автореферат диссертации по кораблестроению, 05.08.02, диссертация на тему:Прогнозирование усталостной долговечности металлических конструкций на основании измерений накопления пластических деформаций на двух масштабных уровнях

^ Нижегородский институт развития образования

С'

На правах рукописи

ГУРЕВИЧ Марк Иосифович

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ УСТАЛОСТНОЙ ДОЛГОВЕЧНОСТИ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЙ НА ОСНОВАНИИ ИЗМЕРЕНИЙ НАКОПЛЕНИЯ ПЛАСТИЧЕСКИХ ДЕФОРМАЦИЙ НА ДВУХ МАСШТАБНЫХ УРОВНЯХ

05.08.02 — строительная механика корабля

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Нижний Новгород 1998

Работа выполнена в Нижегородском институте развития образования

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор КОРОТКИХ Ю. Г., институт механики ННГУ, Н. Новгород; доктор технических наук, профессор ПЕТИНОВ С. В., Санкт-Петербургский ГМТУ, г. Санкт-Петербург;

доктор технических наук, профессор СОРОКИН Г. К., Нижегородский филиал ИМАШ РАН, Н. Новгород.

Ведущее предприятие: ЦНИИ им. акад. А. Н. Крылова,

г. Санкт-Петербург.

Защита состоится 1998 г. в /о^часов

на заседании диссертационного сойета Д 063.85.01 в Нижегородском ордена Трудового Красного Знамени государственном техническом университете по адресу: _ 603600, Нижний Новгород, ул. Минина, 24, ауд. 7ос02>

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке института.

Автореферат разослан «/ Ц »¿¿^У/гЛС//¿Я. 1998 г

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор

Попов А. Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы

Практика эксплуатации инженерных сооружений показывает, что от 80 до 90% (по разным оценкам) всех отказов конструкций н эксплуатации связано с усталостью их элементов.

Такое положение имеет место несмотря на то, что систематические исследования явления усталости ведутся примерно 150 лет физиками, математиками и инженерами. Более того, можно считать что проблема обеспечения необходимой работоспособности элементов конструкций обостряется с развитием техники и связана в первую очередь с разрешением противоречия вес — прочность. Создание более легких и экономичных конструкций приводит, как правило, к сниже нию «предельных» сроков их службы по условиям сопротивления усталостному разрушению.

Не являются исключением и конструкции скоростных судов (судов на подводных крыльях — СПК, экранопланов и др.), что иллюстрируется рис. 1, где показано, что для этого типа судов в сравнении с водоизмещающими судами можно ожидать сокращения сроков эк сплуатации по условиям усталостной долговечности на 1—2 порядка.

Накопленный опыт показывает, что при решении задач конструкционной прочности и, в частности, сопротивления усталостному разрушению, решающую роль, как правило играют конструктивно-технологические факторы, теоретический учет которых затруднен или практически исключен.

Расчетным путем с использованием современных вычислительных средств трудно (часто невозможно) оценить влияние различного рода конструктивно-технологических и эксплуатационных факторов (технология обработки; остаточные напряжения, привнесенные технологией сборки; изменения материала, вызванные структурными превращениями в нем под влиянием силовых, температурных, коррозионных и других воздействий и т. п.).

Именно поэтому, по мнению академика Г. С. Писаренко решение отмеченных выше задач должно базироваться на данных экспериментальных исследований, которые по праву следует отнести к числу фундаментальных работ данной области.

В связи с значительной стоимостью и большой трудоемкостью экспериментальных работ (в ряде отраслей техники — авиация, судостроение, автомобилестроение и др. испытаниям должны быть подвергнуты натурные образцы изделий) огромное значение придается методологии исследований.

Для современных практических методов определения усталостной долговечности конструкций скоростных судов характерным является:

1. Большая трудоемкость (а следовательно, сроки и стоимость) необходимых экспериментальных работ.

