автореферат диссертации по кораблестроению, 05.08.03, диссертация на тему:Прогнозирование остаточных сварочных напряжений и деформаций на стадии проектирования судового корпуса

КОНСТРУКЦИЙ

1.1 Общие сведения о проблеме температурных напряжений.

1.2 Деформация судового корпуса.

1.3 Изменение свойств материала корпуса.

1.4 Температурные напряжения.

1.5 Аналитический метод определения температурных напряжений в точках судового корпуса.

1.6 Типичные поля температурных деформаций и остаточных напряжений в сварных соединениях.

1.7 Механизм образования остаточных напряжений при сварке.

1.8 Основные гипотезы и допущения.

1.9 Методы определения остаточных напряжений. 34 Заключение по главе.

ГЛАВА 2. ИСХОДНЫЕ ПРЕДПОСЫЛКИ АЛГОРИТМА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОСТАТОЧНЫХ СВАРОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ В ЭЛЕМЕНТАХ СУДОВЫХ

КОНСТРУКЦИЙ

2.1. Общие положения.

2.2 Определение остаточных сварочных деформаций для решения деформационной задачи в рамках метода конечных элементов.

2.3 Основные зависимости температурные напряжения в пластинах компоненты деформации компоненты напряжений температурные напряжения в стержнях геометрические уравнения

2.4 Обобщение зависимостей термоупругости на случай задачи с начальными деформациями.

2.5 Общие сведения из деформационной теории пластичности.

2.6 Модуль упругости <т

Кривая разгрузки

Широкое применение сварки во всех отраслях современной промышленности, в том числе и в судостроении, обусловлено целым рядом ее преимуществ по сравнению с другими технологическими процессами получения неразъемных соединений. К таким преимуществам относятся простота соединения, уменьшение веса конструкции, большие возможности для механизации и автоматизации процесса, оздоровление условий труда, уменьшение трудоемкости и сокращение сроков изготовления сложных конструкций и др.

Однако, наряду с преимуществами, сварка обладает и некоторыми недостатками, своего рода "болезнями", которые часто снижают ее эффективность. К ним относится, например, изменение физико-механических свойств в зоне термического влияния. Одним из существенных недостатков является возникновение сварочных напряжений и деформаций вследствие неравномерного нагрева конструкции при сварке.

Появляющиеся в результате сварки остаточные деформации, прежде всего, затрудняют процесс сборки крупногабаритных конструкций из отдельных сварных блоков, узлов и секций. Так, например, несовпадение формы обводов и размеров соседних секций корпуса судна, достигающее иногда нескольких десятков миллиметров, требует больших затрат труда на его устранение. Зачастую трудоемкость операций устранения сварочных деформаций соизмерима с трудоемкостью собственно сварочных работ.

Остаточные сварочные деформации ухудшают внешний вид и эксплуатационные характеристики конструкции. Уменьшение размеров корпуса судна неизбежно влечет за собой уменьшение водоизмещения, s: изменение остойчивости и других мореходных качеств. Ребристость обшивки в подводной части ухудшает условия обтекания корпуса.

В некоторых случаях, особенно в сочетании с другими неблагоприятными факторами, такими, как низкая температура, неудачная форма узла или соединения, пониженные пластические свойства и т.п., остаточные сварочные напряжения снижают прочность и работоспособность конструкций и даже вызывают разрушение при отсутствии рабочих нагрузок.

Напряжения, возникающие в процессе нагрева и расплавления металла при сварке, могут вызвать разрушение (горячие трещины).

Эти и другие вредные проявления сварочных деформаций и напряжений ставят перед сварщиками одну из наиболее важных проблем.

Для того чтобы успешно бороться с напряжениями и деформациями при сварке, т.е. устранять их вредное влияние, необходимо знать причины и механизм образования, факторы, влияющие на них, и уметь правильно рассчитать ожидаемую величину и характер распределения.

