автореферат диссертации по кораблестроению, 05.08.05, диссертация на тему:Прогнозирование начальной стадии усталостного разрушения судовых гребных валов

На правах рукописи

4857854

Чура Михаил Николаевич

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ НАЧАЛЬНОЙ СТАДИИ УСТАЛОСТНОГО РАЗРУШЕНИЯ СУДОВЫХ ГРЕБНЫХ ВАЛОВ

Специальность 05.08.05 - Судовые энергетические установки и их элементы (главные и вспомогательные)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических паук

2 С ОПТ 2011

Новороссийск - 2011

4857854

Работа выполнена в Федеральном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Морская государственная академия имени адмирала Ф.Ф. Ушакова».

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Файвисович Александр Викторович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Иванченко Александр Андреевич

кандидат технических наук, доцент Пальчик Казимир Беркович

Ведущая организация: ОАО «Ростовское центральное проектно-

конструкторское бюро «Стапель»

Защита состоится «28» октября 2011 года в 12.00 часов на заседании диссертационного совета Д 223.007.01 при ФГОУ ВПО «Морская государственная академия имени адмирала Ф.Ф. Ушакова» по адресу: 353918, г. Новороссийск, пр. Ленина, 93

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО «Морская государственная академия имени адмирала Ф.Ф. Ушакова».

Отзывы на автореферат, заверенные печатью организации, присылать ученому секретарю диссертационного совета по адресу: 353918, г. Новороссийск, пр. Ленина, 93. ФГОУ ВПО «Морская государственная академия имени адмирала Ф.Ф. Ушакова»

Автореферат разослан «27» сентября 2011 года.

Ученый секретарь диссертационного сомха^ Д 223.007.01, доктор технических наук, доцент,

Хекерт

Общая характеристика работы

Опыт эксплуатации конструкций различного назначения, в том числе морских и речных судов, показывает, что их надежность в эксплуатации в существенной степени зависит от прочности и долговечности конструктивных элементов. Известно, что подавляющее большинство конструктивных элементов при эксплуатации воспринимают переменные во времени нагрузки, которые являются основным условием возникновения и развития усталостного разрушения. Это в полной степени относится к судовым гребным валам, тем более что в этом случае процесс усталостного разрушения происходит при одновременном воздействии на вал поверхностно-активной среды -морской или пресной воды. Выявленные причины повреждений гребных валов показывают, что большая часть повреждений (более 60% случаев) явились следствием усталости и коррозионной усталости гребных валов.

Существующая тенденция к увеличению мощности энергетических установок, применяемых на транспортных судах, повышает риск усталостных разрушений пропульсивного комплекса судна и гребного вала, в частности. Восстановление, ремонт и замена этих элементов, особенно подводной части судна, производят только после вывода судна из эксплуатации. Поэтому вопросы прогнозирования технического состояния таких элементов играют важную роль в процессе эксплуатации судна и снижении непроизводственных затрат судовладельца, связанных с простоем судна.

В настоящее время известны методики, прогнозирования роста усталостных макротрещин. В тоже время, процесс зарождения и распространения малых усталостных трещин освещен в литературе недостаточно полно, несмотря на то, что именно на эту стадию приходится значительная доля полной долговечности конструктивных элементов. Прогнозирование процессов зарождения и развития малых трещин важно еще и потому, что трещина на этой стадии имеет размеры порядка нескольких зерен микроструктуры материала и находится на грани возможности обнаружения методами промышленной дефектоскопии, что не позволяет контролировать процесс ее роста при эксплуатации судна.

Актуальность работы определяется необходимостью количественной оценки длительности начальной стадии процесса усталостного разрушения гребных валов и установления критических размеров трещинооб-разных дефектов.

Объектом исследования являются судовые гребные валы.

Предметом исследований является кинетика малых усталостных трещин.

Целью работы является создание методики прогнозирования начальной стадии усталостного разрушения судовых гребных валов.

Для достижения поставленной дели потребовалось решить следующие задачи:

1. Провести анализ существующих критериев усталостной прочности, применяемых к начальной стадии усталостного разрушения.

2. Опытным путем установить закономерности кинетики малых трещин в конструкционном материале судового гребного вала при испытании образцов на воздухе и в морской воде.

3. Создать феноменологическую и математическую модели, описывающие рост малых усталостных трещин в поликристаллическом материале.

4. Разработать методику прогнозирования начальной стадии усталостного разрушения судовых гребных валов, позволяющую решать различные прикладные задачи, связанные с их эксплуатацией.

Методы исследования. Основные теоретические и экспериментальные результаты, представленные в диссертации, получены с помощью математического аппарата механики деформированного твердого тела, в том числе численных методов, и проведении лабораторных испытаний образцов на испытательных машинах, включая эксперименты на вновь разработанной установке.

На защиту выносятся следующие научные результаты:

1. Кинетические закономерности роста малой усталостной трещины в стали 35 на воздухе и в морской воде.

2. Феноменологическая и математическая модели начальной стадии усталостного разрушения конструкционных поликристаллических материалов.

3. Методика прогнозирования начальной стадии усталостного разрушения судовых гребных валов.

Новизна первого научного результата заключается в установлении существенных отличительных особенностей кинетики малой трещины от кинетики макротрещины и количественном определении границы перехода малой трещины в макротрещину.

Новизна второго научного результата заключается в формулировании основных закономерностей кинетики роста малой трещины, составляющих основу предложенной феноменологической модели.

Новизна третьего научного результата состоит в разработке новой расчетной методики прогнозирования начальной стадии усталостного разрушения судового гребного вала.

Достоверность научных результатов обеспечивается использованием испытательного и измерительного оборудования, прошедшего соответствующие поверки, и использованием в проведении эксперимента методик в соответствии с действующими нормативными документами. Результаты рас-

4

четов, выполненные с помощью предлагаемой методики прогнозирования продолжительности начальной стадии усталостного разрушения судовых гребных валов, находятся в удовлетворительном соответствии с данными лабораторных испытаний и с фактическими данными наработки гребных валов.

Практическая ценность работы. Материалы работы были использованы на трех предприятиях, осуществляющих эксплуатацию морских судов в Азово-Черноморском бассейне, при решении задач, связанных с ремонтом и эксплуатацией судовых гребных валов. В частности для определения рабочего ресурса гребного вала при планировании мероприятий по его ремонту и замене, а так же для определения наиболее опасных зон на поверхности вала.

Разработанная методика прогнозирования может быть использована проектными и судоремонтными организациями для оценки прочности и ресурса гребных валов судов или других конструктивных элементов, выполненных из исследуемого материала.

Апробация результатов исследования. Основные результаты исследований докладывались, обсуждались и получили одобрение на: трех академических научно-практических конференциях; трех городских научно-практических конференциях; трех региональных научно-технических конференциях; одной всероссийской научной конференции; трех международных научно-практических конференциях.

Основные результаты диссертационных исследований опубликованы в 18 научных трудах, из них 2 статьи по перечню ВАК Мииобрнауки РФ, имеется 3 акта внедрения судоходными компаниями (ООО «ЮгБункерСервис-Кавказ», ООО «Альфамарин», ООО «Балт-Марин») и 1 акт внедрения судоремонтным предприятием (ОАО «Новороссийский судоремонтный завод»).

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, 8 приложений, списка использованной литературы, включающего 104 наименования. Работа изложена на 126 страницах машинописного текста, содержит 64 иллюстрации и 21 таблицу.

Краткое содержание работы

В первой главе рассмотрены вопросы эксплуатационных повреждений гребных валов. Анализ статистических данных показал, что порядка 9% аварий судов связаны с отказами валопроводов. Рассмотрены известные предложения о делении процесса усталостного разрушения на стадии, отмечено, что начальная стадия усталостного разрушения включает в себя этапы зарождения и роста малой усталостной трещины

Выполнен анализ существующих критериев начальной стадии усталостного разрушения, который позволил выделить несколько основных направления моделирования процесса, среди которых:

• критерии механики рассеянных повреждений, основанные на применении параметра поврежденности материала;

• энергетические критерии усталостного разрушения, основанные на применении параметра рассеянной энергии;

• критерии, использующие подходы линейной механики разрушения.

На основе выполненного анализа данных литературных источников сделаны выводы, определены цели и задачи диссертационной работы. Научной целью диссертационной работы является создание феноменологической и математической моделей кинетики малых трещин в материалах гребных валов с учетом конструктивных особенностей и условий их нагружения.

Практической целью диссертационной работы является создание методики прогнозирования кинетики малых трещин с учетом условий эксплуатации гребных валов.

