автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.02, диссертация на тему:Исследование и прогнозирование долговечности деталей машин со сварными соединениями

10-7 903

На правах рукописи

■21.81

АБОРКИН Артемий Витальевич

ИССЛЕДОВАНИЕ И ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ДЕТАЛЕЙ МАШИН СО СВАРНЫМИ СОЕДИНЕНИЯМИ

Специальность 05.02.02 - Машиноведение, системы приводов

и детали машин

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Владимир 2010

Работа выполнена на кафедре «Технология машиностроения» ГОУ ВПО «Владимирский государственный университет им. А.Г и Н.Г Столетовых»

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор Белевич Александр Викторович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Гоц Александр Николаевич

кандидат технических наук Руссинковский Сергей Юрьевич

Ведущее предприятие

КБ «АРМАТУРА» - филиал ФГУП «ГКНПЦ им. М.В. ХРУНИЧЕВА», г. Ковров

Защита диссертации состоится « 25 » ноября 2010 г. в 14.00 часов в аудитории 211-1 на заседании диссертационного совета Д 212.025.05 во Владимирском государственном университете по адресу: 600000, г.Владимир, ул. Горького, 87.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Владимирского государственного университета. Автореферат размещен на сайте университета www.vlsu.ru

Автореферат диссертации разослан « 22 » октября 2010 г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просьба направлять по вышеуказанному адресу ученому секретарю диссертационного совета. Тел.: 8(4922)361-016; 479-928, факс 532-575; E-mail: sim_vl@nm.ru

Ученый секретарь диссертационного совета

кандидат технических наук доцент

Е.А. Новикова

" о ппСИИСКДи

2 О ' О

ПРИНЯТЫЕ СОКРАЩЕНИЯ

НДС - напряженно-деформированное состояние МКЭ - метод конечных элементов

ГУ - граничные условия СШ - сварной шов

КЭМ - конечно-элементная модель

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. За последние десятилетия в результате развития отраслей машиностроения значительно возросла потребность в производстве и применении технических устройств со сварными соединениями, а также трубопроводов и сосудов давления, имеющих большую протяженность СШ различной конфигурации. Доля усталостных разрушений сварных конструкций составляет примерно 30 % общего числа их преждевременных повреждений и отказов. Предотвращение усталостных разрушений - весьма актуальная задача ео всех отраслях машиностроения, особенно таких, в которых аварии вследствие разрушения ответственных деталей ведут к катастрофическим последствиям. В связи с этим особое значение приобретает проведение исследований, направленных на повышение точности прогнозирования долговечности деталей сложной геометрической формы со сварными соединениями на основе изучения их НДС. Такую возможность обеспечивает объединение существующих алгоритмов, связывающих показатели долговечности, параметры петли механического гистерезиса и свойства материала с алгоритмами МКЭ, реализованными с помощью современных программных комплексов. Это позволит расширить круг решаемых задач, а также повысить точность оценок долговечноста за счет учета остаточных сварочных напряжений, геометрии СШ, рассеяния мехалических характеристик материала, разности свойств основного металла и СШ.

Целью работы является повышение точности расчетов устапостной долговечности сварных соединений деталей сложной формы при циклическом нагружении.

Для достижения этой цели необходимо решить следующие основные

1. Разработать алгоритм и методику прогнозирования усталостной долговечности сварных соединений деталей сложной формы, учитывающие остаточные сварочные напряжения, геометрию сварного соединения, разность свойств основного металла и металла шва, а также разброс механических характеристик материала.

2. Разработать методику расчета остаточных сварочных напряжений при одно- и многопроходной электродуговой сварке.

Выполнить экспериментальную проверку достоверности методики расчета остаточных сварочных напряжений.

4. Провести оценку влияния геометрических параметров стыкового соединения на концентрацию напряжений и долговечность.

5. Провести численную оценку влияния остаточных сварочных напряжений на долговечность деталей сложной формы со сварными соединениями.

задачи:

Методы исследований. В соответствии с выбранным подходом поставленные задачи решали с помощью методов математического моделирования и проведения экспериментальных исследований. Методика исследований включала разработку структуры моделей с использованием программных комплексов (Pro/ENGiNEER, COSMOS, Mathcad, Lab VIEW), проведение численного эксперимента по расчету параметров НДС и сравнение их с экспериментальными данными, численную реализацию собственных программ для расчета параметров долговечности, проведение эксперимента по измерению температуры и остаточных сварочных деформаций с целью проверки достоверности результатов расчетного моделирования.

Научная новизна работы заключается в следующем:

• предложено модифицированное условие наступления предельного состояния, сформулированное по правилу суммирования повреждений с учетом остаточных сварочных деформаций;

• разработаны и апробированы методика и алгоритм прогнозирования долговечности деталей сложной формы со сварными соединениями;

• выявлены закономерности распределения локальных показателей НДС труб большого диаметра, станины прокатного стана, корпуса котла в зависимости от режимов нагружения и геометрии сварных соединений.

Достоверность результатов работы обусловливается:

• применением уравнений механики твердого деформируемого гела для расчета локальных показателей НДС;

• использованием сертифицированных средств измерений и оборудования, а также апробированных компьютерных программных комплексов;

• соответствием результатов расчета собственным экспериментальным данным и хорошей согласованностью численных решений с имеющимися данными других исследователей.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

• предложена методика расчета остаточных сварочных напряжений в деталях с одно- и многопроходными СШ, выполненными электродуговой сваркой;

® разработаны и апробированы методика и алгоритм прогнозирования усталостной долговечности сварных соединений деталей сложной формы из углеродистых и низколегированных сталей.

Реализация результатов. Исследования, представленные в работе, выполнены s рамках хоздоговора № 0120. 0510295 «Разработка алгоритмов и программного обеспечения для расчетного моделирования напряжений в деталях сложной формы при малоцикловом нагружении» с ЗАО НПО «Тех-кранэнерго»; инициативного проекта РФФИ 06-08-963 38-р_центр_а «Решение фундаментальной проблемы оценки остаточного ресурса промышленных объектов, связанной с проведением комплексных экспериментальных и теоретических исследований процессов упругого и пластического деформирования при малоцикловом нагружении».

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Перспективы развития лазерных технологий» (Владимир, 2005); Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Наукоемкие технологии XXI века» (Владимир, 2006); III и IV международных научно-практических конференциях «Качество науки - качество жизни» (Тамбов, 2007, 2008); VII Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Механики XXI веку» (Братск, 2008); I Международной научно-практической конференции «Современные проблемы науки» (Тамбов, 2008); Всероссийской научно-технической конференции «Исследование, проектирование, испытания и эксплуатация приборных устройств военной техники» (Владимир, 2008).

Публикации. По материалам, изложенным в диссертации, опубликовано 1 \ печатных работ, 3 из которых входят в перечень изданий, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состой! из введения, пяти глав, заключения и приложений. Общий объем - 168 страниц машинописного текста, включающие 79 рисунков и графиков, 29 таблиц. Список использованной литературы содержит 108 наименований. Приложение 1 состоит из 5 страниц, приложение 2 - из 1 страницы, приложение 3 содержит три акта внедрения результатов работы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована ашуальность темы, сформулирована научная новизна работы и практическая значимость.

В первой главе приведен анализ особенностей распределения напряжений, а также причин отказов и развития трещин в деталях машин, в том числе и со сварными соединениями.

Рассмотрены критерии усталостного разрушения на стадии образования трещин, описанные в работах В.В. Болотина, В.А. Винокурова, А.П. Гусенкова, Г.П. Карзова, H.A. Махутова, Г.С. Писаренко, C.B. Серенсена, A.B. Тимохина, Г.Н. Третьяченко, В.И. Труфякова, S.S Manson, В. Pospisil и др.

Проведен анализ методик расчета усталостной долговечности деталей машин. Анализ показал, что в основу всех рассмотренных методик положена теория линейного суммирования повреждений. Однако вычисление напряжений в области пластических деформаций авторы проводили по-разному. Например, Г.П. Карзов для этих целей использовал теорию пластического течения. Другой подход к вычислению напряжений в области пластических деформаций предложен в работах H.A. Махутова, А.П. Гусенкова, A.B. Тимохина, В. Pospisil. Ими показано, что для описания упругопластиче-ского деформирования в месте концентрации напряжений хорошие результаты дает использование интерполяционных зависимостей типа зависимости Нейбера.

Теоретические основы и алгоритмы расчета долговечности для области .малоциклового нагружения, в том числе для сварных соединений, рассмотрены в работах H.A. Махутова и А.П. Гусенкова. Однако наличие сварных шзов авторы учитывали лишь с помощью введения коэффициента концентрации напряжений.

