автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.19, диссертация на тему:Поляризационно-оптические методы определения коэффициентов интенсивности напряжений и их применение для оценки трещиностойкости элементов атомных реакторов

Академия наук СССР Институт иашиновадения ии. Л.А.Благонравовп

На правах рукописи

РАЗУНОВСКИИ Игорь Александрович

УДК 620.171.5:539.4

ПОЛЯРИЗАЦИОННО - ОПТИЧЕСКИЕ ИЕ" ">ДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТОВ ИНТЕНСИВНОСТИ НАПРЯЖЕНИИ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ ДЛЯ ОЦЕНКИ ТРЕЕИНОСТОИКОСТИ ЭЛЕМЕНТОВ АТОИНЫХ РВАКТОРОВ

(05.02.19 - Экспериментальная механика цавшн)

А в т о г вферат диссертации на соисканио ученоп степени доктора .технууеоких наук

Иоскпа, 1991 г.

РаОг-^а выполнена в им. А. А. Бл-.гонравова АН СССР.

Научный консультант .1. А.Махутов.

Официальные оппоненты:

Институте машиноведения член-корреспондент АН СССР

член-корреспондент АН СССР А.Л.ГУСЕНКОВ

доктор виоико-иатеие■ических наук, профессор В.З.ПАРТОН

доктор технических наук, прооесгор Б.И.ТАРАТОРИМ

Водукая организация - Научно - исследовательский и конструкторский институт онерготехники (КИИКИЭТ^ г. Москва.

Зашита диссертации состоится "/£ г-

в часов на заседании специализироашшого Совета

Д-003.42.02 при Институте машиноведения им. А.А.Благонравова лИ СССР по адресу: 101830, ГСП, Ыосква, Центр, ул. Грибоедова, д.4 тел.925-60-28.

С диссертацией иохн' ознакомиться о научной СиСлиотеке Института по адресу: Москва, ул.ЬарДина, 4, тел.135-55-16

Отзыв на автореферат в --х экземплярах, эвере'ныя печатью, просии направлять в одрео Института.

Автореферат разослан ____

1991

Ученый оекретарь г оциолизированного совета

/ >

" > т.к. / / В. А.Дубровский

/ -М/С// /'

/

■т^иТ! | Т- РГН1

I

! ОЫЯАЯЭХЛРА

5

'* 1 ? яиссертдций дАсертационная

СТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Ьсертеционная робота посвяссна разработке цетодсэ определения коэффициентов интенсивности нвпрягеиии нормального отр: за, поперечного и продольного сдвига (К^. К^ и К^ соответственно) о общем сл. чае просчрснстэенного напряженно -деформированного состояния на основе обработки результатов поляриоационно - оптических измроония на плоских иоделях, срезах пр>. зтранственных "заыоражипасцих" иоселеп, о оотоупругнх покрытиях, а та .же с применением метода рассеянного света.

Актуальность тени. Одноп из основных т< щенцип развития расчетов конструкция совреце юн тохни1 ч на прочность является активное применение механики разрушения, п частности, механики развития треанн как главного инструмента пааруаенпк цатериалов.

Этому способствует ряд обстоятельств.

Ь_>-порвых.. развитие современного ыаиино- м аппаратостроення выдвигает требование повышения

оксплуатациоиноп надежности при одновременной понижении запасов прочности. Необходимость значительного уменызения р"са крупногабаритных конструкция обусловлиоаот допустимость возникновения неупругих деформация. В условиях действия циклических силовых н тепловых нагрузок в наиболее напряж нмых зонах конструкция имеют иесто процэс ы циклических упруго -пластических д'-'Кзрцация. что приводит к образованию трещин.

Во-вирых, широкое испо.1 ,зованио пысоког очный цатериалов понихенноп пластичности, а такхе эксплуетация оборудования при низких и сверхнизких температурах (ото связан со строительство!! крупных промышленных объектов □ районе Крайнего Сечера и развитием криогенной техники) с необходимостью пыдвинулн задачу расчета таких конструкций по криторияи хрупкая прочности.

К-оме того, иногио ссврсуеннио технологии изготовления крупногабаритных конструкция, широкое применение различных проце ^ов сварки (в частности, сверки вэризон) не позволяют I ¡бежать образования исходных доеектоз конструкции типа тредин

• 3

Р60ЦГ они от 1+3 ки до 10+15 ии.

Ос 'они иаханики разрушения как иеханики распространения трсшш а деформированных твердых телах Сыли заложены □ работах А.А.ГриФвитса, Е.О.Оровена и Дх.Р.Ирвина. Дальнейшее развитие иоханшси разрушения Сило выполнено в исследованиях Г.и.Вестеогарда, Д.С.Дагдепла, и.Л.Вильяиса, Ф.Эрдогана, Дк.г.Репса, советских ученых Г.И.Бврецоматв. В.Д. Кулиева. И.Л.Хооново, Н. А. Це'хутова, Е. И. Морозова, Н.И.иусхелишвили, Л.О.Никитина, В.В.Панасвка, В.Э.Партона, И.П.Саврука, Г.П.Черепанова, Е.И.Пеыякино и яр. ^

Результаты исследования опубликованы о большой количестве теоретических и прикладных работ, в той числе о ряде Фуиясментальних номография, посвященных различны« аспектам исхеники разрушения. Здась прежде всего слодует ответить книги Б.В.Панасока, В.З.Партсна и Е.Ц.иорозова, Г.П.Черепанова, Н.А.и&хутова, и в особенности соиитоынув энциклопедию "Раоруаение" под редакцией Г.ЛибовицЬ и четырехтомник "Механика разруаьиия и прочность материалов" под редакцией В.В.Панасюка. В отих трудах отражены основные достижения иехяники ра-рушения и неиечены направления ее дальнейшего развития.

В настоящее вреыя существуют три основных типа критериев разрушения . иатериалоо: энергетические, силовые и деформационные. в основе каждого из отих подходов заложен приоритет одной из характэристик напряженно - деформированного состояния п' зоне вершины .рек..ни: энергии, напряжений или 'чфорнацип.

Из атих критериев наиболее широкое распространенно при решении практических инженерных задач механики разрушения получили силовые подходы, в основе которых лежит введенное Де.р.Ирвинои понятие коэффициента интенсивности напряжения.

Кооффициокты интенсивности напряжения как мера сингулярности напряжения в зоне вершины трещины являются на: ьяеици •чрактеристиканн, определяющий« напряженнг десоруированное состояние в окрестности вершины трещины. В то *е вреия через коэффициенты интенсивности напряжений как силовь критерии раоруэения иогут Сыть выражены также и энергетические и деформационные критерии.

" жил образом задача опреде-.^ния коэффициентов интенсивности напряжений является важнейшей, как с точки арония

анализа напряжений в толах с трещинами, тек и ял- рзсчэтоэ на трепиностсйкость по различным критериям рязруззния.

Ызханика разрушения поставила новые задачи и отицул»:ровалз развитие в соответствующих направлениях аналитических, чис енных и экспериментальных методов анализа напряженно -деформированного состоян1.,1 элементов конструкция. На рис.1 представлена схема, гдо указаны основныо направления рвзр^отск и исследования в области цсханкки "аорусоння, о также ssoToau. на основе которых проводятся соотзотствувзио исследования или определяются нс^Оходицые параметры, возможности отих методов и имеющиеся ограничения.

"<тмэно раовнэаящиеся в настояпее еррчя численные методы анализа напряженно - деоорцированк го сссто кия, лозполяпт получить надежные решения плоских и ряда пространственных задач механики деформированного твердого тела при достаточ о сложной коноигуреции, В тг гэ время при исследо; лниях прэстракстэенкьгх чо"стзу:<иий,. чиетхих больное количество зон концентрации

напри» jhhR, системы отэерсти . рвоьеикые соединения и ......

анализ напряженно - дзфорыирозеккого состояния с лрикчяеннен трсстренетгекных оптических ноделеп считается наиболее кздэхным, что обусловливает чх применение при оценке прочнг-ти стгетотвзнкых конструкция. Кроме того, испольасзекиэ численных ме.одоЕ для расчета прострамстзекних конструкций с поверхностными трещинами, расположенными а м-ствх конструктивных и технологических неоякороамостей, оонах разнородных мгтариалоз, связано о рядом принципиальных трудностей и ограничений.