Проблема сварочных деформаций и напряжений привлекла к себе внимание в 30-х годах прошлого столетия. Внедрение сварки в промышленность требовало тщательного изучения прочности сварных конструкций. В те годы наибольшее развитие эти вопросы получили в работах Г.А. Николаева, Е.О. Патона, НО. Окерблома, В.П. Вологдина, И.П. Трочуна и некоторых других. Исследования в этот период были направлены в основном на то, чтобы вскрыть механизм образования сварочных деформаций и напряжений.

В последующие годы круг научных учреждений и кафедр, разрабатывающих проблему прочности сварных конструкций, сварочных напряжений и деформаций, непрерывно расширялся. Развитие науки шло по пути исследования сварочных напряжений в точечных соединениях и соединениях большой толщины, влияния этих напряжений на прочность, хрупкость при низких температурах. Исследовались деформации потери устойчивости в тонколистовых конструкциях, деформации в оболочковых конструкциях, напряжения и деформации в сталях аустенитного класса, титановых, алюминиево-магниевых сплавах, разрабатывались методы борьбы со сварочными напряжениями и деформациями. Последние годы характерны широким применением методов теории упругости и пластичности, для решения конкретных сварочных задач, применением вычислительных машин для исследования сварочных напряжений и деформаций.

Современная теория сварочных напряжений и деформаций получила наиболее широкое развитие в трудах В.А. Винокурова и В.М. Сагалевича (МВТУ им. Баумана), В.И. Махненко (ИЭС им. Патона), К.М. Гатовского (ЛКИ), П.Б. Байковой (ЛГШ), С.А. Кузьминова (ЦНИИТС), ИМ. Жданова (КПИ) и их многочисленных учеников.

Несмотря на существенное развитие теории сварочных напряжений и деформаций, не существует единого мнения о роли этих напряжений при оценке прочности судовых конструкций. Одной из причин такого положения является сложность их определения даже для простейших элементов судового корпуса. Другая причина - существующее мнение об их релаксации при эксплуатации судов. Однако анализ причин повреждений и разрушений судовых конструкций часто приводит к выводам, что одной из причин повреждений является наличие сварочных остаточных напряжений.

Кроме существенного влияния сварочных напряжений и деформаций на прочность конструкций, известны случаи, свидетельствующие о необходимости учета обычных температурных напряжений в корпусе корабля. В частности выяснилось, что неравномерный нагрев основных продольных связей корпуса корабля может в некоторых случаях довольно заметно влиять на разность осадок его у миделя и в оконечностях. Кроме того, нагрев палубы солнечными лучами может способствовать образованию у палубного перекрытия бухтин, сопровождающих потерю устойчивости палубного настила.

Необходимость значительного подогрева некоторых сортов мазута ставит вопрос о влиянии температуры жидкого груза на напряжения в судах, перевозящих горячие нефтепродукты.

Наконец, при попытке реклассификации судов типа «река - море» в класс судов прибрежного плавания, возникает необходимость удовлетворения условиям общей и местной прочности для указанных условий плавания. В этом случае наиболее распространенным приемом является установка накладных листов. Однако до настоящего времени не проводилось исследований о своеобразии проведения таких конструкций в условиях температурного поля.

Перечисленные обстоятельства показывают, что при расчете прочности судового корпуса вопрос о температурных напряжениях нельзя игнорировать. Кораблестроителю нужно иметь представление о механизме возникновения температурных напряжений в корпусе корабля и средствах оценки численной величины этих напряжений.

Все вышесказанное говорит об актуальности развития методов оценки температурных напряжений в судовых конструкциях и исследований в области прочности этих конструкций с учетом температурных напряжений.

Отмечая важность проблемы температурных напряжений, следует заметить, что методы определения сварочных напряжений и напряжений от умеренной температуры различны. В первом случае необходимо привлекать, как минимум, аппарат теории пластичности с предварительным решением термопластической задачи. Во втором - для большинства случаев - достаточно воспользоваться аппаратом теории упругости и заданным полем температур.

Учитывая общую природу возникновения температурных напряжений и деформаций, целесообразно развить единый алгоритм их определения на основе современных численных методов.