Теоретические основы расчета долговечности с применением модифицированного уравнения J. Morrow приведены в работах В. Pospisil. Использование данного уравнения позволило распространить методику на случай многоцикловой усталости. Такие модели также были реализованы в работах A.B. Тимохина при оценке долговечности деталей двигателей. Однако данную теорию при оценке долговечности деталей, со сварными соединениями, не применяли. Это было связано со сложностью учета факторов, обусловленных сваркой, при вычислении напряжений.

Наличие у деталей сварных соединений порождает ряд общих особенностей: свойства сварных соединений отличаются от свойств основного металла, форма сварных соединений вызывает концентрацию напряжений, наличие остаточных сварочных напряжений.

В настоящей работе предложено использовать подход, реализованный путем объединения алгоритмов данной теории с алгоритмами МКЭ, и вычисление напряжений с помощью современных программных комплексов. Это позволит разработать универсальную методику, учитывающую характер распределения и изменения внешних нагрузок, количество и форму сварных швов, зависимости физико-механических свойств от температуры и свароч-

HL Подготовка ИСХОДНЫХДЭННЫХ! ныенапряжения.

1------—- ' : - ——-• " ' ■■—•^ Проведенный обзор

И1. Геоиетрия модели, конечнсзлеыентная модель]

;-- ■ —-—1 литературы позволил

^ 2. Свойства материала, граничные условия ! ,

i----------------------1 сформулировать цель и

^Эксплуатационные напряжения j определить основные задачи исследований.

Во второй главе представлены разработан--| Iii. Сварочные напряжения j ные алгоритм и методика

■fOSSS^ää^ij прогнозирования уста-

i¡"бТопрадьлание пал^^н но^д^ормр^ oi^^^ 1 ЛОСТНОИ ДОЛГОВеЧНОСТИ

!__ в упругопластической области___ j сварных соединений дета-

-1\/ГПротозИрованиёдолговечшстИ! леП маши"(первая задача)

i -------— - ----------::—----------------- в виде блок-схемы на

7 Расчет амплитуды напряжений цикла, максимального' (ПИС 1) NIeTOflHKa СВОДИТ-

налряжения цикла, коэффициента влияния *

; асимметриицикла____ся к вычислению парамет-

8 Моделироозние разброса предела прочности материала, рОВ МОДСТШ И ОСуЩбСТВЛЯ-

расчет предела циклической прочности _______.______

- ется поэтапно.

9 Прогнозирование усталостной долговечности с учетом > __„„ ГТ.-, п r-<-n-on l-ci .,~vr4TI

разброса циклической прочности материала 1_ЭТЯП. 1 1 ОД ГОТОВ КЗ ИСХОД-

Рис. 1. Блок-схема расчета долговечности сварных НЬ!Х Данных для расчетов.

соединен^ детален машин П этап. Расчет эксппуата-

i 3. Вычисление температуры;

4. Определение налря;кенно-д«Ьирмироваи«ого состояния

ционных напряжений в объеме рассматриваемого объекта и анализ их изменения за имкл нагружения.

III этап. Расчет остаточных сварочных напряжений в зонах сварных соединений.

IV этап. Прогнозирование усталостной долговечности рассматриваемого объекта с учетом рассеяния механических свойств материала.

Подготовка исходных данных для расчетов на 1 этапе состояла в создании трехмерной модели (ЗО-модель) и КЭМ исследуемого объекта (блок I), определении цикла его нагружения, задании физико-механических характеристик материала, а также назначении ГУ (блок 2).

При расчете температуры сварного соединения на этапе нагрева применяли ГУ 1-го рода:

T = T0(x,y,z), (1)

где 7o(.v. v,z) - заданная непрерывная функция температуры, К.

Для описания процесса охлаждения сварного соединения после сварки, а также теплового взаимодействия деталей с окружающей средой во время их эксплуатации использовали ГУ 3-го рода:

- /¡¡сТ(.х, у. z)! дп - а(Т - Тг ). (2)

где Яг коэффициент теплопроводности материала конструкции, Вт/(м К); а коэффициент теплоотдачи на поверхности объекта. Вт/(м"-К); Т, Тх пература в определенной точке объекта и температура окружающей среды над этой точкой, К.

При вычислении эксплуатационных и сварочных напряжений использовали статические и кинематические ГУ

Задачей П этапа являлся расчет эксплуатационных напряжений и анализ НДС рассматриваемого объекта в целом. Эту задачу решали, вычисляя температуру и напряжения за цикл нагружения рассматриваемого объекта.

Для вычисления температуры (блок 3) рассматривали систему дифференциальных уравнений МКЭ, записанных в форме

[CA[K]{t}+{F}=0,

at

где [С] - матрица теплоемкости: [К] - матрица теплопроводности; {F} - вектор тепловой нагрузки.

На каждом шаге заданного временного интервала, в блоке 4 вычисляли напряжения в узлах сеточной области, используя модель упругой сплошной среды. При использовании МКЭ решается система линейных уравнений, которая в матричной форме имеет вид

№) = № (4)

где [К] матрица жесткости; {UJ - вектор компонентов узловых перемещений; вектор нагрузки.

Задачей 111 этапа являлся расчет остаточных сварочных напряжений, который включай вычисление температуры при нагреве и охлаждении в про-

цессе сварки (блок 5). Вычисление температуры проводили на основе соотношения (3) с применением ГУ (1) и (2). Расчет показателей НДС сварного соединения выполняли с использованием модели упругопластической сплошной среды, условия пластичности Мизеса в сочетании с МКЭ. Для учета нелинейной связи напряжений и деформаций при решении системы уравнений (4), использовали метод переменных параметров упругости.

На IV этапе выполняли расчет числа циклов до образования трещины с помощью зависимости

<1л

(2 ну+З&а. Е/

9 .

+ Е

ит

(5)

где аа ян„ эКВ - амплитуда напряжений, вычисленная с учетом влияния сварочных напряжений, МПа; Е/, а/ - коэффициенты циклической пластичности и прочности соответственно в уравнении Морроу; N - число циклов до образования трещины; 6, с - показатели степени в уравнении Морроу; е„П1! - величина пластической деформации, соответствующая пределу усталости; т - показатель, зависящий от условий нагружения; Е - модуль упругости, МПа.

Уравнение (5) относительно N решали итерационным методом Ньюто-на-Рафсона с помощью МагЬсас!.

Расчет параметров, входящих в зависимость (5), выполняли в блоке 7 с помощью соотношений (6) - (10).

На первом шаге выполняли расчет амплитуды напряжений цикла с помощью зависимости

^ _

^лин = ■-у )/( ~ >2 +'( Я* - >2 + ( Яга - 0:а )2 + 6(г^ Т2:ха ) ,(6)

где о(П, ,г .г.^ - амплитуды нормальных и касательных напря-

жений в окрестности исследуемой точки, вычисленные в блоке 4, МПа.

На втором шаге вычисляли максимальное напряжение цикла (атах) и амплитуду напряжений цикла (оа), соответствующие переходу материала в пластическое состояние, с помощью зависимости:

= <Т

0+ Е- £г -

)

(7)

Применение (7) позволило при использовании линейной модели учитывать упругопластическое напряженное состояние. Для нахождения величины атах в левую часть зависимости (7) подставляли величину максимального напряжения, определенную в блоке 4, и решали (7) относительно с. Для нахождения величины аа в левую часть зависимости (7) подставляли оалин , вычисленную по (6), и решали (7) относительно с.

Влияние остаточных сварочных напряжений на асимметрию цикла нагружения учитывали на третьем шаге сложением 0шах и о0СТ при определении коэффициента влияния асимметрии цикла:

^ = л/(Чпах + q,J/"q , (8)

где Oma^ ~ максимальное напряжение цикла, соответствующее переходу материала в пластическое состояние, МПа; о0ст - максимальное сварочное напряжение, рассчитанное в блоке 6 с использованием модели упругопластической сплошной среды, МПа; аа - амплитуда напряжений, соответствующая переходу материала в пластическое состояние, МПа.

На четвертом шаге для учета асимметрии напряжений в цикле, вызванной влиянием остаточных напряжений, корректировали величину аа П1Ш-

^.лин.экв

где а - коэффициент влияния асимметрии цикла.

Расчет допустимого числа циклов нагружения проводили с использованием стохастического метода моделирования.

Вероятностные расчеты в блоке 8 выполняли в следующей последовательности. Из справочной литературы определяли диапазон изменения величины предела прочности ав для рассматриваемого материала. Вычисляли десять значений а„ из принятого диапазона, используя метод Монте-Карло. По полученным значениям ов вычисляли соответствующие им значения о/ по формуле

of = 1,75 q,. (10)

Затем по формуле (5) выполняли расчет числа циклов до образования трещины с учетом полученных значений сг/. Далее проводили статистическую обработку результатов расчета долговечности для различных значений с^ определяли среднее значение долговечности, верхнюю и нижнюю границы доверительного интервала.