Поляризационно - сптическиэ натодц ингкт ©проваленные прэкмуавстэа парад другими окспэриаенталькуаи кетодеин . элиоа напряженно - деформированного состояния, тек как позволяет пр^зедить прямае измерения полея 2о®ор:!еция э отличие от измерения э отдельных точках (тензометрия) и иоиерений пож1 перемещения (методы голограоическоя интерферометрии к uysps). Кроме того, только иетод оотоупругости дает зооаогчооть проэеления экспериментальных нсолздовакия в обвей случае негру: :ния пространственных обьектоз с трэкинеии. Эти факторы, г также зирокоэ разнообразие типов решаемых задач наряду с высокой точность» получаемой информации, в том числе ! й я особенности) в оонах высоких градиенте i напг 1хени£

5

Роечйтнцэ методы . лродел«з!п:п пара' иетров кехзкккя раэрувеякя

ЗКСЛЕИСШЕАЛЬНАЯ ЦЕХАШГСЛ ГЛЗГЛШШ

Эксг;орет;о:1Тель!!1зе кетокн определения параметров мехдннкк разрувенпп

Определение

Kn'Kt,u" ин,еА-

грвла в плоских и трё*.:ерннх деталях I- трввкноик

Опре - Опре -

деле - дело -

нис К^ нис Кj

в тре- Е пло-

щинах ских

боль - образ-

ПОЙ цах

длина

Опролеленио 3 - интеграла в плоских элементах конструкций

КЕЯЖШИ ЗШУЛЯОГ РАЗГ7ШЕНЙЯ

1

Критерии разрушения при одиократ т ста« гачес .си кягрутеикк

Пояяри- Потопы

зацяок- оценки

110 оп- трзцииэ-

тичес - стоПко -

кие стк to -

иотоды тсриплов

Критерии цихличео-кого разрушения

Л

Эпрелолок::о

кх,кп,кш 0

трИхисршл; кок трукци-ях (, иод о ли); определение кг»: п ка го~

BSpxliOCTII

деталей

SSfJIO-

сио

Дофор-UEir.I • ОН1ШО

Сводятся к аовисииостяк типа F<Kj,Kn,!^) = О

РАСЧЁТ ПРОСФРАЯСТВЕНШЯ ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИЙ IIA ХЕУПКУЮ ПРОЧНОСТЬ ПРИ СТАТИЧЕСКОМ И ЦИКЛИЧЕСКОМ ПАГРЛШШ

Pi:c.I

обусловливают офтохтизность прицепония гэля^кооционно оптических методов для решения оСпеиетол:!ческих ti практических задвч механики разрушения.

В литературе иыеотся достаточно больсое количество публ-каций, посояоешшх вопросам применения поляркаеамонно оптических методов для определения коофэициснтоп интенсивности напряжения (КИП). Первые исследования а етоя области, свяоанные с определением КИН нормального отрыпа на плоских моделях, Обили sunoj:: ены Лж.Р.Ирвином, а такжо А.А.Уэллсов и С.Постои. Дальнейшее разш rue соответствующих методических вопросоэ было сделано В.Б.Брояли. А.Кобаяси, Д*. .Этес:'.джец, Дз.О.Долли, с. в.См'/тоа с соавторами, P.ife.CaHOopnou, П.С.Теок рисом, й.Визнером, Д.В.Грилицкиц, Ю. И. Сорока* и и дру-ини авторами. Е.И.Тараториным с соавторами были рассмотрены вопроси применения поляризационно - оптического метода д-"" анализа процессов динамического разрушения матер 1ЛОВ о трецинеми, а также моделирования процессов разз/иения на плоских модел. А из полимер шх натериалоа. '

В этих работах было укозано, что ос!!осниз трудности при определении КИН по данным поляризационно - оптических иомэрэкня связаны о тем, что в зоне окрестности сорянны траиины (гчз напряженное состояние можно описать иэвоотными

асимптотическими зависимостями, соответствующими

"натеиатическому" разрезу) всегда имеют место cyaacTSt шыа погрешности моделирования задачи. С у itou этих погреансстеп э зависимости от характера распределения напряжения в зоне вершины тицины и типа <агружения (н< 'малькый отр^з, коибинированноэ нагружение ) были предложены паолкчмыо подхода к определению КИН. Соотватствувяио иатодичоскне розр Чотки указывали основные неправления повмвения точности получоеццх результатов.3 то же время в работах отсутствовал обций метод, обеспечивающия возможность надежного определения КИН пр" комбинированном нагружонии в плоскости, норыяльноя к линии Фррнта -репины, и оценки погрешности получаемых величин Kj. и к^. Кроме того, в литература отсутствовал аналио погревностея , получа мых при применении известных методик при обработке рг лультатов измерения в еютоупругих покрытиях для определения И, и Kjj в поверхностных треяинях р натурных объектах. С учетом указанного р ряде известных публикация (О.Закдм-н. А.Ко"чяси)

7

«йен 1 о значительных погрешностях метода фотоупругих покрытий при и'мервниях в зонах высоких градиентов напряжений (в частности, в окрестности вершины трещины), вопроо о возможности применения методик определения КИИ и оценке точности получаемых иначения К^ и Кр требовал специального рассмотрения.

Зодчча определения кин продольного сдвига Кщ с

использованием метода фотоупругости рассмотрена в весьма ограниченном количестве публикаций. Предложенные в отих публикациях способы определения Кщ, основанные ,<а проведении оптических измерений при постепенной уиеньвении толщины среза, вырезанного из "замороженной" модели (Лай Ченг, Сун Пинг), или использовании метода "наклонного просвечивания" (В.Б.Титов) иыеат очевидные методические недостчтки и не могут обеспечить надежной оценки величины Кщ .

Отмеченные недостатки ювестных подходов к определению КИН с учетом указанных широких возможностей поляризационно оптических методов для решения практических задач позволяют сделать вывод об актуальности емы диссертационной работы, посвященной разработке., комплекса иет-дик, оОаслечиэаюних возможность определения К^, К^ и Кщ в общем случае нагружения пространственных элементов конструкций с трещинами о использованием различных направлений метода фотоупругости.

.- Кроме того, споиифика практических задач, решаемых на основе - разработан«- ■ методик, . выдвинула необходимость рассмотрения вопросов определения КИИ в трещинах в натурных .'пенентах , обусловленных наличием . поля остаточнчх технологических напряжений. При разработке этого направления исследований Сала поставлена и решена имеющая важное научно -методическое значение задача определения остаточных напряжений о пенах их высоких градиентов ( в тон числе о зонах стыка разнородных материалов) на основе использования краевой трещины - индикатора.

Ц ■ л ь работы состоит в разработке комплекса мете.дик, обеспечивающих возможность надежного определения К^, К^ и Кк при исследованиях напряженно - деформирование-о состояния простр нственных обьактоэ с трещинами в общем случае нагружения с использованной поляризационно - оптических методов, и пэдучг 'ии на основе разработанных подходоь величин КИН для ряда ответственных элементов конструкций атомных реакторов.

н-учная новизна работы состоит а рзорасотко общего метода определения коэффициентов интенсивности непряхенип К1. Кп и Кш на основе обработки данных оптических измерений в пространственных "оа.чораживаоиих" оптических моделях, включаяпего методики и программы определения Кг и Кп по : ззультатаи измерения при нормальной просгечиванин среоов и определения К^ с применением метода рассеянного свата. Впервые с обоих позиция рассмотрены вопросы применения метода рассеянного свата для определения К^.. Кп н Кц в пространс : ^нных моделях и натурных конструкциях, выполненных из прозрачных материалов, и показана ого эффективность при реаонии ряда практических галач. Реиени котодическио вопросы приме». 7ния раорасотанных подходов для определения К^. Кп по данным измерений в фотоупругих покрытия: . Разработан экспериментально - аналитическая метод определения остаточных напряжения а кусочно - однородных олоионтах конс-->укция на основе обработки г эультатов скспорикон'. .льного определения К'!Н в последовательно нарециваекых краевых трещина« и биметаллический полосе.

Достоверность полученных в работе ресультатсп следует из корректности постановок рооаецых задач, пыссоп точности исходной иноормаиии, получоецоп поляриоацлонно -оп.ическими методами, и применение» современных математических подходов при определении искомых параиотрся на основе обработки результатов оптических измэренчп. в ргботе сиполншш оценки точности в^ех разработанных методик и программ на основа оксппримен .альных исследова ия тостсвшс задач, иасстих аналитические рооения, или путем чиоленных охспериментоз.

Практическая значимость результате»

диссертационной работы. С применение« ряореОотонных ыотоаоп выполнена серия оксперииентальных исследований КИИ и оотаточнгч напряжения в ряде ответственных олеиантов конструкция онерготчческого оборудования: опсодолени аоличннн КИИ в краевых трецинах в натурных биметаллических материалах корпусов роактс ов различных типов, обусловленных депствиеи остаточных т хнологических гчпряжения; получены поля локальних остаточных

о

напг сепия с зонах соединения основного материала корпуса и антик- р0а»!0!«Н0Г неплавки; исслевовено распределение КИП по Фронту кргзвих полусллиптических трещин в биметаллических ибоч&пках корпусов при лепстгии силовых и тепловых нагрузок; установлены оаиисикостм КИК от длины тропики, развивающейся из керня срчрного сгво. на основе исследования полномасштабного натурного образца сварного соединения цилиндрической обечапки и крц=:<н корпуса рссктсра. Результаты отих исследований переданы

а прсо;<тна& организации онерготического машиностроения, где они

<

1>спользувтся при рас чате ресурса конструкция.