2. Довольно низкая точность оценок, связанная со сложностью проблемы в целом.

Такое положение вещей делает необходимым привлечение для решения вопросов усталостной долговечности неразрушающих методов и индивидуального контроля изделий (в этом случае также достаточно велик объем экспериментальных работ).

Одним из важнейших показателей методологии экспериментальных работ является определение критического состояния элемента конструкции (детали). Современные представления свидетельствуют, что критерии предельного состояния детали могут быть самыми различными, и характеризоваться как структурное состояние материала, при котором дальнейшая эксплуатация рассматриваемого элемента конструкции становится невозможной. Критериями состояния могут быть — нагрузки, приводящие к разрушению; остаточные деформации, исключающие дальнейшую эксплуатацию; возникновение трещин усталости определенных размеров; потеря устойчивости; предельный износ поверхностных слоев материала детали и другие факторы. С учетом изложенного выше можно подчеркнуть, что основой основ оценки предельного состояния того или иного элемента конструкции является эксперимент.

Другим важнейшим показателем методологии экспериментальных работ по оценке сопротивления материалов и элементов конструкции усталостному разрушению является подход к определению расчетных показателей.

Для этих целей часто используются вероятностные распределения (модели) отказов — экспоненциальное, Вейбулла, логарифмически нормальное и др.).

Известен другой подход установления количественных показателей долговечности изделий, в отличие от строго вероятностного использующий информацию о значениях некоторых физических параметров, характеризующих техническое состояние.

В этом случае установление количественных показателей связано с выявлением кинетических закономерностей физических процессов деградации и определения критического уровня этого процесса. Эффективным оказалось использование в качестве моделей деградации случайных процессов марковского типа и стохастических кинетических уравнений. Этот подход называют вероятностно-физическим.

Отметим, что для решения отмеченных задач в условиях дефицита времени и ограниченности статистических данных (что характерно для судостроения) только вероятностно-физический подход, дополнительно использующий информацию о физических процессах деградации, может привести к более эффективным решениям. С помощью вероят-

ностно-физических моделей могут быть значительно (иногда в десятки раз) сокращены объемы и время экспериментальных работ при оценках долговечности, могут быть сделаны анализ поведения и прогноз долговечности, решаться и другие задачи.

Необходимость совершенствования существующих методов определения и анализа усталостной долговечности конструкций определяет актуальность проблемы, направленной на разработку новых эффективных методов, позволяющих уменьшить трудоемкость экспериментальных работ при сохранении или увеличении точности оценок.

Научная проблема, решаемая в диссертации, формулируется следующим образом: разработать экспериментально-аналитическую концепцию прогнозирования сопротивления усталостному разрушению металлических материалов и элементов конструкций, вытекающую из исследований процессов накопления пластических деформаций на двух масштабных уровнях с учетом неоднородности деформаций, как наиболее адекватно описывающих явление, с разработкой и использованием для получения расчетных показателей двухпараметрических вероятностно-физических моделей и их описания с помощью случайных процессов марковского типа; разработать методологию исследований для различных условий проектирования, изготовления и эксплуатации конструкций, использующую информацию о накоплении пластических деформаций, с разработкой необходимого приборного обеспечения; разработать практические методы оценки усталостной долговечности конструкций скоростных судов.

Связь темы с планами отраслей наук и народного хозяйства. Диссертационная работа выполнена в соответствии с утвержденной ГКНТ СССР и Президиумом АН СССР Общесоюзной научно-технической программой «Надежность» на 1987—1990 годы (задание П.01.Н6а);

Решением МСП, МАП, ВМФ и ВВС об обеспечении эксплуатации, ремонта и модернизации экранопланов в составе авиации ВМФ № 703/ 038 от 26.02.1990 г.; планами АО «Центральное конструкторское бюро по судам на подводных крыльях», АО «ГАЗ», Нижегородского педагогического университета, Нижегородского института развития образования и других организаций.