Определены задачи, которые необходимо решить для достижения поставленных целей:

• исследование механических свойств конструкционного материала гребного вала в условиях статического и циклического нагружения на воздухе и в морской воде;

• изучение кинетики усталостных повреждений, развивающихся в поверхностном слое гладких образцов материала гребного вала, на стадии роста малых трещин;

• установление и формулирование основных закономерностей роста малых трещин в конструкционном материале гребного вала;

• создания феноменологической и математической моделей процесса развития малых трещин;

• проведение численного анализа напряженно-деформированного состояния гребного вала с учетом его конструктивных особенностей, геометрии и условий нагружения;

• создания методики прогнозирования начальной стадии накопления и роста усталостных повреждений в гребных валах.

Создание методики прогнозирования кинетики и продолжительности роста малых трещин позволит решать такие прикладные задачи, как:

• устанавливать допускаемый (безопасный) размер трещинообраз-ного дефекта в зависимости от его расположения и условий нагружения гребного вала;

• определять продолжительность остаточного рабочего ресурса гребного вала в зависимости от размера и местоположения имеющегося трещинооборазного дефекта;

• принимать оптимальные решения при выборе технологий ремонта гребного вала с трещинообразным дефектом;

• использовать расчетные данные по кинетике малых трещин при планировании продолжительности межосмотровых периодов гребного вала, а также на стадии их проектирования.

Во второй главе описана методика и оборудование, использованное в экспериментальных исследованиях. Для проведения усталостных испытаний гладких образцов на воздухе и в морской воде была использована установка МУИ-6000 со специально изготовленной проточной камерой. Для исследования кинетики роста трещин и микроструктуры материала использовался металлографический микроскоп ММУ-ЗУ4.2 с цифровой фотокамерой Canon Power Shot ASO.

При проведении испытаний образцов в условиях совместного действия изгиба и кручения была использована разработанная автором установка (Решение о выдаче патента от 7 июня 2011г. по заявке № 2010125542/28(036271) в Роспатент).

Анализ микроструктуры стали 35 выполнялся методом сравнения с эталонными шкалами. По данным статических испытаний образцов были получены диаграммы растяжения стали 35.

Кривые усталостного разрушения стали 35 (рис. 1), устанавливающие связь между максимальным значением напряжений цикла нагружения и долговечностью образца построены по данным усталостных испытаний. Для данных кривых выполнен расчет границ 95%-ной доверительной области, определены коэффициенты корреляции.

Исследование процесса зарождения усталостных трещин и дальнейшего их роста (кинетики) было проведено при испытании образцов на воздухе и в морской воде. Сделан вывод о том, что уже после сравнительно непродолжительного времени нагружения (1 - 3% от общей долговечности) на поверхности образца появлялись трещинообразные дефекты длиной 10-30 мкм.

При дальнейшем нагружении количество зародившихся трещин увеличивалось и наблюдался прирост ранее появившихся трещин. Отмечено, что на начальной стадии испытаний образцов ориентация зародившихся микротрещин относительно оси приложения нагрузки хаотична. Это свидетельствует о существенном влиянии на ранней стадии формирования рассеянных усталостных повреждений произвольной ориентации по объему образца зерен микроструктуры материала, границы которых являются локальнымн силовыми барьерами для микротрещин, а также о существенной неоднородности локального напряженно-деформированного состояния конструкционного поликристаллического материала.

Рис. 1 Кривые усталостного разрушения образцов стали 35 на воздухе и в морской воде

Отмечалось зарождение и небольшой прирост микротрещин в пределах границ одного зерна и при напряжениях ниже предела выносливости стали 35 на воздухе (при <7= 220 МПа), но при дальнейшем нагружении рост трещин прекращался. Это означает, что в пределах границ силовых барьеров, которыми выступают границы зерен, образование микротрещин возможно и при уровнях циклических напряжений ниже предела выносливости на воздухе, но для дальнейшего их роста, связанного с преодолением границ зерен, при испытании образцов на воздухе требуется уровень напряжений выше, чем предел выносливости. Этот вывод подтверждается экспериментальными данными кинетики микротрещин при испытании образцов в морской воде при напряжениях ниже предела выносливости материала на воздухе. В этом случае зародившиеся микротрещины продолжают свое развитие, преодолевая границы зерен, что объясняется специфическим действием коррозионной среды (морской воды), обуславливающей протекание электрохимического процесса в устье трещины, облегчающего преодолевание границ зерен.

Процесс зарождения и роста трещин на ранней стадии усталостного разрушения на основании полученных экспериментальных данных можно представить следующим образом. Для стали 35, как и для большинства углеродистых сталей, характерно зарождение трещин в телах зерен, нежели на их границах. При испытании образца при напряжениях выше предела выносли-

вости микротрещина развивается в пределах, границ зерна, а затем приостанавливает свой рост. Границы зерен, фаз или включений играют роль силовых барьеров, у трещин не хватает энергетического потенциала для преодоления этих барьеров. По мере дальнейшего нагружения происходит накопление трещиной энергии деформаций, что в конечном итоге приводит к прохождению трещиной силового барьера. Аналогичная ситуация происходит при достижении следующей границы зерна, однако в этом случае трещина имеет сравнительно больший размер, соответственно представляет собой более сильный концентратор напряжений, поэтому процесс преодоления силового барьера происходит быстрее. На ранней стадии усталостного разрушения зарождается множество трещин различных размеров и ориентации. При дальнейшем нагружении образца происходит развитие всех микротрещин, но с разной скоростью, что связано как с неоднородностью напряженно-деформированного состояния различных зерен, так и с наличием локальных силовых барьеров на пути развития этих трещин. На начальном этапе испытаний образца выделяются по интенсивности своего развития, как правило, 2 - 4 основные трещины, которые в дальнейшем, взаимодействуя между собой, могут сливаться в одну магистральную макротрещину, имеющую характерный размер на порядок больший размера зерна. Развитие процесса усталостного разрушения путем слияния близко расположенных друг от друга микротрещин характерен для различных конструкционных поликристаллических материалов, в том числе и для стали 35.

На рисунке 2 приведен пример такого явления.

Рис. 2 Слияние двух микротрещин (атах = 300 МПа) а) при N = 60 ООО циклов нагружения; б) при М= 75 ООО циклов нагружения

Как видно на фото «а» в процессе циклического нагружения образца образовались и самостоятельно развивались до некоторого размера, сопоставимого с размером зерна, две трещины примерно одной ориентации. Являясь концентраторами напряжений, они создали перед собой напряженно-деформированное состояние, обусловившее дальнейшее их слияние, что и показано на фото «б». Вновь образовавшаяся трещина скачкообразно увеличила свой размер, и дальнейшее ее развитие уже проходило по механизму, соответствующему макротрещине. Данный пример еще раз характеризует специфику развития процесса усталостного разрушения на стадии малой трещины, заключающуюся в существенной рассеянности микроповрежений по объему материала, в неравномерности их роста и возможности взаимодействия, в том числе, слияния.

Пример кинетики малой трещины с момента ее возникновения и до образования магистральной макротрещины приведен на рисунке 3.

По данным графика изменения средней скорости роста малой трещины следует отметить, что ее кинетика в пределах размера примерно 200 мкм, что на порядок больше характерного размера зерна стали 35, представляет собой весьма неравномерный характер. Это подтверждает специфику развития малой трещины, на которую существенное влияние оказывает наличие силовых барьеров, таких как границ зерен. Дальнейший рост трещины характеризуется устойчивым увеличением ее скорости, что характерно для развития макротрещин. Можно сделать вывод о том, что малая трещина переходит в статус макротрещины именно в тот момент, когда барьеры микроструктуры перестают оказывать заметное влияние на скорость ее роста.

Полученные экспериментальные данные кинетики трещины позволили провести анализ продолжительности стадий зарождения микротрещины, развития малой трещины и развития макротрещины (рис. 4.).

Из рисунка видно, что данные, соответствующие зарождению микротрещин подвержены существенному разбросу и, соответственно, более широкому доверительному интервалу, чем аналогичные данные по завершению стадии малой трещины.

Это еще раз подтверждает основной вывод о специфичности кинетики усталостного разрушения на его ранних стадиях. Таким образом, продолжительностью второй стадии разрушения можно считать количество циклов, прошедших с момента зарождения микротрещины до момента формирования макротрещины, на которую микроструктурные барьеры уже не оказывают заметного влияния.