РаогоЗэтинкыэ методики и программы переданы ряду проектных оргсииз(.ц:т, где они приценяются при проведении исследований. С ик использование« но отих предприятиях получен ряд новых научно - иатодичоских и практкчоск-х результатов. Полученные о раОс-о результаты можно квалифицировать как комплексное исследование, прсистгнлЕзвдэе собой розеина крупной научной проблемы, имеющей вазноо народно - хезяйотеемнее значение.

Апробация работы. Oci эвныг результаты

дяссзртациониоя роботы докладывались и обсуждались но VCJ Всесоюзной конгэрениии по методу Фотоупругости (Таллинн, 1979); Г. Восссазчои сызоде по Теории механизмов и машин (Одесса, lSBi); XX иождунвроднел конференции "Экспериментальный анализ напряжения" (Карловь' Виры. 1982); X Всесоюзном совещании "Структура и спойстБй материалов в широком диапазоне еиператур" (Новокузнецк, 19S2); Всесоюзном сеыингре "Экспорицант&льныо цотоды исследования дефо; ация и напряжений" '.Кг.св, 1S83); Г. иехдународной конференции ученых и специалистов стрБИ-членса COD "НаучприОор-84" (Плоздив, 1984); Всесоюзном семинаре "Интерференционно - оптические методы механики Дбфсрьируоаого твердого тела и механики горных пород" (Новосибирск, 19Е5); Всесоюзном научно - техническом симпозиуме с /чг^тмац -лоцлалистов стран - членов СЭВ "Нормирование прочности и ресурса высоконегруженных машин" (Владимир, 1986); ХП Всесоюзном совещании "структура и свойства материалов в широкий диапазоне температур" (Москва, 1S86) ; Международной конференции "Измерение статических и динамических параметров конст укций и материалов" (Пльзень, 1а87); Ш Всесоюзной «ендеренции "Прочность, жесткость и технологичность изделий из

композиционных материалов" (Запорожья, 1989) ; Цээгдунзроднои коллоквиуме "Евромех - 256" (Таллинн. 1999); Международной конференции "Непитательное оборудование для окспориментзльных иоследоввния механических сволств иатериалоз и конструкция" (Ногчва, 1989); XI Цеждународнсй конференции "¡Дзхеникз конструкция о реакторной технологии (Токио, 1991).

Публикации. Основное содержание работы отряяоно в > 29-ти ста* >ях и докладах [1 - 29].

Объем диссертации. Диссертационная работа,

состоящая из введения, шести глав, заключения,' списка литературы и приложения, содержит 263 стр. цапинописного текста, 121 рисунок и 36 таблиц. Библиограоическия список включает 261 наименование литературных источников.

Диссертационная работа выполнена в отдела механики деформирования и разрушения Института илпинояедепик ни. Л.А.Бл гонравова АН СССР. Ао- >р виражает глубокуэ благодарность своему научному консультанту, руководителя отдела члену -корреспонденту АН СССР Н.Л.Иахутову оа постоянное вкиазкио к работе и ценные советы а хода работы над кея и профессору, доктору оизико - математических наук В.Д.Кулиеву па кок;ультации при проведении ряда исследования.

ОСНОВНОЕ СОД'РХАШШ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении определены научная напрзвлеииоот" и практическая значимость вопросов. рассматриваемых о диссертации, обусловливаюаие ее актуольнооть. Кратко нзлагазтея содержание работы по главам.

Первая глава содержит обзор методов определения коооФиинентов интенсивности напряжения на основе обработки результатов поляриоационно - оптических измерения. При отсм рассмг риваются статические упругие задачи линейной и^ханики разрушения. Это означает, что напряконноо состояние п окрестности вершины трещины (рис.2) молот Оыть представлено- на основе однородных решения канонических сингуляричх задсч теории-

II

Лока'ч.к^з декартовы в полицмгэ координаты

Наклонная подкраевая трещина в полубесконечной пластине

Ух Г— и

Ч < л 1 и

15-

Рис. 2

Рис. 3

Результата лсперииснтаяъках исследования на модели В I С 45°; О = 20,2 ш; Ь » 30,5 мм)

а)

б)

Зона К„ - Кц/бШ", N - 1,П

щ К? 41 Щ

А 0,542 0,55 -0,545 -0,55

Б 0,56 0,53 -0,492 -0,52

в)

К*, ^ - теоретическое и экспериментальное значение КИП

а) картина полос в зоне трещины;

б) к тш полос в зона вершины трещины Б;

в) изображение картины полос в зоне Б, восстановленное на ЭШ

Рис.4

упругости

= 1//(2пг) • с <1<ы- 9,'/Ь П)

где о^ - "оипонечти напряжения в связанной о оерзиноя трязины локсльноя декартовоП систеио координат (1,1 - х,у,2); г,6 локальные полярные координаты; К^ - коэффициенты интенсивности напряжения (н = I - Ш), V - кооффициэнт Пуассона иетериалэ

Оснозная трудность при получении КИИ методом ' Ф-отоупру1ости оаключается в той, что в "сингулярная оонс' о иодели имеют место существенный погреэностн а выполнении условия нодаяироваиия задачи, а при испольсовании веоультатоз номере, шя в оолее удаленной от «ронта троя")»! области ть-гбуетоя учет дополнительных неизвестных - регулярных лленсз полного решения задачи. О работе выполнен аналио особенностей известных методичегких подходов к определенно К^, К^ и К^ при различных типах напряженног состояния в зона трегшш и икокздеся ограничения на их использование, приведены некоторые оценки методических погрешностей. На основе амелиаа литературных источников в связи с поставленной задачей - разработать комплекс методик для надежного определения КИН о использованием поляризационно - оптических мотодоа сформулированы оснср ьга научно - методические задачи, расснотреняче о диссертации:

1. С учетоц реоультатоз исследогганнл о зтоя области разработать обвня иатод определения К^ и К^ по л~ниыц поляризационно - оптических иаиоре.ия в ооно трокииы при коибиниров-ннои нагрукенни. Процедура раочота КИИ долина искл ючать влияние соотношения ивяпу воличииэа.; К^ и К^, а также геометрии зоны воронны трекины на уотопчпэоа определение значения К^ и К^. .

2. Проанализировать воаиознооти применения иотояов огеделення КИН по данный измерения о грсходякси ссето при использовании метода Фотоупругих покрытия; выполнить оаеЧ4 ■> погреаности, обусловленная разницап цежду дефориацняим на поверю эоти исследуемого объекта и наиеряоииим сродники деформациями по толаине покрытия.

Разработать методику определения КИН продольного с .вига, включ-чцую оФФективнуи процедуру проведения поляризационно - оптических намерения и обработки * их результатов для получения Кщ о трсСУацоЯ для щ 1ктич».

точн отьо.

4. Разработать вопроси применения метода рассеянного света для определения К^, Кп и Ки в оовэи случае пространственного напряженного состояния, включая анализ основных мотодических особенностей и имеющихся ограничений, разработку процедуры расчета коэффициентов интенсивности по данным оптических измзрений. оценку возможностей его использования о сочетании с другими методами.

5. Выполнить анализ возможностей приионения разработанных катодов определения КИН в случае распространения трещины через ."раницу рас до л в разнородных материалов.

6. Рассмотренные о работе научно - методические задачи не ограничиваются рамками приионения п->лявизоциснно - оптических методов для определения па-эметроп механики разрушения. Р."д иопросоз сояспны непосредственно с исследованиями элементов конструкция энергетического оборудования с трещинами. Важнейший из них является разработка методики определения локальных остаточных непряжений в биметаллических материалах на основе экспериментально полученных величин КИ в последовательно наращиваемых краевых треаинах.

Во-рторои главе приведены результаты разработки методики определения коэффициентов интенсивности напряжений на основе обработки результате! измерений, полученных при просвечивании по нормали к линии фронта трещины.

Лнелма публикаций, посвятенных метода!* оп- эдоления и чп при комбинированном негружении, по, ааал, что наибольшую точность результатов обеспечивает применение подходов, основанных на использовании метода наименьших квадратов (МНК) для обработки результатов измерений в большом количестве точек полл изохроц в зоне ворсины трекини. При отом для адекватного аналитического представления поля напряжений в области, где ив.лдичэскно огреакости становятся незначительными, треб„йтся учет по крайней море 2-х + 3-х несингулярных членов.

□ осноая разработанной методики лежит подхо. , предложенный Р.нж.санфордои и Дх.В.Долли, заключающийся о определении К^, «п и ооу (одного "регулярного" члена "полного* решения) по данным помер шя порявкоа полос в зоне трещины с применением ННК. Предложенная в диссертации методика и соответствующая программа

расчета на SOU не ииеют ограничений на количество членов функция, использующихся для аналитического предстеэлення поля напряжения в зоне треоины. Суиественнии Фактором, позыаоюкки точность результатов, является предусмотренная о программе процедура уточнения положения вервины трещины, сосветствувяего картине полос.