Цель работы - разработка общей инженерной методики оценки температурных напряжений и деформаций на базе современных численных методов, алгоритмов и программ для анализа напряженно-деформированного состояния судовых конструкций с учетом температурных эффектов.

Для достижения указанной цели поставлены следующие задачи:

S выполнение анализа повреждений и технологических дефектов при изготовлении, ремонте и эксплуатации судовых конструкций;

S сбор и анализ литературных источников по методам расчета температурных напряжений и деформаций;

S построение алгоритма метода конечных элементов для расчета тонкостенных конструкций с учетом температурных деформаций;

S оценка напряженно-деформированного состояния судовых конструкций на стадии эксплуатации, изготовления и ремонта.

На защиту выносятся основные результаты работы:

1. Конечно-элементный обобщенный алгоритм расчета тонкостенных судовых конструкций с учетом температурных деформаций.

2. Алгоритм определения остаточных сварочных напряжений в тонкостенных, подкрепленных ребрами жесткости, судовых конструкциях.

3. Результаты исследований напряженно-деформированного состояния элементов судовых конструкций с учетом сварочных деформаций.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе проанализированы:

• существующая практика расчетного проектирования судовых конструкций и методов оценки их прочности, а также прикладные методы определения остаточных сварочных напряжений и деформаций.

Разработаны:

• алгоритм определения начальных сварочных деформаций при произвольном расположении швов в плоскости пластин:

• инженерный алгоритм определения остаточных сварочных напряжений на основе деформационной теории пластичности;

• алгоритм определения остаточных сварочных напряжений при подкреплении пластин набором ребер жесткости;

• матрицы жесткости и матрицы усилий для реализации алгоритма определения остаточных сварочных напряжений и деформаций.

Проведены:

• численное исследование полей остаточных напряжений при сварке полотнищ;

• анализ особенностей распределения остаточных сварочных напряжений в пластинах, подкрепленных ребрами жесткости;

• оценка релаксации остаточных сварочных напряжений при эксплуатации судовых конструкций;

• проведен анализ влияния конструктивных особенностей на распределение сварочных напряжений.

Получены следующие основные результаты, определяющие научную новизну и являющиеся предметом защиты:

• инженерная методика определения остаточных сварочных напряжений при проектировании судовых конструкций;

• новые решения задач определения остаточных сварочных напряжений в элементах судового корпуса с учетом конструктивных особенностей. tS3

1.Абаносимов В.И. Развитие судоходства во льдах замерзающих морей Дальнего Востока и Арктики./ Обобщающий доклад на соискание ученой степени доктора Транспорта. — Владивосток, 1996.

2. Абовский Н.П., Гетц И.И. Пологие оболочки, подкрепленные ребрами произвольной ориентации./ Учебное пособие. 4.2. Красноярск: изд-во Красноярского Политех. Ин-та, 1973. - 116 с.

3. Абрахамсен Е. Пластины, подкрепленные по взаимно-перпендикулярным направлениям./ Материалы первого международного конгресса по конструкции и прочности судов. JL, 1963, - с.456-508.

4. Барабанов Н.В. Проектирование конструкций целиком сварных судов в районе прямоугольных вырезов в палубе./ Автореферат канд. дис. -ЖИ, 1949.

5. Барабанов Н.В. Конструкция корпуса морских судов. Л.: Судпромгиз,1961.468 с.

6. Барабанов Н.В., Турмов Г.П. О вероятных причинах гибели танкера «Находка»./ Материалы международной конференции. Владивосток: ДВГТУД998.

7. Безухов Н.И. Основы теории упругости, пластичности и ползучести. -М.:ВШ, 1968.-512 с.

8. Биргер И.А. Круглые пластины и оболочки вращения. М.: Оборонгиз, 1961.

9. Ю.Бойцов Г.В., Небылов В.М., Таубин Г.О. Прочность судовых конструкций из алюминиевых сплавов. Л.: Судпромгиз, 1962.

