 1,5 и 3,0 мм, моделирующих работу материала в зонах концентрации ментов конструкций. Построено и статистически об^.ботако Ш кривых МЦУ в на-'кнальнык анергиях, напряжениях и деформациях» Не этой основе проведено экспериментальное обоснование предлагаемого энергетического метода лугем сопоставления прогнозируемых и экспериментальных кривых !ЩУ п номинальные напряжениях^ В емгык неблагоприятных случаях отличие.расчета от эксперимента не лре-

, - IB -

выкало 15$. Полнено приемлемое соответствие результатов эксперимента и расчета прелагаемым энергетические методом. .

Установлено, что если за физический критерий разрушения использовать местную энергию упругопластического деформирования, то малоцикловое на гружен и с элемента конструкции, стационарное по нагрузкам (внешним образом), является практически стационарным внутренним образом по принятому критерию разруше.-мя. 2то особенно ценно, так как существенно упрощает оценку накопления повреждений.

7. Покезаьо использование энергетического метода дня оценки малоцикловой несущей способности толстостенного цилиндра при пульсирующем нагружен«;: внутренним давлением.

8. Результаты работы использованы при выполнении с участием автора хоздоговорной НИР МГ 31-68 по. разработке высокоэффективной монтажно-демонтажной гидрооснастки и Енедрены с экономическим эффектам в АО "Ижтял;буымаш". '.

Осночио® содержание диссертации опубликовано в следующих

работах:

'£. Добровольский C.B., Пряхин В.В, К методике измерения ул-ругопяастических деформаций при чистом изгибе / Респ. научно-техн. конф. "Молодые учение-науке и народному хозяйству" (Ижевск, ноябрь IS89г.) : Тез. докл. -Ижевск: В.И., 1989.' - С.. 12.

2. Добро воль е.. ий С.Е » Пряхин В.В. Метод определения характеристик сопротивления мальм пластическим деформациям по результатам испытаний на изгиб / Респ. научно-техн. конф. "Ыолодче ученые - науке и народному хозяйству" (Ижевск,: ноябрь I9S9 г.): Тез. докл. - Ижевск: Б.И., 1989. - С. 13. ' :

3. Добровольский C.B., Пряхин В.В. Малоцикловое-деформирование Высокопрочных сталей // П научио-техн. конф. молодых ученых (Ижевск, апрель 1990 г.): Тез. докл. - Ижевск: Изд-во УрО АН СССР, 1990. - С. 16.

4. Добровольский C.B., Пряхин В.В. M ал о цикловая прочность и долго в еч! гость зысокопрочных сталей //11 научно-техн. канф. молодых ученых (Ижевск, апрель 1990г.): Тез.' докл. - Ижевск: Изд-во УрО АН СССР, IS90. - С. Î7.

5. Калинкин A.A., йаттиев 4.Ф., Добровольский C.B. Разработка новых конструкций гидрооснастки для ыонтажно-демонтажных ргбот Ü Научно-техн. конф. "Учение Ижевского механического ин-

стигута - про из чо дат ну" IИжевск, апрель 1990 г.): Тез« докл. -Ижевск: Б.И., 1990. - С. 64.

6. .Добровольский C.B. j Абрамов И.В. и др. Несшая способность конструктивных элементов при энергетической трактовке малоцикловой усталости ¡J Проблему прочн-ити. — 1991. I. - С.21-26,.

7. Добровольский C.B. Экспериментальное обосневаше энергетических критериев прочности при ыалоцикловоы нагружеяии H

Ш Всесовзн. конф. "Прочность материалов и элементов конструкций" (Винница, сентябрь 1991г.): Тез. докл. - Киев: Изд. ИПП АН УССР, 1991. - С. 16-17.

■ Ü. Абрамов И,В., .Добровольский C.B. Применение энергетических критериев прочности при малоцикловой усталости // Научно-техн. конф. "Учение'Ижевского механического института - производству" (Ижевск, апрель Ï992 г.): Тез. докл. - Ижевск: Б.И., 1992. -С.45.

9. Абрамов И'.В., &эбровольскиЙ C.B. Метод оценки мало^мкго-вой прочности и долговечности элементов гвдроосиастки Н Всерэсс. научно-техн.■конф. "Расчет и управление надежностью больших механических систем" (Екатеринбург, сентябрь 1992г.): Матер, конф.-Екатеринбург: Hajua, 1992.- - С. 57.

10.-Дрброврльский C.B. Использование энергетических критериев разрушения при малоцикловоц нагружении //Проблемы прочности.--1993.' - № 3. - С. 10-16. ."...' ...

11. МгашогГ IM, Uofcortâay 5.Y. /^.oad-ccitgyirtig capacity

oj- hyck-ùuàc jac,\'S elements ufith enesoi? • Sasecf appeal

to îaiif- eyefe j-aiEa&s /¡УШ britesn. conj. oj -jiactme me-thorites {-Kiev, В-АЖ 1993J: ßSstiacts oj tectums. Paiih -cixfiif: Яагрепка РЫ/slcaf- Hechan'aaS Lnsii tu t?ß 1993. -p 50!,

Соискатель (Zfflf'

Добровольский C.B.