Для аналитического представления поля напряжений п ооно трещины испольоуется Функция напряжения в виде ряда, чльнзки , которого гпляются соОственные Функции решения задачи теории упругооти для областей о клиновидными вырезами - функции Вильяиса

N n/2+l

Ф = Z г f(O). (2}

. п=1

где f(б) = an [ sin (Х-1)в - (Х-1) / (Х+1) Bin (Х*1)в J +

bnlcos(X-I)Q - соз(\+1)в Г; г, а - локелышо полярные

координаты; X = п/.. ; а_,Ь_ - постоянные коэффициенты; К_ = п п х

а^/2п ; Кп -Ь1/2 : .

Искомые коофоицие..гы °n.bn (n = 1,2,...:J) определяются на

основе данных измерения порядков полос т.._„ в 1 точках (i >> ti)

мах

с использованием НИК. Так как зависимость иежду т,..„ и о_, о_

мах п л

(а также Дх0 и ДУд - пораиетров, олсодалииаих уточненное положение вершины трещины ) является нелинейной, то при расчетах применяется йотой Ньютона - РаФсона. В программе предусмотрено построение кар.ины изохром, соотвототоупиии

V ьп* л*о " луо-

С использованием числонных окоперимоитоа и экспериментальных исследования на плоских оптических иодэлях проводилась оценка влияния на точнооть результатов погрешностей поляризационно - оптических измерения, виСора начальных оц«-;ок величин КИН - к^0' и и исходного положения

вершины трещины. При проведении числонмых окспериментоп j качестве тестовой задачи испольоовалось полученное Н.И.иусхелишвнли аналитическое решение задачи о внутренней трещине в пластине неограниченных r-аонеров при действии произвольно направленной рпстягиваюаей нагрузки.

Экспериментальные исследования проводились на авух плоских моделях с на! юнными подкгяеиыми трециняим ■ 45е, ■ 60°) при действии растягивающих усилия (рио.Э). Приближенное

15

аналитическое реоенив соответствующей задачи было получено п работах В.В.Пгнасюкв и Ы.П.Саврука.

Выполненные оценки показывают, что методика обеспечивает возиоккость определения Кх и Кп при комбинированном нагружении о требуеноя для практики точностью, в частности, численные оксперименты показали, что при величинах погрешности исходных Я1 .них и! /о = 0,4 н использовании для определения КИН ооны

мйк

0,1 5 г/а л 0,6 погрешность определения К^ и Кп не превышает 2 + 5 % (о - величина напряжения на удалении от оочы трещины, а -длина тресниы). Реоультаты окспериментальных исследования ТЁКже покезнагпт высокую точность методики при ее практическом применении (рис.4).

Била выполнена оценка возможностей применения расработзнноп методики при испольоовании метода оптическ.: чувствительных покрытия. Этот метод имеет ряд особенностей и связанных-с ними погрешностей, от которых в ряде случаев существенно оависит достоверность результатов. Соответствующие вопроси рассмотрены Н.Х.Ахыетзянпвым в серии публикация, где такао разработаны способы унгньоеиия погрешностей цетг^а, или их учета. Из характере распределения напряжений в зоне вершины трэкины следует, что важнейший фактором, определяющим погрешность метода Фотоупругих покрытий, является неравномерность распределения деформация по толщине Согоупругого покрытия. Для оценки погрешности, ' обусловленноя указанным Факторен, в работе 01 о выполнено численное решение модельной задачи теории упругости об осесииметричном упругом напряженно - деве «ироаанном состоянии в зоне кругового отверстия радиуса "с* о двуслойной плите, нагруженной на достпточнои удалении от отверстия равномерным всесторонним рзстлхением. Токкил слоя толаиноя 11 соответствовал оптически чувствительному покрытию, более толстый - стальному образцу. Иаианекка параметра Ь/с приводит к изменению градиента напр .хгиил пси фиксированной толщине покрытия. Рассмотрен диоп&аон изменения отого параметра. О < Ь/с л 20. Полученные результата позволяют проводить оценки рассматриваемой поггегчости пси измерениях в . зонах высоких градиентов папряаз'нил. /

На основа отих результатов и проверенного сопоставления закономерностей распределения напряжения в зоне кругового

отворотил и трешиии Сыли сделаны рекомендации по .йбору толиину ?отоупругого покрытия, при которой величина раоонатэивяоцса погреонооти пренебрежимо иола. (При испольаояении чаоросатснноя методики, гйключаюяой на рассмотрения аону г/а < 0,1).

Третья глава посвяаена вопросам г.сиискз'.'.ия нотода рассеянного света для определения Kj, К^ и в оЗпэц ог'чае нагрухения пространственных деталей о трекинвии. ' соотношения, связывавшие наполнения и оптичгжив величина о мотоде рассеянного света (UPC),• получаемые при проовочизвнни оптически неоднородной среды в направлении г , ицеат олодупсил вид

o¿,0-<to/dr - to<r)-o<r>)- >r И ♦ •°o'0/!I ' V(°ír5 -

- o^r,)l2 (. O)

здесь Pj1') - раонооть кваоиглазних напряжения о

плоскости сронта волны; с_ - поворот квваиглЕ&них напряжения на

о

участке <Jr.

Из характера распределения нопрягения а окрестности вронто треанны, главная (сингулярная) честь которых определяет ;я соотношением (1) следует, что при просвечивании нодэли в плоскости, нормальной к линии сронта треанни (риа.2). поггюжниэ врааенкя кваакглавных напряжения определяется только рогу.-.ярноя частью полного реаения соотввтр -вувеоп задачи теории упругости. Это означает, что в ооно оронта трещины дяя соль- чго

класст оадач указанное вэавенич квааиглавных ..апряеення Судет незначительный. Поэтому для определения КИП на ссначэ обработки оптических измерения а рассеянной свете иолзсосс^зоно применение "классического" метода полоо. На вкяоекзоаннего олс уат. что о окроотнссти вороины травины иокпо принять aQ * О, и выражение (3) приобретает вид

o¿,0»dra/dr - о'г> - о'г> (4)

Не основе выражения (1) и (4) о учетом соотнозення, связывающих компо ?нты напряжений а точка нагруженного тале. Выли устансв.'эны оптимальные направления просвечивания ' а зависимости от типа напряженного состояния о ооно тр*ыини,

17

твее. звания к проведение экспериментов при различных видах нагруьлшя и иаевсиося ограничения. Анализ покааал, что UPC весьма эффективен при определении KQ. В честности, независимо от характере напряженного состояния п зоне трещины на основе реоультатов, получаемых при просвечивании в направлении 8-0° ср"ооэ "lauoooscHHux" моделей (используемых для определения Кх и К^), можно нопосррцственно определить К^.

В работе предложена методика определения КИН в общем случао пространственного напряженного состояния а зоне трещины.

v'

При расчото КИН по данным оптических намерений учитываются регулярные члени функции напряжении, соответствующая процедуре не содержит операции дифференцирования реоультатов, получаемых экспериментально (то есть с по ревностью), что позволяет избежать дополнительных < гибок. В соответствии с отои процедурой с"я вычисления КИН используется соотношение

»^(0.v), yk " YK<в> ; v - коэффициент Пуассона материала.

Значения параметров хк и DnK находятся иа реюения системы уравнения (5)#.получяеиоЯ на основе иамероний в р точках с , использованием ИНК (р >> N). Количество направлений проовечивакня "к" и величины углов просвечивания 0К зависят от характера напркюньjro состояния в зог i трег.-шц.

Проводилась оценка влияния на точность вычисления КИН случайного разброса величины погреяности измерений. Так же, как и в главе 2, оценка точности выполнялась путем численных окспорикентоа о использованием в качестве тестовой задачи аналитического резания задачи о трещине в пластине нг граничеингх размеров при действии произвольно поправ/энной растягивающая ■ иагвусин. Для . расчета параметров хк иополъсоаалиоь данные в интервале 0,1 s r/a s 0.5. Полученные й&нна позволили сделать выгод о высокой точности предлагаемой процедуры определения КИН.

/■ '1 роботе выполнена апробация применяемых методики оптических измерений, способов обработки получаемых картин полоо н расчэто коооФИциентов интенсивности непряжения на

п+1/2 п+1/2

а " ri . >• (5)

основе экспер-иионтального решения тестовых оада<-' для различных типов напряженного состояния в зоне тревини. Проведены исследования полосы с краевой треамноя при депст"ИИ "чистого" изгиба, кругового цилиндра с продольный радиальным разрезом при деж .вин крутящего иомента и кругового цилиндра с внесним кольцевым разрезом при совместном действии растязгения и кручения (рис.5).