Цель работы — разработать методологию исследований и получения количественных показателей усталостной долговечности конструкций на всех этапах проектирования, производ ства и эксплуатации на основе измерений параметров накопления пластических деформаций, с использованием для расчетных оценок более адекватных двухпараметрических физико-вероятностных моделей, обеспечивающих без снижения точности сокращение объемов экспериментальных работ.

Решение научной проблемы, связанной с поставленной целью, включает в себя следующие исследования:

1. Анализ и обобщение исследований, устанавливающих законо-

мерности накопления пластических деформаций при циклическом нагружении металлических материалов, позволивших показать, что наиболее адекватно процесс деградации металлических материалов при усталости может характеризоваться величиной накопленной пластической деформации на двух масштабных уровнях с учетом ее локальности и неоднородности.

2. Анализ моделей для получения количественных показателей сопротивления металлических материалов усталостному разрушению позволивший установить, что наиболее эффективно для этих целей использовать многопараметрические вероятностно-физические или вероятностные феноменологические модели и их описание с помощью случайных процессов марковского типа.

3. Обобщение опыта создания и эксплуатации скоростных судов (СП К и экранопланов) с целью получения реальных оценок показателей усталостной долговечности конструкций.

4. Разработка на основе выполненных исследований концепции прогнозирования сопротивления усталостному разрушению металлических материалов и конструкций.

5. Для практической реализации концепции разработка и изготовление приборного обеспечения, позволяющего оценивать параметры накапливаемой пластической деформации на двух масштабных уровнях с учетом ее неоднородности.

6. Разработка методологий оптимизации экспериментальных работ по оценке усталостной долговечности металлических конструкций.

7. Разработка практических рекомендаций (на основе предложенных концепции и методологии) для крупногабаритных конструкций судов с оценкой реально достигаемых показателей точности и эффективности.

Научная новизна работы. Возможность эффективных решений широкого круга задач (практически все задачи количественных оценок показателей усталостной долговечности на протяжении всего жизненного цикла судовых конструкций — при проектировании, изготовлении, эксплуатации) позволяет говорить о новом научном направлении в этой области. Разработана концепция исследований, разработана методология оценок показателей усталостной долговечности, основанные на измерениях параметров накапливаемых пластических деформаций на двух масштабных уровнях с учетом неоднородности, разработано приборное обеспечение для этого (датчики дисперсии деформаций — ДДД, «рентгеновские» датчики аналогичного типа, «бортовой» полуавтоматический комплекс для ускорения обработки показаний ДДД); для определения количественных показателей усталостной долговечности рекомендуется использовать двухпараметрические вероятностно-физические или .вероятностные феноменологические модели, описываемые с помощью случайных процессов марковского

типа. Разработаны практические рекомендации и рекомендованы планы испытаний для решения широкого круга задач.

Автор выносит на защиту:

— Экспериментально-аналитическую концепцию прогнозирования сопротивления усталостному разрушению металлических материалов и элементов конструкций при использовании для получения количественных показателей многопараметрических вероятностно-физических или вероятностных феноменологических моделей. Впервые для построения и уточнения этих моделей созданы и использованы специальные приборы, позволяющие исследовать процесс накопления пластической деформации на двух масштабных уровнях с учетом ее неоднородности

— Научную методологию исследования процесса пластического деформирования для металлических материалов и элементов конструкций в различных условиях эксплуатации. Впервые для реализации методологии разработан датчик дисперсии деформации (ДДД), позволяющий с оцениваемой точностью производить измерения параметров накопленной пластической деформации как в лабораторных, так и в условиях испытаний крупногабаритных натурных конструкций. Впервые в рамках предложенной методологии используются рентгеновские датчики аналогичного типа. Для ускорения обработки показаний датчиков и получения оперативных результатов по оценке долговечности в эксплуатационных условиях впервые разработан «переносный» (бортовой) комплекс полуавтоматического измерения показаний ДДД.