Автором предложено условие наступления предельного состояния как результат накопления усталостных повреждений и вклада остаточной деформации в виде

5)СТ _

E-S-+-

^ (11) у N £

'=1 Ччрсд

где к - количество расчетных режимов; /7, - количество наработанных циклов на /-м режиме; А/, - долговечность, соответствующая /-му режиму нагружения; ЕосХ - остаточные сварочные деформации, вычисленные в блоке 6; £пред -предельная пластическая деформация материала при растяжении.

Второе слагаемое уравнения (11), позволяет количественно оценить влияние е^т на процесс накопления повреждений. Например, для рассмотренных далее объектов расчетным путем установлено, что вклад Бост не превышает 2 %.

В третьей главе рассмотрена методика расчета остаточных сварочных напряжений при однопроходной и многопроходной электродуговой сварке (вторая задача), которая включает схематизацию процесса сварки, подготовку данных для расчета и численную реализацию. В данной главе также представлены результаты оценки достоверности разработанной методики. Все

расчеты для решения поставленном задачи были выполнены в блоках 5 и 6 схемы на рис. 1 с использованием уравнений (3), <4).

На первом шаге исследований для проверки точности и надежности результатов расчетного моделирования упругспластических деформаций проведено моделирование процесса растяжения цельного и сварного образцов из стали 22К. Расчетные значения и отмеченный характер изменения упругопластических деформаций хорошо согласуются с данными, полученными опытным путем в ИМ АIII РАН. Расхождение составило 3... 10 %.

На втором шаге была решена задача по определению остаточных сварочных напряжений в штуцерном соединении (рис. 2), используемом в обо-лочечных конструкциях. Размеры штуцера: ¿М80 мм, //=75 мм, вваренного в отверстие в плите 5=20 мм, />=600 мм с усилением шва И= 16 мм и радиусом перехода Н-1 мм. Шов выполнен за 11 проходов.

I-'

Пгита Ч

>|ил6и№

..А I э

"ПЛ

а) 5)

Рис. Штуцерное соединение: а) схема соединения: б) схема нагрузок, действующих на элементарный объем

Основной металл - сталь 12ХНЗМД. При вычислении показателей НДС принята гипотеза об осевой симметрии. Расчеты выполняли по разработанному алгоритму путем последовательного вычисления температуры с использованием конечно-разностной схемы для нестационарной задачи теплопроводности. соответствующей этапам нагрева при сварке и последующего охлаждения на воздухе.

Было изучено изменение значений сварочных напряжений по длине сварного соединения, обусловленное неравномерностью температурного поля в период остывания.

На рис. 3 представлены графики, построенные по полученным расчетным значениям сварочных радиальных (а) и окружных (б) напряжений на поверхности СШ и плиты, и экспериментальные значения данных показателей в выделенных точках.

Отклонение расчетной кривой от экспериментальных значении в зоне максимальной концентрации составило для аг не более 2 °/ для а0 ! 5 свидетельствует о приемлемой точности предложенной модели.

Полученные оценки напряженного состояния и их соответствие экспериментальным данным позволили распространить предлагаемую методику на moi лгшрованне и и ее; дование сварочных напряжений в многопроходных

СШ. выполненных электродуговой сваркой.

На третьем шаге было изучено влияние радиуса перехода сварного шва к основному металлу на максимальные значения остаточных сварочных напряжений. Для этого выполнили многовариантные расчеты сварного соединения, рассмотренного ранее. При вычислении напряжений изменяли радиус перехода сварного шва к основному металлу в диапазоне 0,5...3 мм.

_ ¡ОООГ"

800 '

600

л -100-

20!?

"Г" т

и

"X

../'Г I

— - рисчпп автора: ♦ - эм'иерп.нгнишльны? лаииы<"

100

120

=1=

1140

160

180

200

_ 240 2бо Длина сзарнсго соезинпшх мм

Цилиндр Свпрноншов

Плита

Цилиндр Сварной шог.

Плати

б)

Рис. 3. Распре; \ченис остаточных радиальных (а) и окружных (о) напряжений по поверхности сварного соединения

Например, расчеты показали, что при изменении радиуса на рассмотренном интервале уровень остаточных напряжений в конструкции на рис. 2, изменяется на 4 %. что свидетельствует о нечувствительности остаточных напряжений к изменению геометрии.

Таким образом, проведенные исследования полученные результаты позволили использовать разработанную методику для моделирования остаточных сварочных напряжений в сварных соединениях, выполненных мыог. проходной электродуговой сваркой.

В четвертой главе представлена экспериментальная проверка метог расчета сварочных напряжений деформаций (третья адача). Измерение остаточных сварочных деформаций проводили при сварке двух пластик из

стали 40 размерами 100*200x8 мм. Сварку пластин выполняли за один проход. Предварительно пластины закрепляли в тисках. Таким образом имитировали воздействие на пластины частей конструкции, не подвергающихся температурному расширению.

Методика измерения температуры и остаточных деформаций основана на термо- и тензометрировании свариваемых деталей. Определение еост выполняли по методу отверстий. Сбор и обработку экспериментальных данных осуществляли в системе Lab VIEW DAQmx. для этой цели в среде Lab VIEW разработаны виртуальные приборы для измерения температуры и деформаций.

В результате сравнительного анализа установлено, что расхождение пиковых значений температуры в контрольных течках, полученных расчетом и экспериментально, не превышает 8 %. Это свидетельствует о корректности граничных условий и приемлемости принятых при расчете допущений, а также конечно-разностной и конечно-элементной схем.

На рис. 4 представлен график распределения на поверхности пластины. Направление оси 0Х перпендикулярно оси СШ, начало координат оси OJf совпадает с точкой перехода СШ к основному металлу. Анализ распределения £ост показал, что их наибольший уровень наблюдается в точке перехода СШ к основному металлу и достигает 0,2 %. С увеличением расстояния от оси шва Есст уменьшается до нулевых значений. В точках, где еост достигает максимальных значений, расхождение расчетных и экспериментальных данных не превышает 18 %.

Полученные оценки подтвердили правомерность выбранных методов расчетов и принятых допущений. Это дает возможность применения разработанной методики расчета сварочных напряжений совместно с методикой оценки долговечности.

В пятой главе приведены результаты расчетов, выполненных в соответствии со схемой на рис. 1. Получены оценки долговечности сварных соединений деталей, произведенных в различных отраслях промышленности.

Сварные трубы. На примере сварных труб большого диаметра показана достоверность разработанной методики прогнозирования долговечности. Проводили оценку долговечности труб 0 720 мм, толщиной стенок 11 мм из стали 14 ХГС. Расчеты выполнены при ширине СШ 20 мм и усилении шва 3 мм для трех вариантов исполнения:

Рис. 4. Изменение остаточных деформаций по оси 0Х:— - расчетные данные; • - экспериментальные данные

1) радиус перехода к основному металлу 0,5 мм;

2) радиус перехода к основному металлу 0,3 мм;

3) смещение свариваемых кромок до 5 мм и радиусом перехода 0,4 мм. Условия моделирования соответствовали нагружению труб внутренним

давлением 8 МПа, имеющим пульсирующий характер. Расчетные схемы представлены на рис. 5.

Рис. 5. Расчетная схема трубы с симметричным сварным швом (а) и со сдвигом свариваемых кромок (б)

Определены показатели НДС для всех рассмотренных вариантов сварных труб. Выполнен расчет сварочных напряжений и деформации. Анализ результатов расчета показывает, что максимальные значения остаточных сварочных деформаций наблюдаются в точке перехода СШ к основному металлу. Так, для первого варианта соединения расчетная величина еост, в точке перехода СШ к основному металлу составила 0,21 %, а для второго и третьего вариантов соединений 0,24 % и 0,26 % соответственно.

На рис. 6 показаны зависимости, отражающие расчетную долговечность сварных труб, в сравнении с расчетом по существующим методикам и нормам, а также опубликованными экспериментальными данными. На данном рисунке видно, что значения долговечности, вычисленные по предложенной методике, хорошо согласуются с опубликованными экспериментальными данными и имеют к ним большее приближение, чем

■

• V

... к

-

МО3 МО1 1*10* |«105 Ациклов

Рис. 6. Сопоставление расчетных и экспериментальных данных:

— - расчет ИМАШ РАН;----расчет по нормам (РД 10-249-98);

■ - эксперимент ИМАШ РАН; • - расчет автора (номера точек, соответствуют вариантам исполнения СШ)

результаты расчета по существующим методикам и нормам. Для решения четвертой задачи методом расчетного моделирования было изучено влияние радиуса перехода С'Ш к основному металлу, а также сдвига свариваемых кромок на концентрацию напряжений и усталостную долговечность сварного соединения.

Расчеты выполнены для грех вариантов исполнений стыковых соединений. Так, для соединения с радиусом перехода СШ к основному металлу 0,5 мм коэффициент концентрации напряжений Ка- 2,1, с радиусом перехода 0,3 мм и смещением кромок 3,7 и Ка = 6,8 соответственно.