Область локализации повреждений

■ . ■ 1 19 43 54 64 147

168 ' 462

N. цикл 1, мкм

¡10 000 19

150 ООО 43

200 ООО 54

250 ООО 64

300 ООО ¡47

350 ООО 168

400 ООО 462

450 ООО 1728

480 ООО 2991

490 ООО 5513

500 ООО 7713

3 (>. 1 % (1.01 =§ о.схп 0.0001

уЛУ

10

300 мкм

100

1000

Рис. 3 Развитие трещины в образце при а ~ 260 МПа

10000

100000

1000000

10000000 М цикл

Рис. 4 Кривые усталостного разрушения, зарождения трещин и перехода к стадии развития макротрещины

В третьей главе сформулированы базовые положения разработанной модели, которые в своей совокупности рассматриваются как феноменологическая модель стадии роста малой трещины:

1) Объектом применения предлагаемой модели является стадия роста малой трещины, временной интервал которой определяется левой границей -моментом зарождения в зерне конструкционного материала микротрещины с характерным размером сопоставимым с размером зерна, 1<с/, и правой границей - моментом перехода малой трещины в макротрещину, / = Ш.

2) Развитие малой трещины в пределах зерна рассматривается как ее рост в сплошной однородной среде с интегральными механическими характеристиками данного конструкционного материала.

3) Напряженно-деформированное состояние отдельного зерна конструкционного материала считается как среднестатистическое и определяется из внешних нагрузок на образец и интегральных механических характеристик материала.

4) Средняя скорость роста малой трещины не зависит от изменения ее размера и определяется параметрами цикла переменных напряжений.

5) Кинетика роста малой трещины в экспериментальном образце и реальном конструктивном элементе считается одинаковой.

6) Влияние коррозионной среды сводится к изменению средней скорости роста малой трещины за счет облегчения деформирования поверхностного слоя образца (эффект Ребиндера) и снижения сопротивления силовых барьеров (границ зерен).

Эти положения лежат в основе математической модели.

Анализ кинетики трещины (рис. 5-7) позволяет сделать вывод: трещины размером меньше 10с1ср имеют значительно больший разброс значений параметра скорости роста, нежели трещины с размером, превышающим величину 104:р. Это объясняется существенным влиянием на рост малой трещины различных силовых барьеров, в первую очередь, границ зерен. Очевидно, что на данном этапе разрушения малая трещина не проявляет себя как мощный концентратор напряжений, в отличие от макротрещины, на рост которой границы зерен не оказывают заметного влияния.

Характерные особенности кинетики малой трещины хорошо видны при рассмотрении данных роста отдельных трещин. На рис. 8—10 приведены наиболее характерные экспериментальные данные по кинетике поверхностных трещин в гладких образцах стали 35. Кроме точек, соответствующих экспериментальным данным, на рисунках показаны пунктиром полосы разброса.

Анализ этих данных позволяет сделать следующие выводы:

1) полоса разброса для значений скорости роста трещины размером меньше 10с1ср (малая трещина) существенно больше полосы разброса для трещины размером больше Юс1ср (макротрещина);

2) скорость малой трещины во всем своем диапазоне длины практически не изменяется (не зависит от длины трещины) и зависит только от величины напряжения (малая трещина не проявляет себя в качестве концентратора напряжений), тогда как скорость макротрещины существенно зависит и от ее длины: с увеличением размера трещины ее скорость заметно возрастает;

3) размер трещины \®Ыср можно принять за правую границу второй стадии разрушения, соответствующей развитию малой трещины.

Данные выводы являются экспериментальным подтверждением принятых положений 1 и 4, приведенные в феноменологической модели.

Полная долговечность конструктивного элемента определяется как сумма циклов нагружения, затрачиваемых на три стадии разрушения:

где N1 - стадия зарождения микротрещины (в пределах среднего диаметра зерна); Ыц - стадия роста малой трещины; Л® - стадия роста макротрещины.

Используя выводы по кинетике малой трещины, и зная количественное определение правой границы первой стадии, численное прогнозирование стадии N¡1 можно свести к определению средней скорости роста малой трещины

NP=N¡+N11+N¡

п

ш >

(1)

а 104

(2)

«ТУ И,, '

ш ■

(3)

dim,

м/цикл

10*

103

iff10 •

Iff"

0,!

10'

dim,

м/цикл

Iff5

10"

Iff''

0,1

Iff1

dim,

м/цикл

1Г

1CP

Iff"

ю-

0.1

г/* л ° о : о" : : о ТрС^ЕКЗ 1

с ■ : . а . : о Трсцкяа 2

• - -Q---- .... ' '

и ; .........: о Традкнг 3

<>

р & Трацина4

-

100

WOO

ltd

Рис. 5 Кинетика трещины при = 240МПа

; : о jo

......................................х. о : о : о Трещина 1 Трещина2 <> Трещина 3 Д Трещкка4 ■ х • Трещина 5 * Трещина б

д- ° : <>*? йо .................. ¿л *

Ж : х ~! X

ю

100

1000

lid

Рис. 6 Кинетика трещины при атах = 260МПа

т

о*

¡■¿I-

од а; а

......ох-Р

■хо о:

I mil 1

rrt—

10

TTt

too

о Трещина 1

о Треща ка 2

о Трещина 3

• Д. Трещина 4

- х- Трещина 5

l/d

1030

Рис. 7 Кинетика трещины при а^ = 280МПа 14

240 ШЬ

düdN,

м/цикл „ 10

10"

10"

L-o>

О S -Ь

"О о О ;

5 —i—i < iiiiii—i—.....«i

■ ; ,--*"о, i .......i

о . °ó i ; :

—. .......i о ; : ; .JP..J i : ■ • .'....i—■ i.....i—■ ■ ...."i

0,1

100 1000 0.1 lid

100 1000 lid

Рис. 8 Изменение скорости роста трещин при а„Ю1 = 240МПа

260 Ш1а

10" düdN, м/цикл 10*

10'"

о/ ; ' i •

/о ; : 1 :

6"------

o

o

.........T........... i 'i'?'' i

-....... Уо/ i i " °"<3'?......"""i...........i ° o; j í

—■ .......i

-r-n-T^i-- . ......i........'i

0.1

10

100 1000 0.1 lid

10

íoo íooo lid

Рис. 9 Изменение скорости роста трещин при а^ = 260МПа

280 МПа

„ , ,10 düdN,

м/цикл

10 е

10"

10'"

.....-.....V.....y'" i -o

,ro

.....«V 1

o o; • O . ' . . .!,.........

<3.....¡ i

-i i 1 mili-1 i тimií-i i......

; /о t О/

У У ° °y

> <ь 1 i

—. i......i—. i...mi —.......

0.1

¡00 ЮОО 0,1 lid

10

100 1000 lid

Рис. 10 Изменение скорости роста трещин при отах = 280МПа

Первое и второе слагаемые в правой части (3) определены по результатам эксперимента и представляют собой зависимости от наибольших значений напряжений цикла нагружения

# = (4)

X, ах- (5)

Продолжительность третьей стадии роста макротрещины: ЛГ Я

где ДЛК1) - функция от размаха коэффициента интенсивности напряжений ЛК1, определяется исходя из условий нагружения и геометрии образца; 1кр, ~ критический размер трещины, предшествующий полному разрушению;

7кр = , (7)

здесь X - относительная длина трещины по поверхности, находится из формулы:

Г = 6 А,87-3,272 +8,29Л2)

при выполнении условия 0,16 < Я <0,5,

где У - безразмерный коэффициент, зависящий от относительного размера трещины, определяемый по формуле:

ж- (9)

У _ -^/с

шах

здесь К\]с - критический коэффициент интенсивности напряжений.

С учетом выражений (3) - (7), средняя скорость малой трещины (2) может быть определена по формуле:

<я _ 104,

М ь ь, г л ■ (10)

- - I —-—

1<Ч„ ДА/м)

Полученное выражение (10) средней скорости роста малой трещины может быть несколько преобразовано, если объединить первую и вторую стадии разрушения. Это действие не внесет существенную ошибку в определение средней скорости роста малой трещины, т.к. протяженность стадии зарождения микротрещины (N1) существенно меньше стадии роста малой трещины (Ыц). При этом не потребуется экспериментально находить коэффициенты выражения (5), что существенно упростит использование предлагаемой модели и методики расчета реального вала.

Выражение средней скорости малой трещины, Уср, с учетом указанных изменений, примет следующий вид

1 Ысп

у ----У----

" ср /

<й ■ (11)

/(Л*,)

Рассмотрим сходимость результатов расчета продолжительности стадии роста малых трещин по предложенной модели с экспериментальными данными, полученными на образцах стали 35, а также с результатами расчета по известной модели Хобсона-Брауна (рис. 11).