Сопоставление оксперинентпльнг полученных значений К^ и К^ "с величиями. напденними из аналитических решения соответствующих задач. показывает их хорошее совпадение: разница лежит в пределах 3%. 4% и 6% соответственно для 1-го, 2-го и 3-его из рассмотренных примеров.

Проведенные исследования позволяют сделать пиасд о достаточной яля практики точности определения КИН на осново обработки результатов оптических намерения п рассеян! т свете с использованием р эработаннип методики.

На основе выполненного теоретического анализа м проведанных оксперииентольнь.ч исследований в работе сделан вывод о том. что метод рассеянного света является наиболее простым и надежным способом определения кооФФицнентоэ интенсивности продольного сдвига Ка> имевший преимущества перед другими подходами. При проведении исследования конструкция о трещинами в общей случае комбинированного нагрухения на пространственных "заморажинаеиых" моделях Эффективным является применение метода рассеянного света (для определения К^) в сочетании с нормальным просвечиванием (для определения К^. и Кр) . Существенный здесь являемся то, что для измерения обоими метопами используется один срез, вывоааннип нормально к линии Фронта троанни.

0 четвертой главе п спязи с рассматриваемыми о работо практическими примерами определения КИН о элементах конструкцй энергетического оборудования рассмотрено опдачэ исследования процесс;, распространения трчвин п кусочно - однородных конструкциях, к таким элементам относятся латали, пыполненншэ ио рпономодульмых иатериалоо, а тпкхо материалы корпусов энергетического г>~орулования. ииегзио антикоррозионнуо наплавку с отличный от основно! о металла коэффициентом теплов'ого расширения, это обусловливает необходимость оценки оооио.ностн

19

Исследование прямого кругового шш:ндра с вневник колыдевна разрэзоя при двЗотвни растяжения и круче.nui

.яка*.

б)

г 4 в s а а « в«» в)

а)аартлка полос в зона трэгдаш, полученная L1FC 45°);

б)картина полос, полученная срн нормальной просвечивании; 1з)зпбйс1мости /ЭТХг), пояучаюке на основе 11РС

Pïxc.5

Краевая трэкз^а в биметаллической полосе

"i/

H Рйс.б

Распр0Д020!а;е Kj вдоль фронта трещины в биметаллическое ____обзчаЕзе корпуса

у?/

Pise .7

! Р 7 / j ! ¿SI7A 40 <[i/*4 ti

! L *aZ1M/£L__i »

<JÍ *' yw

1® w; U-.Jf A / / J*4*

применен я разработанных методик дли определения КИН в трещинах в кусочно - однородных телах. Задачи такого рода имеют ряд математических и экспериментально - методических особенностей.

В работе рассмотрены общие закономерности распределения наряжен т в зоне вершнны трещины, при ое расположении на границе стька рапномодульных материалов и указаны методические особенности обработки результатов оптических измерений для определения КИН, а также проведения исследований на плоских и пространственных мотелях.

юпрос о применимости методов, рпработанных о учугом асимптотических соотношения (1) для окспериментального решения задач в случаях, когда вершина трещины расположена в непосредственной близости от границы стыка PJинородных материалов, представляется весьма сложный. Вместо с тем он может быть решен эмпирическим путек. Если итерационный процесс определения КИН на основе обработки картины полоо в зоне трешины сходится, то найденное таким обрядом аналитическое представление поля напряжений в ооно трещины (коэффициенты ак Ьк в выражении (2) и. соответственно, = а^/2п , Кп » -Ь1/2п, е также "уточненное" координаты вершины трещины) в совокупности с пс ученный экспериментально распределением напряжения во всея детали в силу единственности решения задачи теории упругости следует считать решением рассматриваемой задачи.

С учетом особенностей напряженно - деформированного состояния в лоне трещины в кусоч ю - однородной рааноиодульном материале были проведены экспериментальные иссле;звания процесса распространения трещины через границу стыка. Рассматривались задачи о краевой трещине в биметаллической полосе и центральной тредине в трехслойной полосе при ааданных на бесконечности перемещениях. Экспериментальное исследование проводилось на плоских моделях, изготовленных из пластин оптически чувствительного материала ЭД - 2011. Путем соответствеуюиего подбора компонентов эпоксидного компаунда, в частности, изменения количества пластификатора, была получена серия пластин с различными модулями угругости.

для определения КИН по данный оптических измерения 1Рименялась разработанная методика. Экспериментально найденные значения К1 сопостаглялись с результатами аналитических решений

21

сооветствующих задач теории упругости, полученных В.П.Кулиевым. Следует отметить, что ре~ение соответствующих интегральных уравнения или их систем может Оыть получено только численными методами. При отон разработка устойчивых алгоритмов численного решения задач и их практическая реализация на OBU является достаточно сложной проблемой. Таким обрезом, сопоставление oí ;перимонтальных результатов с расчетными преследовало две цели: с дноя стороны - оценить погрешности экспериментального исследования, включающие погрешности моделирования и методики расчета Kj. по данным оптических измерений при приближении вершины трещины к границе раодела; с другой - убедиться в напжнс":ти применяемых для ресчета Kj алгоритмов и программ.

Проведенные иссл дования показали хорошее совпадение результатов окспериментов и расчетов: разница значений к^ не превышала 8%, а для большинства рассмотренных значения геометрических параметров составила не менее 5% .Следует с гыетить практически полное совпадение оксперимен галышх ч расчетных результатов. полученных для случаев расположения вершины трещины в непосредственной близости от границы стыка разнородных материалов Ла/а - 0,12 + 0.14 (ла - расстояние ог вершины трещины до границы стыка разнородных материалов.

На основе этих ^езульчатов били установлены некоторые общие закономерности зависимостей Kj от длины трещины и соотношения между упругим:: константами при прохождении трещины через границу стыка разнородных материалов.

В связи с нооЗхо&шостыо определения параметров трещиностойкосги биметаллических элементов корпусов реакторов (типа "корпусная ста г; - нержавеющий плакирующий слой из еустенитноп стеи"), выполненных из материале i с различными коэффициентами теплового расширения и работающих в услоциях высоких температур, в работе рассмотрены вопросы приме! эния метода механического моделирования термоупругих напряжений для исследований кусочно - однородных пространственных опьектов с треиинами. При отом на основе анализа особенностей тесмоупругог о напряженного состояния в зонах трещи*"' и результатов проведенных экспериментальных исследований модельной задачи показана эффективность применения методе чехеническог^ моделирования для определения КИН на 'ааиоражигаамых* оптических моделях. включая исследования

процесса рьспространения трещины черео границу стыка разнородных материалов с различными коэффициентами теплового расширения.

Пятая глава посвяие! i вопросам определения оотаточных напряжений в однородных плоских деталях на основе экспериментально найденной оааиоимооти коэффициента интенсивности напряжений от длины последовательно наращиваемой трешины.

Общая с эмс методики решения за; зчи об определении

остаточных напряжений заключается в злодуюдем. По линии, вдоль

ко-, эрой должк.' быть определены оотаточние напряжения,

дискретными шагами наращивается трещина. На кахдоь гчго в

окрестности вершины трещины экспериментально определяетоя поле

напряжений, по которому, в своп очередь, вычисляются величины

КИН. Соответствующие экспериментально найденные зависимости

Kj(x) и Кп(х) являются основе л для последующего расчета

оотаточных наг.ряжений о (х) л т (■•) . Этот метод, основанный на у ху

использовании трещины как индикатора, имеет преимущества перед другими подходами к определению остаточн. х напряжений (методом Отверстий или реореоки) из-оа существенно болев аыоокой чувствительности. Кроме того, оаги нараципания трещины могут Сыть весьма малыми (до i uu ), чти дает эоаможность определения остаточных напряжений в зонах их больших градиентов.

В работе получены аналитические соотношения, позволяющие определить напряжения, действующие на берегах ■ заевой трещины в биметаллической полосе (рис.6) 'остаточныо напряжение) на основе известных зависимостей Kj(x) и Н^(х), соответствующих действию не берегах треаины искомых напряжении 5у(х) и тху(х).

В частности, в случае, когда Ej » В2 , v^ » v2 и а/Н О, соответствующее выражение для определения остаточных напряжений 5у(х) имеет следующий вид

5у(х)« <d/dx)| It^U) (х2-т2) 1 di - | Ч1(т)я<х,т) di , (6)

где 7(а) « Кг(а) /.'аа ,

т(х,т)' » J Хт{1-ах)е"ах n(at)da , Я

n(cu) - (2/п)о|/2(1-ат cin<t)e~aXBln,t d<p

Для с фодвлони-i величин КИН в наращиваемых трещинах чспользуется метод фотсупругих покрытия. В работе рассмотрены методические вопросы, связанные о- применением отого метода при проведении исследования на натурных элементах конструкция.