— Практические методические разработки и инженерные оценки сопротивления усталостному разрушению (основанные на результатах проведенных исследований) образцов, деталей, узлов, натурных конструкций судостроительной, автомобильной и мукомольной промышленности, изготовленных из сталей, алюминиево-магниевого сплава, титанового сплава (всего 8 марок), при этом технологии изготовления включали сварку, механическую обработку, поверхностное упрочение.

При выполнении практических разработок впервые получены

— вероятностные распределения усталостной долговечности крупногабаритных конструкций судостроительной, автомобильной, мукомольной промышленности по результатам испытаний 1—3 изделий с датчиками дисперсии деформаций и оцениваемой точностью;

— расчетные показатели усталостной долговечности натурных конструкций судостроения по результатам измерений ДДД в эксплуатационных условиях;

— прогнозируемые показатели усталостной долговечности крупногабаритных элементов конструкций без разрушения изделий при испытаниях или эксплуатации с оцениваемой точностью (при использовании ДДД);

— на основе анализа массовых испытаний образцов уточнены

коэффициенгы вариации статистических распределений характеристик прочности, пластичности и долговечности конструкционных материалов, что позволило реализовать «экспресс-методы» получения вероятностных распределений усталостной долговечности.

Практическая ценность работы. Научные результаты, полученные в диссертации, имеют прикладную направленность, связанную с определением показателей усталостной долговечности металлических конструкций, важны и характеризуются:

1. Сокращение объемов и времени испытаний достигнуто в 2—30 раз при сохранении точности оценок.

2. Подтвержденный экономический эффект от нескольких законченных научно-исследовательских работ, связанных с разработкой и использованием датчиков дисперсии деформаций составил 367 ООО руб. (цены 1991 г.).

3. Разработанные методы внедрены в Центральном конструкторском бюро по судам на подводных крыльях (Н. Новгород), ЦКБ «Лазурит» (Н. Новгород), моторостроительном конструкторском бюро (г. Пермь), НПО «Автогаз» (Н. Новгород), Удмуртском университете (г. Ижевск) и др. Результаты диссертации внедрены также в учебный процесс Нижегородского института развития образования. Многие из разработанных методов защищены авторскими свидетельствами на изобретения. Данные по анализу опыта эксплуатации СПК использованы при разработке и корректировке норм прочности СПК внутреннего плавания и норм прочности морских СПК.

Апробация работы. Основные научные и экспериментальные результаты диссертационной работы докладывались на международных, всесоюзных, республиканских и региональных конференциях и семинарах, а именно:

— Всесоюзной конференции «Пути повышения прочности судов с динамическими принципами поддержания» (г. Феодосия, 1975 г.);

— Всесоюзной конференции по прочности и пластичности (г. Пермь, 1983 г.);

— Всесоюзных конференциях памяти Р. Е. Алексеева (Н. Новгород, 1984 г., 1988 г., 1992 г., 1996 г.);

— Зональных конференциях «Структура и свойства металлов и вопросы преподавания технологии конструкционных материалов» (г. Новокузнецк, 1984 г., 1986 г., 1988 г.);

— Всесоюзной конференции «Роль дефектов в физико-механических свойствах твердых тел» (г. Барнаул, 1985 г.);

— Всесоюзных научно-технических конференциях «Прикладная рентгенография металлов» (г. Санкт-Петербург, 1986 г., 1990 г.);

— III Всесоюзной конференции «Современные проблемы строительной механики и прочности летательных аппаратов» (г. Казань, 1988 г.);

— Всесоюзном семинаре «Поверхности раздела, структурные дефекты и свойства металлов и сплавов» (г. Череповец, 1988 г.);

— IV региональной научно-технической конференции «Современные достижения в теории и технологии пластической деформации» (Н. Новгород, 1989 г.);

— Республиканских научно-теоретических семинарах «Вероятностно-физические методы исследования надежности машин и аппаратуры» (г. Киев, 1990 г., 1992 г.);