-Расчет по модели автора

о Результаты эксперимента

Ш Относительное отклонение расчета по модел Хобсона-Браува от эксперимента

□ Относительное отклонение расчета по модели автора от эксперимента

-1—г

400000

200000

600000

800000

"таю 300 МП а

Огаоснтельное отклонение ме:аду расчетными и эксперт.! ентальныыи данными 0% 10% 20% .30% 40% 50%

1000000 ТУ, ЦИКЛ

Рис. 11 Сравнительной анализ расчета по предложенной модели с экспериментальными данными и результатами расчета по модели Хобсона-Брауна

Сравнение полученных расчетных данных с результатами эксперимента показали, что предлагаемая в данной работе модель дает удовлетворительные результаты прогнозирования продолжительности стадии роста малой трещины (относительная погрешность не превышает 10% относительно данных эксперимента).

: Методика расчета продолжительности начальной стадии усталостного разрушения может быть представлен следующим алгоритмом (рис. 12):

Рис. 12 Алгоритм расчета начальной стадии усталостного разрушения гребного вала

Итогом расчетов является продолжительность начальной сгадии усталостного разрушения, выраженная в количестве циклов нагружения.

В четвертой главе представлен расчет гребного вала, включающий в себя определение действующих нагрузок и напряженно-деформированного состояния гребного вала методом конечных элементов.

В работе рассматривались систематические нагрузки, такие как крутящий момент, сила упора винта, контактное давление на поверхность посадки винта, сила тяжести вала и винта, гидродинамический момент в вертикальной плоскости.

Результаты расчета гребного вала (рис. 13) показали, что наибольшие напряжения возникают в районе кромки кормовой облицовки, конуса посадки гребного винта и шпоночного паза, что согласуется со статистическими данными. Конструктивная особенность вала т/х «Волгонефть» заключается в

том, что кормовая опора расположена консольно вне корпуса судна, что затрудняет процесс обслуживания и диагностирования протечек морской воды.

Согласно расчету продолжительность первых двух стадий усталостного разрушения гребного вала т/х «Волгонефть» пр. 1557/550А составляет 21 1 330 523 циклов нагружения, что соответствует порядка 9 392 часа.

Рис. 13 Распределение эквивалентных напряжений по Мизесу по поверхности вала

Согласно данным Средне-Волжского управления Российского речного регистра наработка гребного вала до обнаружения повреждений составила от 8 500, до 40 ООО часов (рис. 14), при этом средняя наработка гребного вала составила 18 020 часов (рассматривались суда типа «Волгонефть» проектов 550,558, 1577, 550А).

Эта информация приведена на рисунке 14, где точками указана продолжительность работы гребных валов до обнаружения в них заметных трещино-образных дефектов. Пунктирной линией показано расчетное значение продолжительности начальной стадии усталостного разрушения гребного вала судов указанных выше проектов, а сплошной - общая долговечность гребного вала.

50000 т

40000

-о

о

30000

■О

О

20000

О

"О

о о

10000 -

0

Рис. 14 Наработка гребных валов до обнаружения повреждений, час

Сопоставляя эксплуатационные данные (точки) с результатами расчета (пунктирная линия) можно отметить, что фактические значения наработки гребного вала до момента обнаружения трещин, в общем, совпадают с расчетными, а некоторое превышение фактической наработки объясняется условиями эксплуатации гребного вала на долевых режимах работы главного двигателя.

Основными результатами выполненных лабораторных и теоретических исследований являются следующее:

1. Выполнен статистический анализ повреждений и поломок гребных валов судов на основе данных доступных литературных источников.

2. Установлены качественные и количественные закономерности кинетики малых усталостных трещин в конструкционном материале судового гребного вала (сталь 35), как при испытании образцов на воздухе, так и в морской воде, с использованием специально разработанной автором испытательной установки.

3. Приведено количественное обоснование момента перехода малой усталостной трещины в макротрещину.

4. Сформулированы основные положения феноменологической модели начальной стадии усталостного разрушения на основе установленных в рамках данной работы основных закономерностей кинетики малых усталостных трещин.

Заключение

5. Предложена математическая модель и методика прогнозирования начальной стадии усталостного разрушения судового гребного вала, позволяющая:

- определить продолжительность начальной стадии усталостного разрушения гребного вала (до возникновения макротрещины) в зависимости от условий его эксплуатации;

- оценить остаточный рабочий ресурс гребного вала;

- установить допускаемые безопасные характерные размеры дефектов в зависимости от их местоположения, геометрии и режима нагружения гребного вала;

- получить количественную информацию о локальной прочности гребного вала при решении эксплуатационных и ремонтных задач.

6. Осуществлена проверка результатов расчета по предложенной методике на сходимость с данными эксперимента и результатами расчетов, выполненными по моделям других авторов.

7. Выполнен расчет продолжительности начальной стадии усталостного разрушения гребного вала т/х «Волгонефть» пр. 1577/550А. Результаты расчета сравнивались с фактической наработкой валов до обнаружения в них трещин, отмечено взаимное соответствие данных.

Материалы работы были использованы тремя судоходными компаниями, осуществляющих деятельность в Азово-Черноморском бассейне, при решении задач, связанных с ремонтом и эксплуатацией судовых гребных валов.

Основные публикации по теме диссертации в изданиях по перечню ВАК Минобрнауки РФ:

1.Чура, М.Н. Разработка электроискровой установки для нанесения инициирующих надрезов/ М.Н. Чура, P.A. Починков // Изв. вузов Сев.-Кавк. регион. Спецвыпуск. Техн. науки.- 2008 - С. 84-88. (№ 70416 по перечню ВАК 2008 г.)

2. Чура, М.Н. Методика прогнозирования роста малых усталостных трещин в гребных валах морских судов // Эксплуатац. мор. тр-та. 2011 №1 (63). С. 59 - 63. (№ 2044 по перечню ВАК 2011 г.)

Другие публикации

3.Починков, P.A. Кинетика начальной стадии усталостного разрушения в никель-алюминиевых бронзах/ Р.А.Починков, Чура М.Н. // Мат. VIII город-

ской науч.-практ. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых. - Пятигорск: изд. ПГЛУ, 2008. - С. 73 - 77.

4. Починков, P.A. Влияние термообработки на развитие усталостного разрушения никель-алюминиевых бронз/ P.A. Починков, М.Н. Чура // Мат. VIII городской науч.-практ. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых. -Пятигорск: изд. ПГЛУ, 2008. - С. 77 - 81.

5. Файвисович, A.B. Методика проведения и статистическая обработка результатов усталостного эксперимента / A.B. Файвисович, М.Н. Чура, P.A. Починков // Проблемы эксплуатации водного транспорта и подготовка кадров на Юге России: мат. VII региональн. науч.-техн. конф. в 2 ч.: Ч. 2. -Новороссийск: МГА им. адм. Ф.Ф. Ушакова, 2008. - С. 63 - 65.

6. Чура, М.Н. Влияние содержания углерода на место зарождения малых трещин в микроструктуре углеродистых сталей // Бъдещи изследвания: мат. V международн. науч.-практ. конф.: Том 11. - София: Бял ГРАД-БГ ООД, 2009.-С. 38-41.

7. Чура, М.Н. Влияние коррозионной среды на кинетику начальной стадии усталостного разрушения углеродистой стали // Мат. IX городской науч.-практ. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых. - Новороссийск: РИО НПИ КубГТУ, 2009. - С. 136 - 141.

8. Чура, М.Н. Кинетика начальной стадии усталостного разрушения углеродистой стали И Сб. науч. трудов МГА. Вып. 14. - Новороссийск: МГА им. адм. Ф.Ф.Ушакова, 2009. - С. 75 - 77.

9. Чура, М.Н. Стадии процесса развития малых трещин в углеродистой стали // Бъдещи изследвания: мат. VI международн. Науч.-практич. конф.: Том 14. - София: Бял ГРАД-БГ ООД, 2010. - С. 14 - 17.

10. Чура, М.Н. Развитие малых трещин в углеродистой стали. Стадии процесса разрушения // Новое поколение в науке: сб. тезисов науч.-практич. конф. - Новороссийск: МГА им. адм. Ф.Ф. Ушакова, 2009. - С. 24 - 25.

11. Чура, М.Н. Анализ статистических данных повреждений гребных валов // Проблемы эксплуатации водного транспорта и подготовки кадров на Юге России: мат. VIII per. науч.-техн. конф. в 2ч.: 4.2. -Новороссийск: МГА им. адм. Ф.Ф.Ушакова, 2010. - С. 43-45.

12. Чура, М.Н. Определение продолжительности стадии развития малой трещины при расчетах гребных валов на усталость // Современное состояние и приоритеты развития фундаментальных наук в регионах: труды VII Всеросс. науч. конф. молодых ученых и студентов в 2 т.: Т. 2. - Краснодар: Просвещение-Юг, 2010. - С. 176 - 178.