Разработаны вопросы практического применен« i метода. На основе расчетов тестовой задачи, соответствующе!, разрывному ступенчато - линейному поли ост< -очных напряжения, вып лнены оценки точности процедуры определения остаточных напряжения по полученный енали" шеским йависимостям, показывавши. , что методика обеспечивает высокую точность результ тов.

g шестой заключительной главе наложены результаты практического применения поляриаационно - птических методов для нализа трь-»иностояк^сти типовых олементов атомных реакторов с трещинами при деистсии силовых и тепловых нагрузок, а также полей остаточных технологических напряжений. В зависимости от типа решаемой задачи и характера напряженно -деформированн го состояния в аоне трещины использованы различные методики проведения оптических измерения и обработки .их результатов для определения коофф- чиентов интенсивн сти напреяжения. сл'ьдует отметить, что особенности проведения исследований " - практических задач в некоторых случаях потребовали также рассмотрения специфических методических вопросов, а также' дополнительных оценок тостоверности получаемых результат

Pes льтаты исследований позволили выполнить уто>- юнныо оценки параметров тревииостсйкости олементов конструкция современного и перспективного онергетического оборудования на стадии проектирования.

С применением метода механичес :ого моделирования на пространстве чых "замораживаемых" оптических моделях проведены исследования кооФФиииентов интенсивности термоуподгих напряжений а - полузлли тических трещинах на внутренней поверхность биметаллического материала корпуса реактора. Приведен пример гсследования распределения КИН вдоль линии гонта TpeaHk.j, проходящей v pes границу раздела разнородных ветериа-ов осечаки корпуса реактора (о. • » П,6»10~б град-1.

— 6—1

а2 = 12, fl» 10 град ), при совместном действии внутреннего давления р = 2МПа .и температуры Т = 220° С (рио.7) Для определения величин КИН использовались разработанные методика и программа.

С : рименение" метода аотоупругих покр.тия были проведены исследования натурных биметаллических материалов цилиндрической обечайки корпуса реактора ВВЭР - 1000. Цельв исследования являлось определение КИН- в краевых трещинах на внутренней поверхности обечайки корпуса реактора ВВЭР - 1000 от действия лока -ьного поля остаточных напряжений в ооне соеди ения основного материала с плакировкой ив нержавеющей ауотенитной стали, возникающих в процессе ее наплавления.

Программа исследований содержала два основных о--па:

- определение КИН в краевых трешинах в зат.оииости от их длины в процесса распространения трещины от внутренней поверхности через плакирующий слоя в основной металл корпусь;

- расчет остаточных напряжения на основе, экспериментально «аяденной зависимости lijla). В своп о-.ередь, знал распределение остаточных напряжений в сечении биметаллического материала, можно с использованием численных или аналитических методов определить величины кооооицие^тов интенсивности напряжений в произвольно расположенных трещинах и соответствующей Ооне (например - в подкраових трещинах).

Другим важнейшим практическим примером разработанного в главе 5 метода является анализ остаточных напряжения о биметалле корпуса реактора ACT,' полученной иетодоц nt етноп прокатки. Изготов-ение из таких материалов коупногаг^ритных элементов энергетич ского оборудования вызывает необходимость выполнения большого количества сварных шв в, что требу«, г проведения все ,тороннего анализа особенностей напряженно -деформированного состояния (полол остаточных нап: яжения).

Исследовались натурные образцы, вырезанные из тимплетав биметаллического материала 10XH1U (основной металл) - 08Х18Н10Т (плакировка), с целью анализа локального распределения1^ остаточных наряжений в наиболее напряженной зоне материала зоне сварного шва.

Задача также решалась на основе приме.енил метода сотоупругих покрытий для определен я КИН в создаваемых трещинах и последующего •, расчета остаточных напряжйша по

¿5

экспериментально найденной зависимости Kj (а).

Проведенные исследования показали высокий уровень остаточных напряжения, возникающих в процессе нанесения на основной материал обечайки корг 'са ВВОР-ЮОО нержавеющей наплавки (до - 320 ЫПа) (рис.8), а та же при принятой технологии чоготовления корпусов ACT (до - 540 una). Это обусловливает необходимость уччта остаточных 'напряжений лри расчете ресурса конструкций.

В заключите 'ьном раздела главы изложены результаты исследований КИН 'в трещинах, распространяющихся из зоны сварного шва соединения обечайки и крышки корпуса энергетической установки, обусловленных действием высоких переменных внутренних давлений (рис. 9а). как показал опыт производства и оксплуе-ации конструкций, имеющих сварные соединения подобногс типа, вследствие труднодоступности и несовершенства технологии в области корня вьа (в местах стыка ocHQL.-ioro материала и сьарного шва) возможно ''аличие зон непровара,' Фактически являющихся исходными трещинвми. В связи с отим. программа работ в обоснование прочнооти конструкции включала комплексные исследования полномасштабного образца указанной осны при его нагружении модельной нагрузкой, имитирующей действие внутреннего давления в корпусе. Конфигурация образца, моделирующая ос ювные геометрические особенности рассматриваемой зоны конструкции корпуса и способ его нагруже. ля, были разработаны с учетом результатов расчетных и экспериментальных и?следования, которые показали, что распределение меридиональных напряжений в р осматриваемом сечении корпуса мо_ат выть юалиооввно на основе действия растяги.лощего усилия (рис.9б).

Экспериментальные исследования КИН проводились'

непосредственно при циклических испытаниях натурного образца на

испытате/ ной машине 2Л11 0/400 (максимальная растягивающая

нагрузка Р...„ - 2000 КН) с применен..ем фотоупругнх покрытий мах

(рис.9в,г). В процессе циклических испытаний образцов и развития трещины определялась зависимость величин К^ и Kj>, от длины трещины; при отом «.качения КИН были получены на основе разработанных методики и программы по данным оптических измерений в фоюупругом покрытии. с учетом полученных результатов, а также установленных пр. испытаниях

Исч-ледсзанил бзагатаяличесхих обечаек корпусов роактороо

да

40

| м 20

0

-200

а)

-400

X, им

б)

КПа

а)карт!ша полос в зона трегяны (цорлус реисгора АСж);

б) распределение К^(х) к б3(0С) (корпус реактора ВВЭР-ЮОО)

Рис.8

Исс! давание оны сварасо соединения корпусе

0100

б)

__...........^..Еяш^'3»5"™---*'1"

г. \

-л.

ГгУ • ¡Г—> -,—г

И

г)

в)картика полос в зоне ».¿ходнП трепяни-непровара;

г)изобращение чартины полос, восстановленное насЭШ

Р!1С .9

функциональных зависимостей скорости роста трещины от числа циклов нагружения была пос'роена кинетическая диаграмма роста трещины.

Получь.аные результаты были пе1 доны проектной организации для использования при расчете соответс вуюоего олеиента конструкции корпуса онергетическоя установки на циклическую трещиностоякость с учетом реальной истории нагружения.

В заключение приведены основные научно - методические и практические результаты работы и выводы, сделанные на основе анализа отих результатов.

ОСНОВНЧВ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

I.Таким образом, в диссертационной работе с общих позиция рассмотрены вопроси определения коэффициентов интенсивности напр] хения в пространственных олеиентах кон трукций с применением поляриоационно - оптических методов. С учетом имеющихся публикаций проанализированы возможности оффективного применения различных направления поляриоационно - оптического метода (метода "о«иораживан"я", методе фотоупругих покрытия, метода рассеянного свата и г.г>.) для определения К1< кп и К^ в зависимости от типа залечи и характера и-пряженного состояния в зоне трешины и сФормулированы научно - методические вопросы, требующие I рвения. В соответствии с поставленной задачей раоработаны методики и прогорании, обеспечивающие возможность надежного определения коэффициентов интенсивное.л напряжений К1> кп и Кщ в общей случае трех.ерного напряженного состояния а зоне трс ..ины на основе обработки результатов г^ляризационно -оптических измерений, проводимых при прямом просвечивании моделей и срезов, .а также в отраженной срчто ( о применением фотоупруг' < покрытия) рас эянном свете.

В связи со спецификой ряда решаемых в работе практических задач рас» трены вопросы применимости методик определе"ия коэффициентов интенсивности напряжений по данным оптич^ких измерения ■ олучввс прохо_дения трещины через границу стыка разнородных материалов.

Особое место в работе занимает разработка методики лределения остаточных напряжений я кусочно однородных

г" .

элемента., кс ютрукция на основе экспериментально найденноя зависимости коэффициентов интенсивности напряжения К^ и Кп от плины последовательно нараиипаомоя краэвся треиины. Этот метод имеет принципиальные преимущества перед другими подходами к эп: зделе.шю ост; точных тапряжений из-за ' более высокой ■(увствительнооти и возможности исследования зон о высокими градиентами напряжения.

С использованием разработанных методик проведены экспериментальные * ^следования на оптических моделях и натурных 5брв!«иах элементов конструкция онергет1 леского оборудования, юказываюдие эффективность их применения для решения Фактических за"ач.