— Всесоюзной конференции «Проблемы прочности и снижение металлоемкости корпусных конструкций перспективных транспортных судов и плавучих сооружений» (г. С.-Петербург, 1990 г.);

— IV Бубновских чтениях (г. Н. Новгород, 1991 г.);

— VIII Всесоюзном съезде механиков (г. Москва, 1991 г.);

— II и III международных конференциях по экранопланам (Н. Новгород, 1993 г., 1996 г.);

— Всероссийской научно-технической конференции «Экраноп-лан-94» (г. Казань, 1994);

— Международной конференции по судостроению, посвященной 100-летию ЦНИИ им. акад. А. Н. Крылова (г. С.-Петербург, 1994);

— Научно-технической конференции, посвященной 10-летию Нижегородского филиала ИМАШ РАН (Н. Новгород, 1997).

Публикация результатов работы. По теме диссертации опубликовано 66 научных работ, в том числе 1 монография, 10 изобретений, 19 статей, 27 тезисов докладов на международных, всесоюзных, республиканских и региональных конференциях.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, восьми глав, выводов, списка литературы и приложений.

Во введении обосновывается актуальность проблемы.

В первой главе приводятся характерные эксплуатационные повреждения конструкций СПК и экранопланов за более чем 20-летний период наблюдений, оценены фактические «предельные» сроки службы конструкций СПК типа «Комета».

Во второй главе анализируются литературные данные о влиянии пластической деформации и поверхности на характеристики усталостной долговечности конструкционных материалов, формулируются предложения по перспективным методам исследований.

В третьей главе анализируются методики практических оценок усталостной долговечности судовых конструкций, рассматриваются перспективные методики, формулируются положения концепции.

В четвертой главе приводятся данные по разработке ДДД и комплекса для ускорения обработки показаний ДДД.

В пятой главе разработаны практические методики испытаний и оценки долговечности натурных и крупногабаритных судостроительных конструкций.

-8В шестой главе разработаны методики оценки усталостной долговечности натурных изделий машиностроительной части.

В седьмой главе уточняется методология, даются планы исследований для большинства реальных задач по установлению усталостной долговечности металлических конструкций.

В восьмой главе разрабатываются методы определения усталостных характеристик на основе рентгеновских дифрактометрических измерений с использованием «рентгеновских» датчиков.

Приложения содержат информацию об экономических результатах внедрения, опыге эксплуатации судов и результатах испытаний образцов сплава 1561.

Диссертация содержит 360 страниц машинописного текста, 117 рисунков, 48 таблиц. Список литературы включает 200 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Первая глава посвящена рассмотрению вопросов, связанных с анализом повреждений конструкций СПК и экранопланов в эксплуатации. Обобщается 25 летний опыт эксплуатации морских СПК типа «Комета» (таблица 1) и достаточно длительный опыт эксплуатации экранопланов проектов Центрального конструкторского бюро по судам на подводных крыльях (ЦКБ по СПК). Такие данные получены впервые. Впервые получены данные по интегральной повторяемости напряжений за 1000 часов эксплуатации для корпуса, крыльев и пилона экраноплана пр. 903 в сравнении с аналогичными параметрами для СПК и водоизмещающих судов (рис. 1). Приводятся характерные-повреждения конструкций в эксплуатации. По результатам анализа данных главы 1 получены:

— средняя продолжительность эксплуатации конструкций корпуса (сплав 1561) и крыльевых устройств (КУ —сталь Х18Н10Т) морских СПК типа «Комета» по условиям усталостной долговечности составляет -20 000 ходовых часов;

— для конструкций экранопланов (рис. 1) можно ожидать снижения средней долговечности на порядок, то есть предполагаемая долговечность -2000 ходовых часов;

— реально же начальный назначаемый ресурс для экранопланов составляет 750—1000 ходовых часов и 250—500 взлетов-посадок;

— приводятся данные по скоростям развития трещин в конструкциях скоростных судов в реальных условиях эксплуатации.