Установлено, что расхождение экспериментальных и расчетных значений долговечности в интервале изменения к~а от 2,1 до 6,8 не превышает 30%. Расчеты также показали, что увеличение К0 с 2,1 до 6.8 соответствует снижению долговечности в 9 раз для рассмотренных вариантов СШ.

Полученные результаты подтвердили эффективность предлагаемого подхода и позволили распространить его на оценку долговечности других деталей со СШ, работающих в условиях циклических нагрузок.

Станина прокатного стана. На примере станины шаропрокатного стана показана (рис. 7) возможность использования разработанной методики при прогнозировании усталостной долговечности деталей сложной геометрической формы с различными формами сварных соединений.

Рис. 7. Объемное изображение модели рабочей клети (а): формы сварных швов (о)

Станины - одни из ответственных и основных деталей металлургических машин, работающих при высоких нагрузках. В последнее время широкое развитие получило направление проектирования прокатного оборудования, в котором станины стали выполнять сварными, ранее такого не делалось. Это потребовало разработки новых методов расчетов для проверки проектных решений.

Выполнен расчет НДС станины шаропрокатного стана ШПС 40...80 от действия рабочих нагруюк.

В результате расчетов установлено, что узел станины в месте соединения вертикальных стоек с горизонтальным патрубком обладает меньшей жесткостью, чем остальные части конструкции.

Расчеты остаточных сварочных напряжений и усталостной долговечности проводили для зоны СШ 2, которая лимитирует долговечность конструкции.

На рис. 8 приведен график распределения остаточных напряжений по длине сварного патрубка, положение и длина рассмотренного участка соответствуют фрагменту конструкции между точками А и В.

Полученные расчетные значения рабочих и сварочных напряжений использовали при оценке долговечности станины.

Расчетная долговечность станины для точки А (см. рис. 8) с заданной вероятностью 0,95 составила N -1360949 ±275041 циклов.

По результатам расчетов построены номограммы, отражающие связь амплитуды напряжений с циклической долговечностью станины, а также влияние на нее остаточных сварочных напряжений.

Полученные расчетные зависимости рекомендованы к использованию на этапе проектирования для прогнозирования долговечности станины.

Цилиндрический корпус. На примере расчета сварного корпуса показана возможность применения методики для прогнозирования долговечности объектов, работающих в условиях нестационарного термосилового кагруже-ния.

Корпус, представленный на рис. 9, а, является одним из наиболее ответственных элементов парового котла. Корпус эксплуатируется в условиях нестационарных циклических нагрузок и повышенных температур. Типичным режимом циклической нагруженности корпуса является режим пуск - останов. Пуск происходит за 4 часа с постепенным повышением температуры до 260 °С и давления до 4,2 МПа. Останов происходит в течение 1 часа со снижением температуры до 80 °С.

При определении граничных условий теплообмена учитывали следующие факторы: теплообмен в верхней части корпуса, обусловленный пленочной конденсацией насыщенного пара на внутренней поверхности; теплообмен в нижней части корпуса, обусловленный вынужденной конвекцией находящейся там воды при температуре насыщения; теплообмен в зоне подвода питательных труб, зависящий помимо вышеперечисленных факторов от температуры, скорости движения и давления питательной воды.

Рис. 8. Распределение остаточных напряжений по длине сварного патрубка

Рис. 9. Объемное изображение цилиндрического корпуса(я) и схема.штуцерного

соединения(о)

Проведено сравнение расчетного и экспериментального осевого удлинений цилиндрического корпуса при выходе на эксплуатационный режим. Расхождение составило 3 %, что говорит о корректности принятых ГУ.

К месту концентрации напряжений, которые лимитируют долговечность конструкции, относится сварное штуцерное соединение труб подвода питательной воды, представленное на рис, 9, а. Интенсивность напряжений в точке перехода СШ к основному металлу данного соединения достигает 499 МПа.

Расчеты показали, что наличие сварочных напряжений оказывает существенное влияние на картину распределения напряжений вблизи штуцерного соединения оболочечной конструкции.

Корпус в процессе эксплуатации испытывает совместные силовое и тепловое воздействия. Поэтому при определении долговечности с помощью выражения (5) особый интерес представляет выбор показателя степени т. Значение т вычисляли с помощью выражения (7). Для этого решали (7) относительно т, подставляя в него одноименные величины напряжений, полученные в результате упругого и упругопластического расчетов. Расчетное значение показателя т составило 0,52, что позволило перейти к расчету усталостной долговечности корпуса.

Расчетная долговечность корпуса для зоны штуцерного соединения с заданной вероятностью 0,95 составила N = 5283 ± 537 циклов, что не противоречит опыту эксплуатации.

На рис. 10 приведены кривые, отражающие связь амплитуды напряжений с циклической долговечностью корпуса, а также влияние на нее остаточных сварочных напряжений.

В соответствии с поставленными задачами (пятая задача) проведена оценка влияния остаточных сварочных напряжений на долговечность деталей сложной формы со сварными соединениями. Установлено, что при низких уровнях амплптулы эксплуатационных напряжений, когда амплитуда напря-

женин меньше предела текучести, влияние остаточных напряжений в зонах концентраторов сварных соединений достаточно высоко. В этих условиях остаточные сварочные напряжения существенно снижают сопротивление усталости. Так, например, на рис. 10 показано, что расчетная долговечность сварных соединений с учетом остаточных напряжений в среднем в 10 раз меньше, чем без них.

С ростом внешней нагрузки уровень влияния остаточных напряжений уменьшается. Вследствие этого происходит сближение кривых усталости соединений с растягивающими остаточными напряжениями (2) и без них (1). Когда величина амплитуды эксплуатационных напряжений превышает предел текучести, долговечность сварных соединений с учетом остаточных напряжений меньше в 3 - 4 раза, чем без них.

В заключении сформулированы основные выводы по работе.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ Проведенные теоретические и экспериментальные исследования позволяют сделать следующие выводы:

1. Разработаны алгоритмы и методика прогнозирования усталостной долговечности сварных соединений деталей сложной формы, учитывающие остаточные сварочные напряжения, геометрию сварного соединения, разность свойств основного металла и металла шва, а также разброс механических характеристик материала. Подтверждена их достоверность и возможность использования для стыковых (сварные трубы) и тавровых (штуцерное соединение, сварной патрубок станины) соединений при числах циклов до 107

2. Проведена проверка достоверности результатов прогнозирования долговечности стыковых соединений. Расхождение экспериментальных и расчетных значений долговечности в интервале изменения Ка от 2,1 до 6,8 не превышает 30 %.

3. Разработана методика расчета остаточных сварочных напряжений при однопроходной и многопроходной электродуговой сварке.

4. Проведена экспериментальная проверка методики расчета сварочных напряжений. Сбор и обработку экспериментальных данных осуществляли в

К

ыо' ыо3 ыой Ь1п7 грииюв

Рис. 10. Влияние эксплуатационных и сварочных напряжений на долговечность корпуса: 1 - с учетом эксплуатационных напряжений; 2-е учетом сварочных напряжений

системе ЬаЬУ1Е\У ОАС>глх, для этой цели в среде ЬаЬУ1Е\У разработаны виртуальные приборы для измерения температуры и деформаций. Полученные экспериментальные данные согласуются с результатами расчетов. Расхождение расчетных и экспериментальных значений температуры и остаточных деформаций составило 8 % и 18 % соответственно.

5. Проведена оценка влияния геометрических параметров стыкового соединения (радиуса перехода сварного шва к основному металлу, смещения свариваемых кромок) на концентрацию напряжений. Так, для соединения с радиусом перехода сварного шва к основному металлу 0,5 мм Ка = 2,1, радиусом перехода 0,3 мм и смещением кромок Кс - 3,7 и Ка - 6,8 соответственно.

6. Выполнена оценка влияния концентрации напряжений на усталостную долговечность стыкового соединения. Установлено, что увеличение Ка с 2,1 до 6,8 приводит к снижению долговечности в 9 раз.

7. Выполнена оценка влияния растягивающих остаточных сварочных напряжений на усталостную долговечность сварных патрубка станины и штуцерного соединения. Расчетным путем установлено, что при амплитуде эксплуатационных напряжений меньше предела текучести наличие остаточных сварочных напряжений снижает долговечность сварных соединений в среднем в 10 раз. При амплитуде эксплуатационных напряжений, превышающей предел текучести материала, долговечность сварных соединений с остаточными напряжениями снижается в 3 - 4 раза.