Направления проведенных исследования л основныа р-'оу пьтаты >аботы относятся к нескольким группам:

1.Анализ известных методических подходов к определению •.ооффициентов интенсивности напряжения поляриоационно штическими матодаии в зависни-сти от тию напряженного юстояния в оо,:е трещин!'.

2.Разработка методик определения коэффициентов нтенсивности напряжений на основе с'работки результатов оляризационно - оптических измерения а зоне тревины; оценка очности методик при решении аадач различного типа.

3.Анализ продолов применииост» разработанных и известных етодик определения коэффициентов интенсивности нопря: эний при ешении практических . задач, выхс .яаих за ранк" исходных

г

остановок.

4.Разработка :етодики определения остаточных напряжения в энах высоких градиентов напряжения по экспериментально апденним зависимостям К^(х) и

5.Исследования на оптических моделях процесса аспространения треиины через границу раздела разнородных зтериалов, позволившие установить некоторые обоие акономерности зависимости коэффициентов интенсивности . »пряжения от геоиетичедких параметров.

6.Исследования коэффициентов интенсивности напряжения и . :таточных напряжения в натурных образцах элементов конструкция (ергетического оборудования.

II. На основе проведенных исследования и разработок можно

о

¡олать следуюциэ основные выводы.

1. Методические подходы, применяемые пои проведении экспериментальных исследогтний для решения оадач линейной механики разрушения н* основе поляриаационно - оптических методов, включая моделирование технику эксперимента, оптические измерения, принципиально не отлич. отся от известных методик, ис ользуемых для решения упругих задач о концентрации н"пряжений при действии.силовых -л тепловых нагрузок. В то же время практическая невозможность создания в моделях идеальных математических с зрезов заданной конфигурации, а также эк чительные погрешности поляриаационно - оптических измерения, свяаанные с высокими градиентами напряжений а зоне вершины трецинн и другими Факторами, обусловливают необходимое!о в отих случаях решения ряде» сг. .^цифических научно - методических вопросов.

2. При исследованиях напряженного состояния в телах с трещинами поляризационно -• оптическими методами на моделях и "атуиных обьоктах в окрестности вершины треи"<ны всегда существует область, где имеют чеото значительные погрешности иоделироэания; эта зона должна быть исключена из рассмотрения при определении коофоиционтов интенсивности напряжения на основе результатов оптичеекчх иоиерени.. Это обстоятельство, в свою очередь, требует учета.чаряду с асимптотическим решением

' задачи регулярных членов ее зтвзтеть/вщего аналитического представления поля напряжений в зоне трещины.

3.Наиболее надежными способами определения коэффициентов интенсивности напряжет .* неооснове данных оптических измерений в проходящем свете являются подходы, основанные на обработке полученной инфориоции. с иримеиением метода наименьших квадратна; при чтом существенным Фактором, пов'-шаюиим точность результатов, является использование процедуры, позволяющее уточнить положение вершины трошчни. соотаетств"юще£ эксперимс .тально полученно.. картине полос.

4.Методы определения коэффициентов интенсивности напряжений ..о данным измерений в проходящем свете, исключающие

. из рассмотрения зону, расположенную в непосредственной ОлиАрст» от вершины трещины, обеспечивают высокую точность при и> использсвании для обработки результатов оптических измерений с отраженном свете, полученных с применением Фотоупруги) покрытия.

Ч)

5.1 _)инц-пиально новые возможности исследования задач механики разрушения открывает метод рассеянного света; в тс же время область его применения имеет определенные ограничения, связанные с характером напряженного состояния в зоне трещины. ОС ^абот. а данных оптичесих измерения, полученных истодом рассеянного света, для определения коэффициентов интенсивности напряжения в отличие от исследования этим методом задач о чапряженно - деформированном состоянии, не связана о процедурой дифференцирования -еэультатов оптических измерения.

б.Новые возможности исследовани- полей остпт чных напряжения открывает использование й качестве их индикатора последовательно ( раииваеиоя краевой трещины. Соответствующая методика инеет значительные преимущества пере., другими подходами к определению остаточных напряхь-ния из-за высокой чувствительности и возможности проведения исследования в зонах высоких градиентов напряжения.

<

Ш. Оснорчые конк^етнге результаты работы ыогут быть сформулированы следующим образом.

1.Разработана метод 1ка и програн"а для ЭВН расчета коэффициентов инти.чсивности напряжения при комбинированной нагружении по данный поляризационно - оптических измерения, исключающая влияние локальной гео"етрии зоны вершины трещины и соотношения между величинами К^ и К^ на то1-юсть их определения. На основе чи ленных экспериментов и экспериментальных исследований -остовых задач поведены оценки точности опроделе' чя коэффициентов интенсивности напря> лшя в зависимости от по: решности исходных санных, выбора зоны исходной информации и других Факторов.

2.Для определения погрешности метода фотоупругих покрытия при измерениях в зонах высоких градиент<_а напряжений вариационно - разностный методом выполнены расчеты предложенных модельных задач. Наядены количественные оценки дополнительноя погрешности метода Фотоупругих покрытий, обуслоэленноя неравномерностью распределения деформаш") пб толщине покрытия, и показано, что разработанная четоди! -з цозет бить использованг для определения коэффициентов интенсивности напряжения по данным оптических измерения в готоупругом покрытии при исследованиях нату;.".-шх объектов с трещинами. ^

3.С общих позиция рассмотрены методические вопрвои определения и Кш в пр странственных деталях с трещинами на основе обработки информации, получаемой методом рассеянного света. Установлены оптимальные .управления просвечивания в зависимости от типа напряженного состояния х. зоне трещины и

. имеющиеся о. ¿аничения.

4.Разработана методика расчёт" коэффициентов интенсивности напряжен ш на основе обработки картин полос, наблюдаемых в рассеянном свете. Выполнены оценки влияния погрешностей ис. одних данных на точность получаемых результатов. Про«юдрчо апробация методик оптических измерений, способов обработки картин полос и расчета кооФФициентов интенсивности напряжений на основе окспоримок -елъпого решен'я тестовых задач для различных типов напряжен; ->го состояния, показывающая, что они обеспечивают требуемую для практики точность результатов.

э.Покезено, что метод рассеянного света являет я наиболее простым й надежным ¿пособом определения кооФФициентов интенсивности напряжений продольного сдвига К„, . При проведении исследований конструкция с трещинами в общем случае комбинированного нагруения Ьи пространственных

"замораживаемых" ыодэлях наиболее эффективным является применение метола рассеянного' света мля определения Кщ в сочетании с нормальным просвечиванием срезов для определения К^ и к„.

6.С учето" особе.» юсоэй напряженно - деформированного состояния в зоне вершины трещины и результатов проведенных экспериментальных иссл 'Дования выполнен анализ методических вопросоь применения поляризационно - оптичест :х методов для определения коэффициентов интенсивности напряжений в треоинах в олемечтах конструкций, выполненных на ра"юродних материале ч.

7.Пр ¿едены экспериментальные исследования на оптических моделях процесса распространения трещины через границу стыка разноыодулььде материалов, позволившие установить некоторые обшие законопрности •зависимости коэффициента интенсивности напряжений К^ от геометрических и упругих параметров.

8.Получены«аналитические выражения для расчета остаточных непряжения в элементах конструкций, выполненных из кусочно -однородных материалов по экспег"иенталь,.о найденным

■ ' ч - ' .

зависимостям К^(х) и Кп(х) в последовательно наращиваемой краевой трещине в биметаллической полосе, что существе шо расширяет область практического применения соответствующего метода исследования остаточных напряжения. Показано, что методика обеспеч! )ает высокую точность расчета остаточных напряжения а зонах высоких градиентов (включая разрывные поля остаточных напряжений). Рассмотрены вопросы практической ; еализации методики при исследованиях натурных образцов.

9.Ueгодом к панического моделирования проведены исследования коэффициентов интенсигчости терцоуп,/гих напряжений в полуоллиптических 'трещинах на внутренней поверхности ци"и: дрическол обечайки корпуса энергетической установки, проходящих через границу ' раздела i: нородных материалов с различными коэффициентами теплового расаирения.

10.На основе экспериментальных исследований натурных образцов с применением метода фотоупругих покрытий определены коэффициенты интенсивности напряжений в килевых трещинях в биметаллически- материа-чх оючапки корпуса ВВЭР-1000 и аоны сварного шва обечайки корпуса реактора ACT. С использованием разработанной методики определены поля локальных технологических остаточных напряжения в образцах.

11.Проведены экспериментальные исследования Полномасштабного натурного образца сварного соединения обечапки и крызжи корпуса энергетической устеновки о -рецинами, развивающимися из зоны корня св-рного вва, при нагружении образца уси^мем, моделирующим действие внутреннего давления. С использованием пс тученных данных и результатов цик/ ческих испытаний образцов слла определена кинетическая диаграмма роста трещины, необходимая для расчета соответс-. jynaero олеиенти конструкции на циклическую треаиностойкость.