13. Чура, М.Н. Анализ напряженно-деформированного состояния гребных валов судов типа «Волгонефть» пр. 1557/550А / М.Н. Чура, С.Г. Ярошевич //

Новое поколение в науке: сб. тезисов науч.-практич. конф. - Новороссийск: МГА им. адм. Ф.Ф. Ушакова, 2010. - С. 26 - 29.

14. Починков, P.A. Некоторые вопросы усталостной прочности сложных динамических систем / P.A. Починков, М.Н. Чура // Инновация, экология и ресурсосберегающие технологии на предприятиях машиностроения, авиастроения, транспорта и сельского хозяйства: труды IX международн. науч,-техн. конф. - Ростов н/Д: ИЦ ДГТУ, 2010 - С. XX - XX.

15. Чура М.Н., Файвисович A.B. Усталостное разрушение судовых гребных валов: отчет по НИР. Деп. ВНТИЦ номер госрегистрации № 01201061435, инвентарный номер № 02201056756,2010 -51 с.

Формат 60x80 1416. Тираж 100. Заказ 2121 Отпечатано в редакционно-издательском отделе ФГОУ ВПО «Морская государственная академия имени адмирала Ф.Ф.Ушакова» 353918, г. Новороссийск, прЛенина, 93

Введение

1 Литературный обзор

1.1 Эксплуатационные повреждения гребных валов

1.2 Стадийность процесса усталостного разрушения

1.3 Прогнозирование кинетики малых трещин

1.3.1 Критерии механики рассеянных повреждений

1.3.2 Энергетические критерии, основанные на параметре рассеянной энергии

1.3.3 Критерии, использующие подходы механики разрушения

1.4 Методики расчета гребных валов

1.5 Выводы по результатам обзора

2 Результаты экспериментальных исследований

2.1 Методика проведения испытаний

2.1.1 Испытательные машины

2.1.2 Вспомогательное оборудование

2.1.3 Образцы для проведения испытаний

2.2 Результаты испытаний

2.2.1 Анализ микроструктуры материала

2.2.2 Результаты статических испытаний образцов

2.2.3 Результаты усталостных испытаний образцов

2.2.4 Кинетика малых трещин

3 Моделирование стадии роста малой трещины

3.1 Базовые положения феноменологической модели

3.2 Математическая модель роста малой трещины

3.3 Методика прогнозирования долговечности вала с трещиной

4 Прогнозирование долговечности гребных валов

4.1 Анализ напряженно-деформированного состояния гребного вала

4.1.1 Определение сил, приложенных к гребному валу

4.1.2 Расчет напряженно-деформированного состояния вала

4.2 Определение возможных мест зарождения трещин

4.2.1 Трещины в районе кромки кормовой облицовки гребного вала

4.2.2 Трещины в районе конуса посадки гребного винта на вал

4.2.3 Трещины в районе шпоночного паза

4.3 Расчет гребного вала т/х «Волгонефть» пр. 1557/550А

4.3.1 Расчет продолжительности начальной стадии усталостного разрушения гребного вала

4.3.2 Сравнение полученных результатов с фактическими данными 101 Заключение 103 Литература 105 Приложения 116 Приложение 1 Протокол химического анализа стали 116 Приложение 2 Эскизы испытательных образцов 117 Приложение 3 Протоколы испытаний УММ 119 Приложение 4 Сводный протокол испытаний МУИ (на воздухе) 122 Приложение 5 Статистическая обработка результатов испытаний 123 Приложение 6 Сводный протокол испытаний МУИ (в морской воде) 125 Приложение 7 Распределение главных напряжений по поверхности гребного вала по результатам расчета методом конечных элементов 126 Приложение 8 Акты внедрения результатов работы

Опыт эксплуатации конструкций различного назначения, в том: числе морских; и речных судов, показывает, что их надежность в, эксплуатации в существенной, степени зависит от прочности, недолговечности конструктивных-элементов. Известно, что подавляющее; большинство- конструктивных элементов«при эксплуатации воспринимают переменные во времени? нагрузки; которые являются основным;условием возникновения; и развития, усталостного разрушения. Это в полной степени относится к судовым гребным валам, тем более что в этом случае процессусталостного разрушения-происходит пррг одновременном: воздействиюитвал поверхностно-активной среды морской^ или пресною воды. Выявленные: причины повреждений: гребных валов" показывают, что большая? часть« повреждений (более 60% случаев) явились следствием,усталости и коррозионной усталости гребных валов.

Существующая тенденция к увеличению мощности энергетических установок, применяемых па транспортных судах, повышает риск, усталостных разрушений пропульсивного комплекса судна и гребного вала, в частности. Восстановление, ремонт и замена этих элементов, особенно; подводной части судна, производят только после вывода судна из эксплуатации. Поэтому вопросы прогнозирования технического состояния таких элементов играют важную> роль в процессе эксплуатации, судна и снижении непроизводственных затрат судовладельца, связанных с простоем судна. ,

В настоящее время известны, методики, прогнозирования роста усталостных макротрещпн. В тоже время, процесс зарождения и распространения малых усталостных трещин освещен в литературе недостаточно полно-,, несмотря на то; что именно; на эту стадию; приходится значительная«доля полной долговечности конструктивных элементов. Прогнозирование процессов зарождения- и развития малых трещин важно еще и потому, что трещина на этой стадии имеет размеры порядка нескольких зерен микроструктуры материала, и находится; на грани возможности обнаружения* методами промышленной дефектоскопии, что не позволяет контролировать процесс ее роста при эксплуатации судна.

Актуальность работы определяется необходимостью количественной оценки длительности начальной стадии процесса усталостного разрушения гребных валов и установления критических размеров трещинооб-разных дефектов.

Объектом исследования являются судовые гребные валы.

Предметом исследований является кинетика малых усталостных трещин.

Целью работы является создание методики прогнозирования начальной стадии усталостного разрушения судовых гребных валов.

Для достижения поставленной цели потребовалось решить следующие задачи:

1. Провести анализ существующих критериев усталостной прочности, применяемых к начальной стадии усталостного разрушения.

2. Опытным путем установить закономерности кинетики малых трещин в конструкционном материале судового гребного вала при испытании образцов на воздухе и в .морской воде. с

3. Создать феноменологическую и математическую модели, описывающие рост малых усталостных трещин в поликристаллическом материале.

4. Разработать методику прогнозирования начальной стадии усталостного разрушения судовых гребных валов, позволяющую решать различные прикладные задачи, связанные с их эксплуатацией.

Методы исследования. Основные теоретические и экспериментальные результаты, представленные в диссертации, получены с помощью математического аппарата механики деформированного твердого тела, в том числе численных методов, и проведении лабораторных испытаний образцов на испытательных машинах, включая эксперименты на вновь разработанной установке.

На защиту выносятся следующие научные результаты:

1. Кинетические закономерности роста малой усталостной трещины в стали 35 на воздухе и в морской воде.

2. Феноменологическая и математическая модели начальной стадии усталостного- разрушения конструкционных поликристаллических материалов.

3. Методика прогнозирования' начальной стадии усталостного разрушения судовых гребных валов.

Новизна, первого научного результата заключается в установлении существенных отличительных особенностей кинетики малой трещины- от кинетики макротрещины1 и количественном определении границы перехода малой трещины в макротрещину.

Новизна второго научного-результата^ заключается в формулировании основных закономерностей кинетики роста малой трещины, составляющих основу предложенной феноменологической модели.

Новизна третьего научного результата состоит в разработке новой расчетной методики прогнозирования начальной стадии усталостного разрушения судового гребного вала.

Достоверность научных результатов обеспечивается использованием испытательного и измерительного оборудования, прошедшего соответствующие поверки, и использованием в проведении эксперимента методик в. соответствии с действующими нормативными документами. Результаты расчетов, выполненные с помощью предлагаемой методики, прогнозирования продолжительности начальной стадии усталостного разрушения судовых гребных валов, находятся в удовлетворительном соответствии с данными лабораторных испытаний и с фактическими данными наработки гребных валов.

Практическая ценность работы. Материалы работы были использованы на четырех предприятиях, осуществляющих эксплуатацию морских судов в Азово-Черноморском бассейне, при решении задач, связанных с ремонтом и эксплуатацией судовых гребных валов. В частности для определения 6 рабочего ресурса гребного вала при планировании мероприятий по его ремонту и замене, а так же для определения наиболее опасных зон на поверхности вала.

Разработанная- методика прогнозирования может быть использована проектными и судоремонтными организациями для оценки прочности и ресурса гребных валов, судов или других конструктивных элементов, выполненных из исследуемого материала.