8. Результаты диссертационной работы внедрены на ЗАО НПО «Тех-кранэнерго» (г. Владимир) и на ООО «ГРОТ ЦЕНТР» (г. Владимир), а также использованы в учебном процессе (курс «Системы конечно-элементного анализа»), что подтверждено актами внедрения. Основные положения диссертации отражены в следующих работах:

Статьи в журналах из перечня ВАК РФ

1. Белевич, А. В. Моделирование термонапряженного состояния потенциально опасных промышленных объектов / А. В. Белевич, А. В. Аборкин [и др.] // Безопасность труда в промышленности. - 2007. - №3. - С.37 - 39.

2. Белевич. А. В. Расчетная оценка долговечности сварных труб с учетом формы сварного шва/ А. В. Белевич, А. В. Аборкин, [и др.] // Безопасность труда в промышленности. - 2009. - №4. - С.44 - 46.

3. Белевич, А. В. Расчет сварочных напряжений в штуцерных соединениях цилиндрического корпуса/ А. В. Белевич, А. В. Аборкин // «Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии». 2009.

№ 5/277(576). - С. 24 - 30.

Материалы научных конференций

4. Белевич, А. В. Методика расчетного моделирования МКЭ упруго-пластических деформаций при растяжении / А. В Белевич, А. В. Аборкин, Д. М. Бабин // Перспективы развития лазерных технологий Труды Всерос. науч.-техн. конф. с междунар. участием. - М. : Новые технологии, 2005. С. 135-137.

5. Бабин, Д. М. Методика расчетного моделирования упруго-лластических деформаций в неразъемных соединениях [Электронный ресурс] / Д. М. Бабин, А. В. Белевич, А. В. Аборкин // XVII Междунар. Интернет-конф. молодых ученых и студентов по современным проблемам машиноведения. М. 2005. - URL: http://vvww.imash.ru/coni7mega''2005/ mega2005.s.hmil, (дата обращения l LI2.2007).

6. Белевич, А. В. Метод оценки прочности сварных оболочечных конструкций отопительно-производственного оборудования / А. В. Белевич, А. В. Аборкин, Д. М. Бабин // Наукоемкие технологии XXI века: сб. тр. Всерос. науч.-техн. конф. - Владимир : Транзит ИКС, 2006. - С. 140 - 141.

7. Аборкин, А. В. Анализ напряженно-деформированного состояния оболочечных конструкций / А. В. Аборкин, А. А Захаров, А. А. Бынков Н Качество науки качество жизни сб. научн. ст. Третьей Междунар. науч.-практ. конференции. Тамбов : «Тамбовполиграфиздат», 2007. - С. 106 - 107.

8. Аборкин, А. В. Методика оценки ресурса сварных конструкций / А. В. Аборкин // Качество науки - качество жизни сб. научн. ст. 4-ой Междунар. нзуч.-практ. конф. Тамбов «Тамбовполиграфиздат», 2008. С.132 - 133.

9. Аборкин, А. В. Численное определение остаточных сварочных напряжений при многопроходной сварке / А. В. Аборкин // Механики XXI веку: сб. докл. VII Всерос. науч.-техн. конф. с междунар. участием. - Братск: БрГУ, 2008. - С.139—141.

10. Аборкин, А. В. Численное исследование точности вычисления температуры /А. В. Аборкин // Современные проблемы науки сб. научн. ст. 1-ой Междунар. заочная конф. Тамбов «Тамбовполиграфиздат», 2008. С. 124 - 125.

11. Аборкин, А. В. Оценка ресурса сварных труб с учетом фактора сварки / А. В. Аборкин // Исследование, проектирование, испытания и эксплуатация приборных устройств военной техники материалы Всерос. науч.-техн. конф. (ГГ/ВТ-2008). - М.: PAP АН, 2008. - С. 11 - 15.

Личный вклад соискателя в публикациям В работах [1, 4, 5, 7, 10] - проведение численного исследования, разработка структуры моделей для вычисления НДС; [2, 31] - расчет долговечности, анализ результатов; [3, 9] - численная реализация алгоритма расчета остаточных сварочных напряжений; [6, 8] - разработка методики прогнозирования долговечности.

Подписано в печать 20.10 10 Формат 60x84/16. Усл. печ. л. 0,93. Тираж 100 экз.

Заказ £55 ~ Издательство Владимирского государственного университета.

600000. Владимир, ул. Горького. 87

- 26 4 1 7

2008177517

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ.

ВВЕДЕНИЕ.б

ГЛАВА 1. ОБЗОР КРИТЕРИЕВ РАЗРУШЕНИЯ И МЕТОДИК ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ДЕТАЛЕЙ МАШИН СО

СВАРНЫМИ СОЕДИНЕНИЯМИ.

1.1 Анализ особенностей распределения напряжений в деталях со сварными соединениями.'.

1.2 Анализ причин отказов и развития трещин в деталях машин со сварными соединениями.

1.3 Критерии разрушения деталей машин при тепловом и силовом нагружении.

1.4 Обзор методик прогнозирования долговечности деталей машин.

1.5 Выводы и постановка задач исследований.

ГЛАВА 2. МЕТОДИКА ПРОГНОЗИРОВАНИЯ УСТАЛОСТНОЙ ДОЛГОВЕЧНОСТИ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ ДЕТАЛЕЙ СЛОЖНОЙ

ФОРМЫ.

2.1 Методика прогнозировании усталостной долговечности и содержание ее этапов.

2.2 Подготовка исходных данных для расчета.

2.3 Решение задачи нестационарной теплопроводности.

2.4 Определение теплового напряженно-деформированного состояния.

2.5 Алгоритм вычисления напряжений в упругопластической области.

2.6 Оценка усталостной долговечности.5 ^

2.7 Условие наступления предельного состояния, учитывающее наличие остаточных сварочных деформаций.

2.8 Выводы по главе 2.

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ РАСЧЕТА ОСТАТОЧНЫХ

СВАРОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ.

3.1. Анализ точности вычисления упругопластических деформаций.

3.2.'Методика расчета остаточных сварочных напряжений.

3.3. Численное исследование тепловых полей при сварке.

3.3.1 Схематизация и расчет температуры на стадии нагрева.

3.3.2 Расчет температуры на стадии охлаждения.

3.4. Численное исследование остаточных сварочных напряжений.

3.5. Сопоставление результатов расчета с экспериментальными'данными.

3.6. Расчет остаточных сварочных напряжений с использованием интерполяционной,»зависимости.

3.7. Оценка влияния радиуса перехода сварного* шва на концентрацию остаточных напряжений.

3.8. Выводы по главе 3.

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ОСТАТОЧНЫХ

ДЕФОРМАЦИЙ ПРИ СВАРКЕ.

4.1. Задачи и объект исследований.

4.2. Оборудование и приборы, используемые при проведении эксперимента.

4.3. Методика термо- и тензометрирования температурных полей и остаточных деформаций при сварке.

4.4. Обработка экспериментальных данных.

4.5. Расчет температуры и остаточных сварочных деформаций при сварке

4.6. Сопоставление результатов расчета с экспериментальными данными.

4.7. Анализ погрешности измерений:.

4.8. Выводы по главе 4.

ГЛАВА 5. МОДЕЛИРОВАНИЕ НДС ДЕТАЛЕЙ СЛОЖНОЙ ФОРМЫ СО

СВАРНЫМИ СОЕДИНЕНИЯМИ И ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ИХ

ДОЛГОВЕЧНОСТИ.ос

5.1. Сварные трубы большого диаметра.

5.1.1 Анализ условий эксплуатации сварных труб.

5.1.2 Напряженно-деформированное состояние сварных труб.

5.1.3 Расчет остаточных сварочных напряжений.

5.1.4 Прогнозирование усталостной долговечности сварных труб.Ю

5.1.5 Оценка влияния геометрии сварного шва на долговечность соединения.

5.2 Станинашаропрокатного стана.^^

5.2.1 Исходные данные задачи вычисления напряжений в станине шаропрокатного стана.

5.2.2 Анализ результатов моделирования напряжений.

5.2.3. Расчет остаточных сварочных напряжений.j

5.2.4 Расчет долговечности станины шаропрокатного стана.

5.3. Цилиндрический корпус.

5.3.1. Анализ условий эксплуатации корпуса барабана.

5.3.2. Определение начальных и граничных условий теплообмена.

5.3.3. Анализ теплового состояния корпуса.

5.3.4 Анализ напряженно-деформированного состояния корпуса барабана.

5.3.5 Анализ НДС корпуса при останове.

5.3.6 Остаточные сварочные напряжения в штуцерном соединении.

5.3.7 Определение показателя степени т в модели долговечности при термосиловом нагружении.

5.3.8 Результаты оценки долговечности корпуса барабана.

5.4. Оценка вклада остаточных сварочных деформаций в процесс накопления повреждений.

5.5. Внедрение результатов работы.

5.6. Выводы по главе 5.

Актуальность исследования. За последние десятилетия в результате развития отраслей машиностроения значительно возросла потребность в производстве и применении технических устройств со сварными соединениями, а также трубопроводов и сосудов давления, имеющих большую протяженность сварных швов различной конфигурации.