12.Проведенные экспериментальные исследования на моделях и натурных образцах показывают эффективность разработанных методик и применяемых подходов для решения/ практических аадач определения коэффициентов интенсивности, а также остаточных напряжений. ' - .

Основное содержание диссертации изложен«, в. следующих

работах:

1. Пригоровский H. И.', Разумовский И.Д., Лверес Ы.Н., Фомин A.B.

33

Исследование напряжения в сложных пространственны» конструкциях // Ыето/ фотоупругооти: Материалы 8-ог Всес.конф. - Таллинн, »979. Т.З. С.212-2X9.

2.Евстратоь Б.Н., Пригоровскии Н.И., Разумовский И.А. Исследование термоупругих напряжений а слс ¿них конструкция) методой и панического моделирования // Метод фотоупругости: Материалы 8-оЯ Всес.конф. - Та^л'шн. 1979, Т.2', С.201-204.

3.Евстрстов Б.Н., Пригоровския H.H., Разумовский И.А. Исследование т ¿моупругих напряжений в пространственны:

инструкциях энергетического оборудования мето.-о1 механического моделирования // Исследование напряжений i констоукциях / Псд ред. Н.И.Пригоровского. - И., 1980, с.56-66.

4.Разумовский И.А., Фомш А.. Расчет температурных напряжения i : юнородных резьбовых соединениях // Исследование напряжонш в конструкциях / Под ред. Н.И.Пригоровскиго. - М., 1980, с.1о2 - 109.

5.Prigorovskiy N.I., Dveres M.N., Panskih V.K., RaEumovski} I.A., Fomin A.V. The investigation oi deformation and_ stress fields in the mechanical engineeringg utrustures /, Experimentax stress analyls: Pros. 2.th Int.Conf.- Karlov; Vary, 1982. V.l. P.5-14. .

6.Разумовский И.А., Тананов • .и., ^.лавкин Г.А. Метод! исследования напряженно - деформированного состояния i вязкости разрушения биметаллических материалов, олементо! конструкция и деталей гашю' // Теория машин и механизмов Тезисы докладов 2-го.Всес.съезда. - Одесса, 198L. Т.1. С. 121

"/.Кахутов H.A., Таналов А.И., Разумовский И.А., Слзвкик Г.А Напряь-нное состояние и вязкость разрушения С металлов и и: сварнь.х соединений при различных видах исходных трещин /, Структура и свойства металлических 'атериалоа в шиг koi диапазон : температур: Тез..сы докладов 10-го Всес.совещания. Новокузнецк, 1982. С.98-99.

в.Махугов К А., Танзноа А.И., А.П.Черняев, Г.А.Славк-н И. А. Раэумовс-иа. Особенности хрупкого резрушэния Kopny'iMÖi стали при наличи! корроаионностоякого плакирующего слоя. Тач же. С.99-101.

9.Разумовский H.A. Концентрация напряжений в зона; внутрикоопусных наделок при наличии наплавн.1 и действш

силов х и -еплових нагрузок // Методы исследования напряжония в конструкциях энергетического оборудования / Под ред. Н.И.Пригоровского. - М.,1983. С.29-36.

0.Разумовский И. А. Метод фотоупругих покрытия при исследованиях i зоь-х больших градиентов напряжения // Машиноведение. -1984.- Ш. -С. 34-87.

1.Лютц0у В.Г., Нахутов H.A., Разумовский И.А., Тананов А.И., Синайский В.М. Методы и средства физико - неханичеоких исследований н пряхенно - деформированного состояния, структурных из"енений и прочности биыс аллических мате,?ь .алов. Варна - 1984. - 12 с. - Депоч. а Институте научно технической инс ->риации nFS.

2.Разумовский И.А. Определение коэффициентов ин.-нс»внооти термоупругих напряжения в трещинах в деталях из биметаллических материалов на обьеаных оптических моделях II Машиноведение. - 1985. - N2. - С.70-76.

3.Разумовский И.А. Определение К^, Кп и на оптических моделях иетпом расср-шно'э света пуи смешанном нагрууении // Интерференционно - оптяческиа методы ыаханики деформируемого

твердого тела и механ1..си горных поро : Тезисы семинара. -Новосибирск, 19Ó5, 1935. —С. 133-134.

14.Разумопскип И.л., Кокшаров И.И. Определение коэффициентов интенсивности напряжений Кт и Кп по данный измерения полярисационно - оптическими 'методами. - Там аса, С 86-87.

15.Разумовский и.Л., Дверес .Н. Анализ погрешностей определе.-.ия остаточных начряжений цетоом «отоупругих покритио по со ааваеиим в обрасе трещинам. - Тац же. С. 88-89.

16.Танеков Л.И., Разумовский И.А. Определение характеристик прочности vИмeт8ЛЛOD при статическом нагружении // Нормирование прочности и ресурса зысоконагр^женных иавин:' Тезисы докладов на Всес. симпозиуме. - Владимир, 1986. - С. 184-185.

17.Таненоз А.И., Разумовский H.A., Казачкова P.a., Конседэра-iбва г.Н. Микромеханические ' особенности поведения биметаллов при статическом нагружении // , Структура I. г.рочность материалов в широком диапазоне температур: Тезисы

докладов 12-го Есео. совещания. - Иоеква, 1986. С. 77-78.

.. _ . О

.Разумовский И.л., Кскшароэ и.и. Определение коэффициентов

интенсивности напряжений при смешанной нагружении на основе .обработки данных изис >ений поляриоационно - оптический; методами // Машиноведение. - 1987. - W2. -С.44-50.

19.Dveres M.N., FomlnA.V., Razun^vskiy I.A., Slnayskiy V.M. Calculated - experimental methods £01 residue1. stress ostimat. on // Proc. IHECO 5th TC 7th Simposium. - Plzen, 1987. V.l. P.164-169.

20.Pan: ювекия И.А. Определение коэффициентов интенсивности напряжения Kg, К^ и к^ поляриоационно - оптическими методам!' а однородных и кусочно - однородных деталях и образца- с трещинами // Заводская лаборатории - 1988. - N 10. С.«Ч-64.

21.Разумовский И.А., "ajiHn А.H. При*' нение метода расоеянногс света для определени. коэффициентов интенсивности напряжение

- в общем случае нагружения пространственных деталей < трещинами // иашиноведение. - 1S89. - N1. - С.111-118,

*?2.0ораэцов И.©.. Кулиев В.Д., Разумовский И.А., »асоалисечо« Н.Э. К проблеме раорушенит биметаллических материалов ; краевой трещиной // Доклады АН СССР, - 198S. - 30S, N3, - С. '570-574.

23.Кулиев В.Д., Раоумовски" И.А., Фарь^либеков Н.Э., Казачковг Р.З. Теоретическое и экспериментальное исследование процесс: разрушения многослойных мате, иалоэ с трещиной IJ Прочность, жесткооть и технолс ччность изделий из композиционна материалов: Тезисы докладов 3-ей чеее.коно. - Запорояье, 5989. С.112 с

24.Кулиев В.Д., Разумовский И.А., ФарзолиОехоз H.J., Казачков* Р.З. Теоретическое •■ окспериыентальноэ исследование процесс« разрешения "иметалличерких материалов с Kpt воя трекиноя, Tau же, С.113.

25.Иахутов H.A., ' Разумовский И.А. Опг гделение козффищ mtoi интен ¡вности напряжении в пространственных конструкциях < трещинами поляриоационно - оптическими методами /, Испытать...ьное оборудование для окспериментал ны; исследовак й механических свойств материалов и конструкций : Тезисы докладоЗ международной конференции ИЦЕКО. - Москве, 1989. С. 113-"114.

26.Кулиев Р.Д., Разумовский. И.А. К проблеме определение остаточных напряжений в биметаллах / ' Доклады АН СССР.

о ■».

1990. 31? N3. - С. 561-565.

7.Hachutov N.A.. Razumovskiy I.A. Metody urcvanl paromet-ru lorr.ove roechaniky v konstrukcnlch eleraentech energetlckych zarizeni // Experimental! Analyze Napeti: Prace 28 ronfei. ¿nee. - Svratka (CP"R), 1990. S.1C J-201 (на чепскоц языке).

!8.Machutov И.A., Razumovskiy I.A.. Koksharov I.I. A SwUdy of the state of stress and- strain and crack resistance u. 3er nixed-mbde loadirg // Streinght and Fracture. - 1991. - v.l, ' N.. - P.55-68.

n

!9.Кулиев В.Д., Раэуиовскии И.А., злочевская О.Б. Краевая трещина в х. ухслояних материалах. Аналитические и экспериментальные методы определения хрупкой пр- 'чости и остаточных напряжений // научно - технически.! прогресс в машиностроении. - 1991. - Bun.29. - С.72-82.

1ЫАШ All СССГ.Зг-ч. 76.1арз= ПО гхсз. Подпксааов в печа'х£ 10.07^21.

о