10. П.Бубнов И.Г. Строительная механика корабля. С-Пб.: Типография Морского Министерства. 4.1 - 1912, 4.2- 1914. - 640 с.

11. Васидзу К. Вариационные методы в теории упругости. М.: Мир, 1987. - 544 с.

12. Винокуров В.А., Аладинский В.В., Дубровский В.А. Концентрация напряжений в соединениях с лобовыми швами и ее учет в расчетах на выносливость.//Автоматическая сварка. 1987.-№7.

13. Винокуров В.А., Григорьянц А.Г. Теория сварочных деформаций и напряжений. М.: Машиностроение, 1984. - 280 с.

14. Вилипыльд Ю.К. Расчет ребристых плит методом конечных элементов./ Труды Таллинск. политех, ин-та. 1970. - Вып.297. - с. 17-29.

15. Винокуров Л.П. Теория упругости и пластичности. Харьков: изд-во Харьк. Гос. ун-та, 1965. - 328 с.

16. Вольмир Ф.С. Устойчивость упругих систем. М.: Гос. изд-во физ.-мат. литературы. 1983.

17. Галагер Р. Метод конечных элементов. Основы. М.: Мир, 1984. - 432 с.

18. Гатовский К.М., Кархин В.А. Теория сварочных деформаций и напряжений. Д.: ЖИ, 1980. -331 с.

19. Горбачев К.П. Метод конечных элементов в расчетах прочности. JL: Судостроение, 1985. - 156 с.

20. Горбачев К.П., Попов А.Н., Восковщук Н.И., Уложенко А.Г. Вариационно-разностная версия метода конечных элементов. Изд-во Дальневост. ун-та, 1987. -149 с.

21. Горбачев К.П., Васильченко Н.П. Оценка локальных эффектов в сечении балок судового набора при решении задач методом конечных элементов./ Труды Международной конференции «Проблемы прочности и эксплуатационной надежности судов». Владивосток, 1996.

22. Демянцевич В.П., Думов С.И. Технология электрической и дуговой сварки. Д.: Машгиз, 1959. - с.210 - 222.

23. Доннел JT. Г. Балки, пластины и оболочки. М.: Наука, 1967. - 248 с.

24. Дорохов П. И. Методы снижения напряжения при вварке заделок в жесткий контур.// Судостроение. 1989. - №3.

25. Дьяков Ю.Г., Кархин В.А, Аниковский В.В. Кинетика деформаций и напряжений при многопроходной сварке пластин из биметалла.// Автоматическая сварка. 1984. - №8. - с. 14 -18.

26. Жданов И. М., Фам Ван Тоан. Метод расчета остаточных деформаций и напряжений в пластине с наплавленной кромкой.// Автоматическая сварка. 1995. -№10.

27. Зенкевич О. Метод конечных элементов в технике. М.: Мир, 1975. -542 с.

28. ЗО.Злочевский А. Б., Мельничук П. П., Шувалов А. Н. Оценка роли сварочных напряжений при расчете скорости роста усталостных трещин.// Автоматическая сварка. 1987. - №8.

29. Игнатьева B.C. Распределение собственных напряжений в пластинах, сваренных встык за один проход.// Сварочное производство. 1956.-№3.- с.12-17.

30. Ильюшин А.А. Пластичность. -M.-JL: Гостехиздат, 1998.

31. Искрицкий Д.Е. Строительная механика элементов машин. Д.: Судостроение, 1970. - 448 с.

32. Качанов JI.M. Основы теории пластичности. М.: Наука, 1969. - 420 с.

33. Кепич Т. Ю., Рудяк Ю. А. Напряженное состояние тонкостенных сварных конструкций со сквозными и поверхностными трещинами в зоне шва.// УДК 621.791.052-415:539.4.014.:620.192.46. Автоматическая сварка. 1988. - №5.

34. Кирьян В.И., Шимановский С.В. Методика оценки сопротивления материалов и сварных соединений зарождению трещин при динамическом нагружении.// УДК 621.791.052:539.411.5 Автоматическая сварка 1988. №5.