Доля усталостных разрушений сварных конструкций составляет примерно 30 % общего числа их преждевременных повреждений и отказов.

Предотвращение усталостных разрушений - весьма актуальная задача во всех отраслях машиностроения, особенно таких, в которых аварии вследствие разрушения ответственных деталей ведут к катастрофическим последствиям. В связи с этим особое значение приобретает проведение исследований, направленных на повышение точности прогнозирования долговечности деталей сложной геометрической формы со сварными соединениями на основе изучения их НДС.

Такую возможность обеспечивает объединение существующих алгоритмов, связывающих показатели долговечности, параметры петли механического гистерезиса и свойства материала с алгоритмами МКЭ, реализованными с помощью современных программных комплексов. Это позволит расширить круг решаемых задач, а также повысить точность оценок долговечности за счет учета остаточных сварочных напряжений, геометрии сварных швов, рассеяния механических характеристик материала, разности свойств основного металла и сварного шва.

Целью работы является повышение точности расчетов усталостной долговечности сварных соединений деталей сложной формы при циклическом нагружении.

Для достижения этой цели необходимо решить следующие основные задачи:

1. Разработать алгоритм и методику прогнозирования усталостной долговечности сварных соединений деталей' сложной* формы, учитывающие остаточные сварочные напряжения, геометрию сварного соединения, разность свойств основного металла и металла< шва, а также разброс г механических характеристик материала.

2. Разработать методику расчета остаточных сварочных напряжений при одно- и многопроходной электродуговой сварке.

3. Выполнить экспериментальную проверку достоверности методики расчета остаточных сварочных напряжений.

4. Провести оценку влияния геометрических параметров стыкового соединения на концентрацию напряжений и долговечность.

5. Провести численную оценку влияния остаточных сварочных напряжений на долговечность деталей сложной формы со сварными соединениями.

Методы исследований. Вг соответствии с выбранным подходом, поставленные задачи* решали с помощью методов математического моделирования и проведения экспериментальных исследований. Методика исследований включала разработку структуры моделей с использованием программных комплексов (Pro/ENGINEER, COSMOS, Mathcad, Lab VIEW), проведение численного эксперимента по расчету параметров НДС и сравнение их с экспериментальными данными, численную реализацию собственных программ для расчета параметров долговечности, проведение эксперимента по ' измерению температуры и остаточных сварочных деформаций с целью проверки достоверности результатов расчетного моделирования.

Научная новизна работы заключается в следующем:

• предложено модифицированное условие наступления предельного состояния, сформулированное по правилу суммирования повреждений с учетом остаточных сварочных деформаций;

• разработаны и апробированы методика и алгоритм прогнозирования долговечности деталей сложной формы со сварными соединениями;

• выявлены закономерности распределения локальных показателей НДС труб большого диаметра, станины прокатного стана, корпуса котла в зависимости от режимов нагружения и геометрии сварных соединений.

Достоверность результатов работы.обуславливается:

• применением уравнений механики твердого деформируемого тела для расчета" локальных показателей НДС;

• использованием сертифицированных средств, измерений и оборудования, а также апробированных компьютерных программных комплексов;

• соответствием результатов расчета собственным экспериментальным данным и хорошей согласованностью численных решений с имеющимися данными других исследователей.

Практическая ценность работы заключается ^ следующем:

• предложена методика расчета остаточных сварочных напряжений в деталях с одно- и многопроходными сварными швами, выполненными электродуговой сваркой;

• разработаны и апробированы методика и алгоритм прогнозирования усталостной долговечности сварных соединений деталей сложной формы из углеродистых и низколегированных сталей.

Реализация результатов. Исследования, представленные в работе, выполнены в рамках хоз. договора № гос. per. 0120. 0510295 «Разработка алгоритмов и программного обеспечения для расчетного моделирования напряжений в деталях сложной формы при малоцикловом нагружении» с ЗАО НПО «Техкранэнерго»; инициативного проекта РФФИ 06-08-96338-рцентра «Решение фундаментальной проблемы оценки остаточного ресурса промышленных объектов, связанной с проведением комплексных экспериментальных и теоретических исследований процессов упругого и пластического деформирования при малоцикловом нагружении».

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Перспективы развития лазерных технологий» (Владимир, 2005); Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Наукоемкие технологии XXI века» (Владимир, 2006); III и IV международных научно-практических конференциях «Качество науки - качество жизни» (Тамбов, 2007, 2008); VII Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Механики XXI веку» (Братск, 2008); I международной научно-практической конференции «Современные проблемы науки» (Тамбов, 2008); Всероссийской научно-технической конференции «Исследование, проектирование, испытания и эксплуатация приборных устройств военной техники» (Владимир, 2008).

Публикации. По материалам, изложенным в диссертации, опубликовано 11 печатных работ, 3 из которых входят в перечень изданий, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и приложений. Общий объем — 168 страниц машинописного текста, включающие 79 рисунков и графиков, 29 таблиц. Список использованной литературы содержит 108 наименований. Приложение 1 состоит из 5 страниц, приложение 2 - из 1 страницы, приложение 3 содержит три акта внедрения результатов работы.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

Проведенные теоретические и экспериментальные исследования позволяют сделать следующие выводы:

1. Разработаны алгоритмы и методика прогнозирования усталостной долговечности сварных соединений деталей сложной формы, учитывающие остаточные сварочные напряжения, геометрию сварного соединения, разность свойств основного металла и металла шва, а также разброс механических характеристик материала. Подтверждена их достоверность и возможность использования для; стыковых (сварные трубы) и тавровых (штуцерное соединение, сварной патрубок станины) соединений при числах циклов до 107.

2. Проведена проверка достоверности результатов' прогнозирования долговечности стыковых соединений. Расхождение экспериментальных и расчетных значений долговечности в интервале изменения Ка от 2,1 до 6,8 не превышает 30 %.

3. Разработана методика расчета остаточных сварочных напряжений при однопроходной и многопроходной электродуговой сварке.

4. Проведена экспериментальная проверка методики расчета сварочных напряжений. Сбор и обработку экспериментальных данных осуществляли в системе Lab VIEW DAQmx, для этой цели в среде LabVIEW разработаны виртуальные приборы для измерения температуры и деформаций. Полученные экспериментальные данные согласуются с результатами расчетов. Расхождение расчетных и экспериментальных значений температуры и остаточных деформаций составило 8 % и 18 % соответственно.

5. Проведена оценка влияния геометрических параметров стыкового соединения (радиуса перехода сварного шва к основному металлу, смещения свариваемых кромок) на концентрацию напряжений. Так, для соединения с радиусом перехода сварного шва к основному металлу 0,5 мм Ка = 2,1, радиусом перехода 0,3 мм и смещением кромок Ка = 3,7 и Ка = 6,8 соответственно.

6. Выполнена оценка влияния концентрации напряжений на усталостную долговечность стыкового соединения. Установлено, что увеличение Ка с 2,1 до 6,8 приводит к снижению долговечности в 9 раз.

7. Выполнена оценка влияния растягивающих остаточных сварочных напряжений на усталостную долговечность сварных патрубка станины и штуцерного соединения. Расчетным путем установлено, что при амплитуде эксплуатационных напряжений меньше предела текучести наличие остаточных сварочных напряжений снижает долговечность сварных соединений в среднем в 10 раз. При амплитуде эксплуатационных напряжений, превышающей предел текучести материала, долговечность сварных соединений с остаточными напряжениями снижается в 3 — 4 раза.

8. Результаты диссертационной работы внедрены на ЗАО НПО «Техкранэнерго» (г. Владимир) и на ООО «ГРОТ ЦЕНТР» (г. Владимир), а также использованы в учебном процессе (курс «Системы конечно-элементного анализа»), что подтверждено актами внедрения.

1. Аистов A.C., Гусенков А.П. Исследование малоцикловой прочности труб большого диаметра магистральных газо- и нефтепроводов // Машиноведение. 1975.ЖЗ, С. 61-71.

2. Антикайн П.А. Металлы и расчет на прочность котлов и трубопроводов — М.: Энергия, 1980.

3. Афанасьев Н. Н. Статистическая теория усталостной прочности металлов. Киев: АН УССР, 1953. - 243 с.

4. Бате К., Вилсон Е. Численные методы анализа и методы конечных элементов. М.: Стройиздат, 1982. 448 с.

5. Белевич A.B., Аборкин A.B., Бабин Д.М., Худошин A.A., Зимина В.А. Моделирование термонапряженного состояния потенциально опасных промышленных объектов. // «Безопасность труда в промышленности» №3 2007 с.37-39. ISSN 0409-2961

6. Белевич A.B., Аборкин A.B., Иванченко А.Б., Худошин A.A., Зимина В.А. Расчетная оценка долговечности сварных труб с учетом формы сварного шва. // «Безопасность труда в промышленности» №4 2009 с.44-48. ISSN 0409-2961.