Апробация, результатов исследования. Основные результаты* исследований докладывались, обсуждались-и получили одобрение на: VIII, IX, X городской научно-практической конференции' студентов, аспирантов и молодых ученых: «Молодая наука» (Новороссийск, 2008, 2009, 2010); VII, VIII, IX региональной научно-технической конференции: «Проблемы эксплуатации водного транспорта и подготовка кадров на Юге России» (Новороссийск, 2008, 2009, 2010); академической научно-практической конференции курсантов «Новое поколение в науке» (Новороссийск 2005, 2009, 2010); V, VI международной научно-практической конференции: «Бъдещи изследвания» (София, 2009, 2010); VII Всероссийской научной конференции молодых ученых и студентов'«Современное состояние и приоритеты.развития фундаментальных наук в регионах» (Анапа, 2010); IX международной научно-технической конференции «Инновация, экология» и ресурсосберегающие технологии на предприятиях машиностроения» (Ростов-на-Дону, 2010).

Структура- и5 объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, 8 приложений, списка использованной литературы, включающего 130 наименований. Работа изложена на 131 странице машинописного текста, содержит 63 иллюстрации и 22 таблицы.

Результаты исследования кинетики малых трещин (испытания на воздухе) сг = 285 М] Па (7 = 275 М Па ^ а =265 МПа

ТУ, цикл /, мкм с11Ш ТУ, цикл /, мкм с!1Ш ТУ, цикл /, мкм Ш/сШ

20 ООО 43 0.00215 40 000 32 0.0032 110 000 21 0.0021

40 ООО 58 0.00075 т 50 000 40 0.0008 120 000 26 0.0005'

60 ООО 104 0.0023 60 000 47 0.0007 130 000 32 0.0006

80 ООО 118 0.0007 1 70 000 64 0.0017 1150 000 36 0.000333

100 000 123 0.00025 80 000 89 0.0025 200 000 181 0.0029

120 000^ 156 0.00165 90 000' 108 0.0019 250 000 329 0.00296

140 000 208 0.0026 5100 000 167 0:0059- 300 000 357 0.00056

160000 360 0.0076 150 000 238 0.00142 350 000 624 0:00534

180 000 790 0.0215 5 200 000 304 0.00132 * 400*000 1284 0.0132

200 000 1354 0.0282 !250 000 923 0.01238 450 000 3372 0.04176

220 000 2273 0.04595 300 000 3103 0.0436 500 000 7086 0.07428

240 000 3894 0.08105 350 000 6333 0.0646 *

260 000 5887 0.09965

7 = 255 МПа а = 285 МПа

ТУ, цикл /, мкм с!1Ш ТУ, цикл /, мкм с11Ш

180 000 13 0.00007 200 000 11 0.00011

190 000 22 0.00018 300 000 24 0.00013

200 000 46 0.00048 400 000 87 0.00063'

250000 51 0.0001 500 000 114 0.00027

300 000 64 0.00026* 600 000 453 0.00339

350 000 350 0.00608 1 700 000 587 0.00134

400 000 410 0.0012 800 000 887 0.003

500 000 734 0.00324 900 000 1478 0.00591

600 000 1624 0.0089 1 000 000 2586 0.01108

700 000 4371 0.02747 1 100 000 4713 0.02127

800 000 7860 0.03489 1 200 000 9624 0.04911

Кривые зависимости скорости роста трещин (рис. 2.23, 2.24) позволяют определить момент перехода трещины в стадию развития макротрещи

3 Моделирование стадии роста малой трещины 3.1 Базовые положения феноменологической модели

Приведенные в данной работе результаты исследования процесса усталостного« разрушения стали 35 на воздухе и в морской» воде, и кинетики малых трещин явились основой для формулирования базовых положений^ разработанной модели. Изложим эти положения, которые в своей совокупности рассматриваются как феноменологическая- модель стадии^ роста малой трещины.

1) Объектом применения предлагаемой модели является стадия роста малой трещины, временной интервал которой определяется левой границей -моментом зарождения в зерне конструкционного материала микротрещины с характерным размером сопоставимым с размером зерна, l<d, и правой, границей - моментом перехода малой трещины в макротрещину, / = \Qd.

2) Развитие малой трещины в пределах зерна рассматривается как ее рост в сплошной однородной среде с интегральными механическими характеристиками данного конструкционного материала.

3) Напряженно-деформированное состояние отдельного зерна конструкционного материала считается как среднестатистическое и определяется из внешних нагрузок на образец и интегральных механических характеристик материала.

4) Средняя скорость роста малой трещины не зависит от изменения ее размера и определяется параметрами цикла переменных напряжений.

5) Кинетика роста малой трещины в экспериментальном образце и реальном конструктивном элементе считается одинаковой.

6) Влияние коррозионной среды сводится к изменению средней скорости роста малой трещины за счет облегчения деформирования поверхностного слоя образца (эффект Ребиндера [108]) и снижения сопротивления силовых барьеров (границ зерен) [109 - 111].

3.2 Математическая модель роста малой трещины

В основе математической модели используются > положения феноменологической модели, представленные в разделе 3.1, и основные закономерности роста малой трещины, полученные в результате эксперимента образцов стали 35 на воздухе и в морской воде.

Считается, что полная долговечность конструктивного элемента (образца) определяется как сумма циклов нагружения, затрачиваемых на три характерных стадии процесса разрушения:

3.1) где N1 — стадия зарождения микротрещины размером, не превышающим средний диаметр зерна структуры конструкционного материала; N¡1 — стадия роста малой трещины; Ыщ - стадия роста макротрещины.

Для определения правой границы стадии роста малой трещины, соответствующей переходу к макротрещине, проведем анализ и установим характерные особенности кинетики трещины на данной стадии разрушения. На рис.3.1 - 3.3 приведены результаты испытаний образцов на воздухе с различными максимальными напряжениями цикла нагружения.

Анализ приведенных данных позволяет сделать следующий основной вывод: трещины размером меньше 10Лср имеют значительно больший разброс значений параметра скорости роста, нежели трещины с размером, превышающим величину 10с1ср. Это объясняется существенным влиянием на рост малой трещины различных силовых барьеров, в первую очередь, границ зерен. Очевидно, что на данном этапе разрушения малая трещина не проявляет себя как мощный концентратор напряжений, в отличие от макротрещины, на рост которой границы зерен не оказывают заметного влияния.

Ж=^7' ^ где

Л^ЛГ-Л^-А^. (3.3)

Первое и второе слагаемые в правой части (3.3) определены по результатам эксперимента и представляют собой зависимости от наибольших значений напряжений цикла нагружения = (3-4) и

3-5)

Продолжительность третьей стадии роста макротрещины определяется численно по следующей формуле кр

10 С(ср М где /(.'ДК])- функция от размаха коэффициента интенсивности напряжений ЛК], определяется исходя из условий нагружения и геометрии образца; 1кр,т критический размер трещины, предшествующий моменту полного разрушения образца.

3.7) где X - относительная длина трещины по поверхности образца, определяется из уравнения:

Г = 6ЛУг (1,87 - 3,27Я + 8,29Я2 ), при выполнении условия 0,16 < Л < 0,5 где У — безразмерный коэффициент, зависящий от относительного размера трещины, определяемый по формуле [112]:

80 где К1/с - критический коэффициент интенсивности напряжений (для материала сталь 35 Кус = 26,3 МПал/м [113]).

С учетом выражений (3.3) — (3.7), средняя скорость малой трещины (3.2) может быть определена по формуле:

Ш Ю йср т ъ ь, ) ¿1 ■ (3.10)

Полученное выражение (ЗЛО) средней скорости роста малой трещины может быть несколько преобразовано, если объединить первую и вторую стадии разрушения. Это действие не внесет существенную ошибку в определение средней скорости роста малой трещины, т.к. протяженность стадии зарождения микротрещины (/V/) существенно меньше стадии роста малой трещины (/V//). При этом не потребуется экспериментально находить коэффициенты выражения (3.5), что существенно упростит использование предлагаемой модели и методики расчета реального вала.

Выражение средней скорости малой трещины, Уср, с учетом указанных изменений, примет следующий вид: ср

V =а • (3.11) аСГтйх I

Ч, ЛАК,)

Рассмотрим сходимость результатов расчета по предложенной модели с полученными на образцах экспериментальными данными.

Для этого были использованы результаты эксперимента, проведенного на установке для испытания образцов на усталость при изгибе с кручением. Результаты расчета по математической модели в рамках разработанной методики сравнивались с данными эксперимента и расчетом по модели Хобсона-Брауна [75]. В качестве характеристики сравнения использовалась наработка, выраженная в циклах нагружения, до перехода малой трещины в стадию раз

81

• проверка вала на наличие исходных концентраторов напряжений, влияние которых должно быть учтено при прогнозировании долговечности ГВ судна.