35. Короткин Я.И., Постнов В.А., Сивере H.JI. Строительная механика корабля и теория упругости. JL: Судостроение, 1972. - 720 с.

36. Короткин Я.И., Ростовцев Д.М., Сивере H.JI. Прочность корабля. JL: Судостроение, 1974.

37. Кудрявцев Ю.Ф. Влияние ОН на долговечность сварных соединений.// Автоматическая сварка. 1990. - №1.

38. Кудрявцев Ю.Ф., Михеев П.П., Коршун В.Ф. Влияние пластических деформаций и остаточных напряжений, обусловленных ультразвуковой ударной обработкой, на сопротивление усталости сварных соединений.// Автоматическая сварка. 1995. - №12.

39. Курдюмов А.А. Прочность корабля. J1: Судпромгиз, 1956.

40. Мусхелишвили Н.И. Сингулярные интегральные уравнения. М.: "Наука", 1968.

41. Махненко В.И. Расчетные методы исследования кинетики сварочных напряжений и деформаций. Киев: Наукова думка, 1976. - 320 с.

42. Махненко В.И., Великоиваненко Е.А. Распределение напряжений и пластических деформаций в сечении угловых швов при статических нагрузках, близких к предельным.// УДК 621.791.052:539.4.014 Автоматическая сварка. 1988. - №6.

43. Негода Е.Н. Остаточные сварочные напряжения при поперечной трещине./ Исследования по вопросам эффективности судостроения и судоремонта. Владивосток: ДВГТУ, 1997.

44. Негода Е.Н., Лихобабина Е.А. Моделирование остаточных сварочных напряжений в численных методах./ Исследования по вопросам эффективности судостроения и судоремонта. Владивосток: ДВГТУ, 1997.

45. Николаев Г.А. Исследование внутренних напряжений при сварке пластин встык./ Труды ЦННИТМАШ. Новые режимы сварки и прочность сварных соединений. 1937. - с. 163 - 270.

46. Николаев Г.А. Сварные конструкции. -М.: Машгиз, 1962. 552 с.

47. Николаев Г.Ф., Куркин С.А., Винокуров В.А. Сварные конструкции./ В 2-ХТ.-М.: Высшая школа. Т.1. 1982.-272 с. Т.2. 1983.-344с.

48. Папкович П.Ф. Теория упругости. М.: Оборонгиз, 1939. - 640 с.

49. Папкович П.Ф. Труды по прочности корабля. JL: Судпромгиз, 1956.

50. Папкович П.Ф. Труды по строительной механике корабля. JL: Гос. изд-во судостроит. промышленности в 4-х томах, 1962.

51. Попковский В.А., Березиенко В.П. Влияние параметров режима контактной точечной сварки на распределение остаточных напряжений.// Автоматическая сварка. 1987. -№11.

52. Попковский В.А., Березиенко В.П. Поле остаточных напряжений при контактной точечной сварке.// УДК 621.791.052:539.4. Автоматическая сварка. 1987. - №8.

53. Постнов В.А., Хархурим И.Я. Метод конечных элементов в расчетах судовых конструкций. — Л.: Судостроение, 1947.

54. Сегаль А.И. Прикладная теория упругости. -Д.: Судпромгиз,1957. 245 с.

55. Сивере Н.С. Расчет и конструирование судовых надстроек. Д.: Судостроение, 1966. - 300 с.

56. Стаканов В.И., Костылев В.И., Рыбин Ю.И. О расчете коэффициента концентрации напряжений в стыковых сварных соединениях.// Автоматическая сварка. 1987. №11.

57. Суслов B.JL, Кочанов Ю.П., Спихтаренко В.Н. Строительная механика корабля и основы теории упругости. — Л.: Судостроение, 1972. 719 с.

58. Таубин Г.О. Результаты испытаний прочности д/э «Куйбышевгрэс»// Вопросы прочности судов и судовых конструкций. НТО Судпрома-1964. - Вып. 59.- с.69-79

59. Теория сварочных процессов. Под ред. Фролова В.В. М.: Высшая школа. 1988. - 559 с.