7. Ю.Беленький Д.М., Ханукаев М.Г. Теория надежности машин и металлоконструкций. Ростов н/Д: «Феникс», 2004. - 608 с.

8. П.Биргер И. А. Прогнозирование ресурса'при малоцикловой усталости //Проблемы прочности. 1985. - N 5. - С. 39 - 44.

9. Биргер И. А. и др. Расчет на прочность деталей машин: Справочник/ И. А. Биргер, Б. Ф. Шорр, Г. Б. Иосилевич. — 4-е изд., перераб. и доп. — М.: Машиностроение, 1993. — 640 с: ил.

10. Биргер И.А. Остаточные напряжения. М.: Машгиз, 1963. — 232 с, ил.

11. Биргер И.А., Мавлютков P.P. Сопротивление материалов М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1986.-560 с.

12. Болотин В. В. Применение методов теории вероятностей и теории надежности в расчетах сооружений. -М.: Стройиздат, 1971. 255 с.

13. Болотин В. В. Статистические методы в строительной механике. — М.: Стройиздат, 1961. — 279 с.

14. Болотин В.В. Прогнозирование ресурса машин и конструкций. — М.: Машиностроение, 1984. — 312 с, ил.

15. Бондарь B.C. Малоцикловая прочность конструкций // Расчеты на прочность и жесткость / Под ред. Н.Д. Тарабасова. -М.:Мосстанкин, 1983.-Вып. 5.-С. 91-99.

16. Бондарь B.C. Прогнозирование долговечности материала при неупругом деформировании // Расчеты на прочность / Под ред. В.И. Мяченкова. -М.: Машиностроение, 1988. Вып. 28. - С. 122-126.

17. Васидзу К. Вариационные методы в теории упругости и пластичности. -М.: Мир, 1987. -542 с.

18. Винокуров В. А. Сварочные деформации и напряжения. М.: «Машиностроение», 1968. — 236 с, ил.

19. Волохов Г.М. Остаточный ресурс несущих металлоконструкций тягового подвижного состава. Дисс. докт. техн. наук Орел, 2006,— 204 с.

20. Гатовский K.M. Расчет напряжений, деформаций и перемещений при сварке конструкций методом конечных элементов. Труды ленинградского ордена Ленина караблестроительного института. Вып. 92 С119-125.

21. ГОСТ 19281-89. Прокат из стали повышенной прочности. Общие технические условия. Взамен ГОСТ 19281-73, ГОСТ 19282-73.

22. ГОСТ 2601-84.Сварка металлов. Термины и определения основных понятий.

23. Гохфельд Д. А. , Кульчихин Е. Т. , Садаков О. С. Повторно -переменное неупругое деформирование в зоне концентрации напряжений //Машиноведение. 1987. - N 2. - С. 37 - 43.

24. Гусенков А. П., Котов П. И. Длительная и неизотермическая малоцикловая прочность элементов конструкций. — М.: Машиностроение, 1988. 264 с.

25. Гусенков А.П. Прочность при изотермическом и неизотермическом малоцикловом нагружении. М.: Наука., 1979. — 294 с.

26. Гусенков А.П., Москвитин Г.В., Хорошилов В.Н. Малоцикловая прочность оболочечных конструкций. -М.: Наука, 1989. 254 с.

27. Десять лекций-бесед по сопротивлению материалов, Феодосьев В.И., главная редакция физико-математической литературы из-во «Наука», Москва, 1975.- 173 с.

28. Деформирование и разрушение металлов при многоцикловом нагружении / Трощенко В. Т.—Киев : Наук, думка, 1981.—344 с.

29. Дульнев Р. А., Бычков Н. Г., Рыбина Т. В. Модели долговечности при малоцикловым нагружении //Проблемы прочности. 1989. -N4. - С. 8 - 13.

30. Дульнев Р. А., Котов П. И.Термическая усталость металлов. 1980. -200 с.

31. Зб.Зайдель А.Н. Ошибки измерения физических величин. JL: Наука, 1974.- 108 с.37.3айнуллин P.C., Вахитов А.Г. Предельное состояние элементов трубопроводных систем / Под ред. профессора Е.М. Морозова. Уфа: МНТЦ «БЭСГС», 2005. - 421 с.

32. Зенкевич О. Метод конечных элементов в технике. М.: Мир, 1975. -541 с.

33. Иванов Г.П., Худошин A.A. Некоторые проблемы эксплуатационной надежности конструкционного материала. Владимир: «Посад», 2005. -232 с.

34. Иванченко А.Б. Методика оценки термоусталостной прочности поршней форсированных дизелей. Дисс. канд. техн. наук. Москва, МГТУ им. Н.Э. Баумана. 1995 -159 с

35. Ильюшин А. А. Труды (1946-1966). Т. 2. Пластичность / Составители Е.А. Ильюшина, М.Р. Короткина. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2004. - 480 с.-ISBN 5-9221-0364-4.

36. Карзов Г.П., Марголин Б.З, Швецова В.А. Физико-механичекое моделирование процессов разрушения. Спб.: Политехника, 1993. — 391 е.: ил.

37. Клокова Н.П. Тензорезисторы: Теория, методики расчета, разработки.- М.: Машиностроение, 1990. 224 е.: ил.

38. Когаев В.П., Дроздов Ю.Н. Прочность и износостойкость деталей машин. М.: Высш. шк., 1991.-319 с.

39. Коллинз Дж. Повреждение материалов в конструкциях. М.: Мир, 1984.- 624 с.

40. Королев А. А. Конструкция и расчет машин и механизмов прокатных станов: Учеб. пособие для ВУЗов. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: "Металлургия". 1985. 376 с.

41. Косиленко Д.А. Совершенствование методов расчета сопротивления усталости сварных соединений рам длиннобазных вагонов-платформ.г

42. Дисс. канд. техн. наук. С-Пб, Петербургский государственный университет путей сообщения. 2010-115 с

43. Куркин С.А. Прочность сварных сосудов, рабюотающих под давлением. — М.: Машиностроение, 1976. 184 е.: ил.

44. Кутателадзе С.С. Основы теории теплообмена. Л.: Военно-морская академия кораблестроения и вооружения им. А.Н.Крылова, 1954.

45. Лыков A.B. Теория теплопроводности М, "Высшая школа", 1967. с. 599.

46. Марочник сталей и сплавов/ В.Г. Сорокин, A.B. Волосникова, С.А. Вяткин и др.; Под общ. Ред. В.Г. Сорокина. — М.: Машиностроение, 1989.-640 с.

47. Махутов Н.А. Деформационные критерии разрушения и расчет элементов конструкций на прочность.-М.: Машиностроение, 1981.-272с.

48. Методы и средства натурной тензометрии: Справочник/ M.JI. Дайчик, Н.И. Пригоровский, Г.Х. Хуршудов. М.: Машиностроение, 1989. -240 е.: ил.

49. Методы конечных элементов в механике деформируемых тел./ С.Ю. Еременко. X.: Изд-во «Основа» при Харьк. ун-те, 1991. - 272 с.

50. Морозов Е.М., Никишков Г.П. Метод конечных элементов в механике разрушения. М.1980.

51. Муханов К.К., Ларионов В.В., Ханухов Х.М. Метод оценки несущей способности сварных стальных конструкций при малоцикловом нагружении // Расчеты на прочность / Под ред. И.Ф. Образцова. -М.: Машиностроение, 1976. Вып. 17. - С. 259-284.

52. Мэнсон С. Температурные напряжения и малоцикловая усталость. — М.: Машиностроение, 1974. 344 с.

53. Надежность в машиностроении: Справочник 1 / Под общ. ред. В.В. Шашкина, Т.П. Карзова. Спб.: Политехника, 1992. - 719 е.: ил.

54. Нейбер Г. Теория концентрации напряжений в призматических стержнях, работающих в условиях сдвига, для любого нелинейного закона, связывающего напряжения и деформации. //Механика, 1961. -N4.-C. 117-130.

55. Нейбер Г., Хан Г. Проблемы концентрации напряжений в научных исследованиях и технике //Механика. 1967. -N 3. - С. 95 - 112.

56. Отчет о научно-исследовательской работе. Разработка рациональных конструкций рабочих клетей прокатных станов на основе расчета и анализа напряжений. Часть 1. Владимир. 2002. — 96 е.: ил.

57. Отчет о научно-исследовательской работе. Разработка рациональных конструкций рабочих клетей прокатных станов на основе расчета и анализа напряжений. Часть 2. Владимир. 2002. 75 е.: ил.

58. Оценка прочности и долговечности элементов энергетического оборудования с учетом свойств материалов в реальных условиях эксплуатации /Поспишил Б. , А. П. Квитка, Г. Н. Третьяченко и др. -Киев: АН УССР. Ин т пробл. прочности. - Препр., 1984. - 65 с.