2) предрасчетный - численное моделирование:

• построение пространственной геометрической модели исследуемого ГВ судна;

• задание характеристик материала исследуемого ГВ судна, создание твердотельной модели;

• построение конечно-элементной модели ГВ судна, путем дискретизации внутреннего пространства твердотельной модели вала сеткой расчетных элементов конечного объема, соединенных между собой в узловых точках;

Заключение

Основными результатами выполненных лабораторных и теоретических исследований являются следующее:

1. Выполнен статистический анализ повреждений и поломок гребных валов судов на основе данных доступных литературных источников.

2. Установлены качественные и количественные закономерности кинетики малых усталостных трещин в конструкционном материале судового гребного вала (сталь 35), как при испытании образцов на воздухе, так и в морской воде.

3. Приведено количественное обоснование момента перехода малой усталостной трещины в макротрещину.

4. Сформулированы основные положения феноменологической модели начальной стадии усталостного разрушения на основе установленных в рамках данной работы основных закономерностей кинетики малых усталостных трещин.

5. Предложена математическая модель и методика прогнозирования начальной стадии усталостного разрушения судового гребного вала, позволяющая:

- определить продолжительность начальной стадии усталостного разрушения гребного вала (до возникновения макротрещины) в зависимости от условий его эксплуатации;

- оценить остаточный рабочий ресурс гребного вала;

- установить допускаемые безопасные характерные размеры дефектов в зависимости от их местоположения, геометрии и режима нагружения гребного вала;

- получить количественную информацию о локальной прочности гребного вала при решении эксплуатационных и ремонтных задач.

6. Осуществлена проверка результатов расчета по предложенной методике на сходимость с данными эксперимента и результатами расчетов, выполненными по моделям других авторов.

7. Выполнен расчет продолжительности начальной стадии усталостного разрушения гребного вала т/х «Волгонефть» пр. 1577/550А. Результаты расчета сравнивались с фактической наработкой валов до обнаружения в них трещин, отмечено взаимное соответствие данных. Превышение значений фактической наработки над расчетными данными по долговечности объясняется менее жесткими условиями фактической эксплуатации гребного вала относительно принятых расчетных режимов.

Материалы работы были использованы на четырех предприятиях, осуществляющих эксплуатацию морских судов в Азово-Черноморском бассейне, при решении задач, связанных с ремонтом и эксплуатацией судовых гребных валов.

1. Статьи, протоколы, приложения, единые толкования Международной конвенции по предотвращению загрязнения с судов 1973 года, измененной Протоколом 1978 года к ней. - Лондон: ИМО, 2003. — 603 с.

2. Международная конвенция по охране человеческой жизни на море 1974 года (текст, измененный Протоколом 1988 года к ней и с поправками). — СПб.: ЗАО ЦНИИМФ, 2002. 928 с.

3. Решетов Н.А., Захаров А.А. Формализованная оценка безопасности (ФОБ) и ее влияние на судоходную индустрию // Научно-технический сборник РМРС 2004. - № 27. с. 7 - 13.

4. Consolidated text of the Guidelines for Formai Safety Assessment (FSA) for use in the IMO Rule-making process (MSC/Circ. 392)/ 14.05.2007.

5. Медведев В.В. Совершенствование проектирования судовых энергетических установок и их элементов на основе прогноза и оценки рисков // Материалы доклада в Доме ученых им. М.Горького на секции Энергетики.-25.11.2008.

6. Емельянов М.Д. Система компьютерного мониторинга технического состояния морских судов с оценкой рисков // Научно-технический сборник РМРС 2008. - № 31. с. 23 - 43.

7. Шурпяк В.К., Сергеев А.А. Анализ аварийности на судах с классом регистра // Научно-технический сборник РМРС — 2005. — № 28. с. 33 — 46.

8. Dorey S.F. Marine Mashinery Defects Their Causes and Prévention. Transaction 1. Маг. E., vol. 47, № 12, 1935.

9. Ефимов A.B. Аварии гребных валов морских судов. Сб. докладов по ди-намич. прочности деталей машин. М. Л., Изд-во АН СССР, 1946.

10. Виноградов С.С., Гавриш П.И. Износ и надежность винто рулевого комплекса cyflOBi Изд-во «Транспорт». 1970, с.232.

11. Искрицкий Д.Е., Рейнберг E.G. Пути изменения требований: Регистра; СССР к расчету судовых валов на прочность. «Судостроение», №11,1962. ■

12. Вейнгаартен A.M. и др. Результаты обследования состояния гребных валов на судах // Технология судостроения 1966. № 2.

13. Повреждения гребных валов. Балацкий Л.Т., Филимонов Г.Л. Изд-во «Транспорт». 1970, с. 144.

14. О повреждениях гребных валов;. Письмо Средне-Волжского: филиала . Российского речного регистра № СВФ-23.01-1062 от 29.09.2010.

15. Тинь Д. Разработка и обоснование методики прогнозирования долговечности судовых валов с трещинами при ремонте. Диссертация канд. техн. наук. — Астрахань, 2009. 128 с.

16. Немец Я. Развитие усталостных трещин // Проблемы прочности. — 1988. : -№7. с. 7-9.

17. Иванова B.C. Усталостное разрушение металлов. — М.: Металлургиздат,1963.-272 е.

18. N. Narasaiah, K.K. Ray, Initiation and growth of micro-cracks under cyclic loading, Mater. Sci. Eng. A 474 (2008) 48-59.

19. Reddy S.C., Fathemi A. Small" crack growth in multiaxial fatigue // ASTM SNP. Advanches in fatigue lifetime predictive technigues. 1992. - №1122. — P. 276-298.

20. P: Hansson; S. Melin, C. Persson, Computationally efficient modelling of short fatigue crack growth using dislocation formulations, Engineering Fracture Mechanics xxx (2008)>xxx-xxx.

21. B. Kuiinkler, O. Duuber, P. Kooster, U. Krupp, C.-P. Fritzen,H.-J. Christ, Modelling of short crack propagation Transition from stage I to stage II, Engineering Fracture Mechanics 75 (2008) 715-725.

22. Селиванов В.В: Механика деформируемого тела: Учебник для втузов. -2-е изд., испр. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2006. - 424*е., ил.32: Пестриков В.М., Морозов Е.М. Механика разрушения твердых тел: курс лекции. СПб.: Профессия, 2002. - 320 е., ил.

23. Прокопенко А.В., Черныш О.Н. Развитие коротких поверхностных усталостных трещин в стали 20X13 и сплаве ВТ9 // Проблемы прочности. -1989.-№ 5. с. 12-16.

24. Hermann H.J., Roux S. Statistical models for the fracture of disordered media — Amsterdam: Springer. 1990. — 121p.

25. Chaboche J.L. Continuum damage mechanics // Teoretical and applied-fracture mechanics. 1998. - №55. - P. 59-64

26. Бабкин А.В., Селиванов В.В. Основы механики сплошных сред. М.: Изд-во МГТУ им. Баумана. - 2006. - 376 с.

27. Терентьев В.Ф., Оскогаев А.А. Циклическая прочность металлических материалов. Новосибирск: Изд.-во НГТУ. - 2001. - 61 с.

28. Кукушкин С.А. Начальные стадии хрупкого разрушения твердых тел // Успехи механики. 2003. - №2. - С. 21-44.

29. Александров А.В. Основы теории упругости и пластичности. М.: Высшая Школа. - 2002. - 400 с.

30. Reddy S.C., Fathemi A. Small crack growth in multiaxial fatigue // ASTM SNP.' Advanches in fatigue lifetime predictive technigues. 1992. - №1122. -P. 276-298.

31. McDowell D.L. Basic issues in the mechanics of high cycle metal fatigue // International journal of fracture. 1996. - Vol. 80. - P. 103-145.

32. Miller K.J: The two thresholds of fatigue behavior // Fatigue and fracture of engeneering materials and structures. 1993.-Vol. 16.-P. 931-939.

33. Wang С. H. Effect of stress ratio on short crack fatigue growth // ASME Journal of engeneering materials technology. 1996. - Vol. 118. - P. 362367.

34. He M.Y., Hutchinson J.W. Surface crack subject to mixed mode loading // Engineering fracture mechanics. 2000. - Vol. 65. - P. 1-14.

35. Wu Shang-Xian. Shape change of surface crack during fatigue growth // Engineering fracture mechanics. 1985. - Vol. 22. — P. 897-913.