60. Тимошенко С.П. Курс теории упругости. Киев: Наук. Думка, 1954. -856 с.

61. Тимошенко С.П., Войновский-Кригер С. Пластинки и оболочки. М.: Физматгиз, 1963. - 636 с.

62. Тимошенко С.П., Гудьер Дж. Теория упругости. М.: Наука 1975. - 575 с.

63. Труфяков В.И., Кудрявцев Ю.Ф. К расчетной оценке влияния внешнего нагружения на релаксацию ОСН.// УДК621.791.052:539.4.014.001.24 Автоматическая сварка. 1988. - №1.1.3

64. Труфяков В.И., Кудрявцев Ю.Ф., Михеев П.П. О влиянии ОН на сопротивление усталости сварных соединений.// Автоматическая сварка. 1988. - №2.

65. Филин А.П. Прикладная механика твердого деформируемого тела в 2-х т.-М.: Наука 1975, 1978. Т. 1 - 832 е., Т. 2-616 с.

66. Филоненко-Бородич М. М. теория упругости. М.: Физматгиз, 1959. -432 с.

67. Шиманский Ю.А. Расчет температурных напряжений и деформаций корпуса». JL: Судостроение, 1940. - №12.

68. Шиманский Ю.А. Проектирование прерывистых связей судового корпуса. JL: Судпромгиз, 1949.

69. Шип В.В., Винокуров В.А., Григорьянц А.Г. Особенности поперечной усадки пластин, подкрепленных элементами жесткости/ Изв. Вузов. -Машиностроение, 1973. №6, с.9 -12.

70. Abrahamcen Е. Special Ships for the Transport of Liquefied Gas from the Classification Viewpoint. European Shipbuilding 9, 1960.

71. Bennet W. Great Lakes Bulk Freighters/ Trans/ SNAME Vol. 37, p. 21, 1929.

72. Coffin L.F. Study of the Effects of Cyclic Thermal Stresses on a Ductile Metal. Trans. ASME 76, 931-950, 1954.

73. Corlett E.S.B, and Leathard J.F. Methane Transportation by Sea. Trans. RINA vol. 102, 1960, p. 471.

74. Gorlett E.S.B. Thermal Expansion in Composite Ships. Trans. INA 1950, Vol. 92.

75. Hechtman R.A. Thermal Stresses in Ships. Ship Structures Committee. Report No. SSC-95 Washington 25 D.C.

76. Hoyt S. L. Metal Data. Reinhold Publishing Corporation. New York 1952.

77. Hurst O. Deflection of Girders and Ship Structures. A note on temperature effects. Trans. INA 85, 1943, p. 74.

78. Gatewood B.E. Thermal Stresses. McGrawHill Publication.87Jasper N.H. Temperature Induced Stresses in Beams and Ships. DTMB Report No. 937.

79. Karakcheev N. N., Likhobabina E.A., Negoda E.N. Distributions of Parameters of an Intense Condition in Flat Section of Ship Designs. Young People and Scientific - Technical Progress. Congress Materials. Vladivostok, 1999, p. 214.

80. Lewis E.V., Gerard G.A. long Range Research Programs in Ship Structures Design. American Ship Structures Committee Report SSC-124.

81. McAdams W.H. Heat Transmission (Third Edition). McGraw. Hill Book Company.

82. Meikle G. and Binning M. S. The Effect of Heating Steels to Moderately Elevated Temperatures. RAE Tech. Note MET 199.

83. Meriam J.L. et alia. Thermal Stresses in a Tanker due to Hot Cargo Oil. BSRA Report No. 333.

84. Mounce W.S., Crossett J. W., Armstrong T.N. Steels for the Containment of Liquefied Gas Cargoes. Trans. SNA MH: p. 423, Vol. 67, 1959.

85. A number of papers on low temperature properties of aluminum alloys. Welding journal, Nov. 1958, p. 499-538.