59. Павлов П. А. Основы инженерных расчетов элементов машин на усталость и длительную прочность. Л.: Машиностроение, 1988. -252 с.

60. Прочность и долговечность элементов энергетического оборудования /Поспишил Б., Квитка А. П., Третьяченко Г. Н. и др. Киев: Наукова думка, 1987.-216 с.

61. Прочность конструкций при малоцикловом нагружении / Под ред. Н.А. Махутова- М.: Наука, 1983. С. 270.

62. Прочность материалов при высоких температурах / Г. С. Писаренко, Н. В. Руденко, Г. Н. Третьяченко, В. Т. Трощенко.— Киев : Наук, думка, 1966.— 796 с.

63. Прочность, устойчивость и колебания термонапряженных оболочечных конерукций/ В.Ф. Грибанов, И.А. Крохин, Н.Г. Паничкин, В.М. Санников, Ю.И. Фомичев. М.: Машиностроение, 1990.-368 е.: ил.

64. Распределение остаточных напряжений в элементах оболочечных конструкций после многослойной сварки и гидравлических испытаний / А.Б. Злочевский, А.Н. Шувалов, В.П. Леонов и др. // Автомат, сварка. 1984.-№4.-С. 11-16.

65. Расчетное определение полей остаточных сварочных напряжений в конструкциях оболочечного типа / Г.П. Карзов, В.П. Леонов, Б.З. Марголин // Автомат, сварка. 1992. —№4. - С. 7-12.

66. Расчеты машиностроительных конструкций методом конечных элементов: Справочник/ В.И. Мяченков, В.П. Мальцев, В.П. Майборода и др.; Под общ. ред. В.И. Мяченкова. М.: Машиностроение, 1989. - 520 е.: ил.

67. Романов А. Н. Разрушение при малоцикловом нагружении. М.: Наука, 1988.-279 с.

68. Рыбакина О. Г. Феноменологическое описание малоцикловой усталости в условиях концентрации напряжений //Проблемы твердого деформируемого тела. — М.: Судостроение, 1970. стр. 30-33.

69. Сварка судовых конструкций / Г.А. Бельчук, K.M. Гатовский, Б.А. Кох, В.Д. Мацкевич. JL: Судостроение, 1971. - 462 с.

70. Сварные конструкции. Механика разрушения и критерии работоспособности / В.А. Винокуров, С.А. Куркин, Г.А. Николаев; Под ред. Б.Е. Патона — М.: Машиностроение. 1996. — 576'с: ил.

71. Сегерлинд JI. Применение метода конечных элементов. М.: Мир, 1979. -392 с.

72. Серенсен С. В. Сопротивление материалов усталостному и хрупкому разрушению. М.: Атомиздат, 1975. - 192 с.

73. Серенсен C.B., Когаев В. П., Шнейдерович Р. М. Несущая способность и расчет деталей машин на прочность.— 3-е изд.— М. : Машиностроение, 1975.— 488 с.

74. Серенсен C.B., Писаренко Г.С. /- Избранные труды. В 3-х т. Т. 1. Прочность материалов и элементов конструкций при статическом нагружении: /Серенсен, С В, Писаренко, Г С, — Наукова думка, 1985. -264 е.:

75. Сварка и свариваемые материалы. Справочник. В 3-х т., Т 1/ Под ред. Э.Л.Макарова. -М.: Металлургия, 1991г. 528 с.

76. Скуднов В.А. Предельные пластические деформации металлов. М.: "Металлургия", 1989. —176 с.

77. Тимохин А. В. Повышение работоспособности деталей камеры сгорания дизелей на основе оценки уровня тепловой напряженности Текст. : Дис. на соискание ученой степени д-ра техн.наук:05.04.02:01.02.06 / Рыбинск, 1994.

78. Третьяченко Г. Н. Механика материалов; энергетического машиностроения. — Киев: Наукова думка, 1989. 311 с.

79. Трощенко В.Т. Покровский В.В., Прокопенко A.B. Трещиностойкость металлов при циклическом нагружении.— Киев: Наукова думка, 1987.— 254 с.

80. Труфяков В.И. Прочность сварных соединений при переменных нагрузках.— Киев : Наук, думка, 1990.— 256 с.

81. Федоров В. В. Термодинамическое представление о прочности и разрушении твердого тела //Проблемы прочности. 1971 . — N 11. — С. 32-34.

82. Фокин М.Ф., Гусенков А.П., Аистов A.C. Оценка циклической долговечности сварных труб магистральных нефте- и продуктопроводов //Машиноведение. 1984.№6, С. 49-55.

83. Хромченко Ф.А. Ресурс сварных соединений паропроводов. М.: Машиностроение, 2002, - 352 с.

84. Черкасская Л.П., Финкель Л.М. Сварные базовые детали станков и машин. Обзор. М., НИИмаш,1981, 42 с.

85. Шабров Н. Н. Метод конечных элементов в расчетах деталей тепловых двигателей. Л .: Машиностроение, 1983. - 212 с.

86. Шаталов A.A., Закревский М.П., Лепихин A.M., Москвичев В.В. Оценка работоспособности и остаточного ресурса тонкостенных сварных сосудов химически опасных объектов. // «Безопасность труда в промышленности» №7 2004 с.34-36. ISSN 0409-2961.

87. Шнейдерович P.M., Гусенков А.П. Деформационно-кинетические критерии длительной циклической прочности // Исследованиемалоцикловой прочности при высоких температурах. М.: Наука, 1975.1. C. 39-61.

88. Экспериментальная механика: В 2-х кн.: Кн. 2. Пер. с англ./ Под. Ред.

89. А. Кабаяси. М., Мир, 1990. - 552 е., ил. 94.Эсин А. Применение критерия энергии микропластической деформации и усталости //Теоретические основы инженерных расчетов. - 1963. - Вып. 90. -N 1. - С. 93 - 99.

90. Berg Н. P. A finite element method for calculation of transient and stationary temperature field in two dimensional cartesian and axisymmetric geometry //Rapp. Inst. Verbren — nungsmot. NTH. Univ. Troudheim. - 1971. - N 86. - 19 p.

91. F. A. DiAZ, E. A. PATTERSON, R. A. TOMLINSON, J. R. YATES. Measuring stress intensity factors during fatigue crack growth using thermoelasticity. (2004) Blackwell Publishing Ltd. FatigueFractEngngMaterStruct 27, 571-583.

92. Felther C, Morrow J. D. Microplastik Strain Hysteresis Energy as a Criterion for Fatique Fracture //Transactions of the ASME. 1961. - Series1. D.-P. 120-133.

93. H. KEINER, M. S. GADALA, C. W. TANG. Validity of bolt-removal and gap-insertion techniques to experimentally simulate the vibration of a cracked rotor. (2004) Blackwell Publishing Ltd. FatigueFractEngngMaterStruct 27, 449-458.

94. K. N1, S. MAHADEVAN. Probabilistic fatigue crack growth analysis of spot-welded joints. (2004) Blackwell Publishing Ltd. FatigueFractEngngMaterStruct 27, 473-480.

95. K. TANAKA, H. OKAJIMA, K. KOIBUCHI. Fatigue strength CAE system for three-dimensional welded structures. (2002) Blackwell Science Ltd. Fatigue tract Engng Mater Struct 25, 275-282.

96. L. REIS, B. LI, M. de FREITAS. Biaxial fatigue for proportional and nonproportional loading paths. (2004) Blackwell Publishing Ltd. FatigueFractEngngMaterStract 27, 775-784.

97. Lukas P. Navaznost nizkocyklovych a vysokocyklovych unavovych Charakteristik//Kovove materialy.- 1980. Vol. 18. -N 1. - S. 94- 103.

98. Morrow J., Martin J. F., Dowling N. E. Local Stress Strein Approach to Cumulative Fatigue Damage Analysis. //Final Report, T. & A. M. Report No. 379, Department of Theoretical and Applied Mechanics, University of Illinois, Urbana, 111., January 1974.

99. Neuber H. Uber die Berücksichtigung der Spannungskonzentratjon bei Festigkeitsberechnungen //Konstruktion im Masohinen — Apparate und Geratebau.- 1968.-N 7. - S. 245-251.

100. P. P. CAMANHO, C.G.DAVILA, S.T.P1NHO. Fracture analysis of composite co-cured structural joints using decohesion elements. (2004) Blackwell Publishing Ltd. FatigueFractEngngMaterStract 27, 745-757.

101. Pospisil B. Standardni metodika hodnoceni pevnosti a zivotnosti soucasti tepelne energetickych zarizeni //Strojirenstvi. 1979. - Vol. 29. - N 2. - S. 84-94.

102. Pospisil B. Zobecneni Neuberova prinoipu smerodatne deformace k vypoctum v oblasti stridave plastike deformace //Strojirenstvi. 1975. -Vol. 25.-N 2.-S. 74-78.