36. Ren Z., Glodez S., Fajdiga G., Ulbin M. Surface initiated crack growth simulation in moving lubricated contact // Theoretical and applied fracture mechanics. 2002. - Vol. 38. - P. 141-149.

37. Wessel C., Cisilino A., Santi O., Otegui J., Chapetti M. Numerical and experimental determination of three-dimensional multiple crack growth in fatigue // Theoretical and applied fracture mechanics. — 2001. Vol. 35. — P. 47-58.

38. Sadananda К., Vasudevan A.K., Moldz R.L., Lee E.U. Analysis of overload effects and related pfenomena // International journal of fatigue. — 1999. — Vol. 21.-P. 233-246.

39. Tschopp M:A., McDowell. Dislocation nucleation in БЗ asymmetric tilt grain1 boundaries // Internathionaljournal of plastisity. — 2008; — Vol. 24. — P. 191. , 217 ." . . . ' ■ . <

40. Карзов Г.П., Марголин Б.З., Швецова В.А. Физико-механическое моделирование процессов разрушения СПб.: Политехника, 1993. — 391 е.: ил. . '

41. Трощенко В.Т. Деформирование и разрушение металлов при; многоцикловом нагружены« .—.Киев:-"Наук. Думка;, 198T. — 344'с.

42. Кужахметов Т.А., Разработка и обоснование, технологии восстановления ■ работоспособности судовых валов с трещинами при ремонте. Диссертация канд. техн. наук. — Астрахань, 2009. — 135 с.

43. Колыванов В.В. Прогнозирование работоспособности элементов судового валопровода с использованием акустической тензометрии. Диссертация канд. техн. наук. — СПб, 2010. 133с.111

44. Тьен Ч. Информационная система моделирования судовых валопроводов ■ при проектировании. Диссертация канд. техн: наук. — Астрахань, 2011. —120 с.

45. Машина для испытания металлов и сплавов на усталость при чистом изгибе вращающегося образца типа МУИ-6000. Техническое описание и инструкция по5эксплуатации; — 1974; — 35: с:

46. Нем ил ов ЕЛ. Электр оэрозиош i ая обработка материалов: Учебник для ПТУ. JT: Машиностроение,1983- 160с;, ил.

47. Авторское свидетельство СССР № 732732 МПК G 01 N 3/34

48. Файвисович A.B. Основы инженерных расчетов на прочность: учебное пособие:- Новороссийск: НЕМА^ 2000 -Г52 с.;

49. Файвисович A.B. Прогнозирование прочности» и долговечности конструктивных элементов: Учебное пособие. — Новороссийск: HFMA, 2003. -56 с.

50. Бирюков Б.Н. Электрофизические и электрохимические методы размерной обработки.—М.: Машиностроение, 1981- 128с., ил.

51. ГОСТ 8536-79 Заготовки судовых валов и балл еров рулей. Технические условия.

52. ГОСТ 8479-70 Поковки из конструкционной углеродистой и. легированной стали. Общие технические условия.

53. ОСТ 5.9218-75 Заготовки судовых валов и баллеров рулей из коррозион-ностойких сталей.99: ГОСТ 5639 82 Стали и сплавы. Методы выявления и определения величины зерна.

54. Прочность материалов и конструкций / Редкол.: В.Т. Трощенко (отв. ред.) и др. К.: Академпериодика, 2005. - 1088 с.

55. Трощенко В. Т. Сопротивление усталости металлов и сплавов: справочник. В 2-х ч. Ч. 1. / В. Т. Трощенко, Л. А. Сосновский. / Ин-т проблем прочности АН УССР. Киев: Наук, думка, 1987. - 510 с.

56. Школьник Л.М. Методика усталостных испытаний: справочник — М.: Металлургия, 1978. 304 с.

57. ЮЗ.Вейбулл В. Усталостные испытания и анализ их результатов — М.: Машиностроение, 1964.-275 с.

58. Степанов М.Н. Статистические методы обработки результатов механических испытаний: Справочник. — М.: Машиностроение, 1985. 232 е., ил.

59. Шиндовский Э., Шюрц О. Статистические методы управления качеством. Контрольные карты и планы контроля; Пер. с нем. — М.: Мир, 1976 597 с.

60. Джонсон Н., Лион Ф. Статистика и планирование эксперимента в технике и науке. Методы обработки данных. — М.: Мир. -1981. — 516 с.

61. Механические свойства конструкционных материалов при сложном напряженном состоянии: Под общей редакцией академика HAH Украины

62. A.A. Лебедева / Киев: Издательский Дом «Ин Юре», 2003 — 540 с.113

63. Хажинский Г.М. Механика мелких трещин в расчетах прочности оборудования и трубопроводов. Изд. 2-е, перераб. и дополн. М.: Физматкни-га, 2008. - 256 е., ил.

64. Коцаньда С. Усталостное разрушение металлов. М.: Металлургия, 1990 - 623 с.

65. Хирт Д., Лоте И. Теория дислокаций. М.: Атомиздат, 1972 — 600 с.

66. Zhang М., Yang P., Yuxu Т., Int. J. Fatigue 21 (1999) 823-830.

67. Файвисович A.B. Прогнозирование усталостного разрушения конструкционных элементов. Диссертация доктора техн. наук. — Новороссийск, 1996.-346 с.

68. Механика разрушения и прочность материалов: Справ. Пособие: В 4 т. / Под общей ред. Панасюка В.В. Т. 3: Характеристики кратковременной трещиностойкости материалов и методы их определения / Ковчик С.Е., Морозов Е.М. Киев: Наук. Думка, 1988. - 436 с.

69. Починков P.A. Прогнозирование кинетики малых усталостных трещин в никель-алюминиевых бронзах лопастей гребных винтов. Диссертация канд. техн. наук. Новороссийск, 2009. - 223 с.

70. Башуров Б.П. Пропульсивный комплекс и режимы его работы: Учебное пособие Новороссийск: НГМА, 2001. - 146 с.

71. Комаров В.В., Курылев A.C. Валопроводы рыбопромысловых судов. 42: Конструкция и расчет деталей и устройств: Учеб. пособие для кораблестроительных и судомеханических спец./ Астрахан. Гос. техн. ун-т. — Астрахань: Изд-во АГТУ. 1997. - 176 с.

72. ОСТ 5.9670-77 Соединения конические судовых валопроводов. Сборка и разборка. Типовые технологические процессы.

73. ОСТ 5.4097-85 Валы судовых валопроводов. Общие технические условия.

74. Сергеев JI.B. Расчет вынужденных и резонансных колебаний судового валопровода. Справочное пособие для работников конструкторских организаций, студентов вузов. — Астрахань: Изд-во АГТУ. — 1996. — 84 с.114

75. OCT 5.4307-79 Подшипники качения опорные судовых валопроводов. Технические условия. Взамен ОН9-135-66. Введ. с 01.01.82. - Л.: Изд-во судостр. пром-сти, 1979 - 70 с.

76. РД 5.4307-79 Валопроводы судовые. Правила и нормы проектирования. Взамен РС-135-68. Введ. с 01.01.81. - Л.: Изд-во судостр. пром-сти, 1979-68 с.

77. ГОСТ 1050-88 Прокат сортовой, калиброванный, со специальной отделкой поверхности из углеродистой конструкционной стали.

78. Сегерлинд Л. Применение метода конечных элементов. — М.: Мир. -1979.-390 е., ил.

79. Победря Б.Е. Численные методы в теории упругости и пластичности. -М.: Изд-во МГУ. 1995. - 366 с.

80. Баженов В.А., Дащенко А.Ф., Оробей В.Ф., Сурьянинов Н.Г. Численные методы в механике. М.: ДМК Пресс. - 2001. - 564 с.

81. Яценко B.C. Эксплуатация судовых валопроводов. — М.: Транспорт — 1968.- 171 с.

82. Владимирский А.Л., Збарский М.Л., Финкель Г.Н. Доковый ремонт морских судов. М.: Транспорт - 1984. - 207 с.

83. ГОСТ 8838 74 Соединения конические судовых валопроводов. Конструкция и размеры.

84. Кохан Н.М., Друт В.И. Ремонт валопроводов морских судов: Б-чка судомеханика. М.: Транспорт, 1980. - 240 с.

85. Акт № 267 осмотра гребных валов т/х «Волгонефть-214», «Комсомол Волгограда» проектов 1577. ЗАО «РБФ им. Куйбышева» от 14.11.2009 г.сложение1. ГЙЛЬЗЫ1. Зав. Лабораторией

86. Завод "Красный двигатель Г. Новороссийск1. Машеноаанад материала1. От кого поступило.1. Кому.1. Протокол испытания Цеяр гни1. Наименование1. Химический анализ-/ ii VcsOni i iP/i Up jOííl