Приводимые в главе результаты и их анализ позволяют отметить:

— задачи обеспечения усталостной долговечности конструкций скоростных судов (особенно экранопланов) встают в один ряд с задачами обеспечения статической прочности;

— необходимость проведения большого объема экспериментальных работ при реальном решении задач определения усталостной долговечности конструкций и при этом низкая точность оценок (общие коэффициенты «запаса» даже при испытаниях натурных конструкций составляют 11 — 18);

— важнейшей задачей является создание и внедрение систем технической диагностики и индивидуального контроля конструкций скоростных судов;

— актуальны задачи совершенствования методологии экспериментальных работ, связанных с обеспечением усталостной долговечности конструкций.

Вторая глава связана с анализом представлений о роли пластической деформации и поверхности материала в процессе накопления повреждений при действии повторных нагрузок. Анализу поведения материалов и конструкций в этой постановке посвящены работы И. А. Одинга, В. В. Москвитина, Н. Ф. Лашко, Д. И. Беренова, Д. И. Гольцева,Л. В. Муратова, В. С. Ивановой, Р. М. Шнейдеровича, В. В. Новожилова, С. В. Серенсена, Н. А. Махутсва,В. В. Ларионова,

B. А. Скуднова,А. П. Гусенкова, В. И. Владимирова, Ф. П. Рыбалко.

C. В. Петинова, И. Н. Богачева, В. М. Волкова, А. В. Гурьева, Ю. Г. Коротких, Ю. В. Головешкина, В. И. Бетехтина, И. Е. Курова. И. В. Кудрявцева, Д. И. Шетулова, П. А. Райхера,А. В. Прокопенко. В. И. Феодосьева, В. П. Стрельникова,Л. В. Кукса,В. А. Степанова. В. В. Шпейзмана, А. А. Вайнштейна, С. А. Головина и других специалистов.

Из зарубежных авторов в этой области работали Юинг, Гемфри, Н. Гаф,Л. Коффин,У. Вуд,Д. ГилмэнД. Екобори.Н. Томпсон, Д. Коллинз, Р. Хоникомб, А. Котрелл, Т. Судзуки, А. Пушкар и другие.

Несмотря на длительные исследования усталостной долговечности, при проведении которых накоплено огромное количество экспериментальных и теоретических данных, по мнению Т. Екобори, «проблемы связанные с поведением материалов в условиях знакопеременных нагрузок остаются нерешенными». Это связывается с чрезвычайной сложностью изучаемого явления и недостаточным количеством работ, систематизирующих исследования.

Более того, хотя мысль о том, что разрушить кристаллическое тело без пластической деформации невозможно, В. А. Степанов высказал достатотчно давно и это подтверждено экспериментально, по мнению В. А. Скуднова противоречие — что первично деформация или разрушение, как «критерии прочности и предельной деформации связаны между собой, не разрешены и не описаны количественно до' сих пор». Ряд специалистов считает, что оба процесса — деформация и разрушение идут одновременно от начала нагружения со взаимодействием друг на друга.

Работами начала века было показано, что линии сдвига в зернах металла, характеризующие пластическую деформацию, появляются даже при напряжениях ниже предела усталости.

В дальнейшем многие исследователи пытались установить связь параметров пластической деформации с долговечностью материата под действием повторных нагрузок.

Обобщая эти исследования (к 1940 г.) И. А. Одинг отмечал, что усталостные трещины возникают в объемах металла наиболее сильно пластически деформированных, а в зернах возникают полосы разрыхления, носящие локальный характер.

В начале 60-х годов Л. Коффин предложил зависимость, связывающую размах пластической деформации за цикл нагружения с долговечностью, она удачна для инженерного использования, отражает (в определенной степени) действительную природу усталости, но нашла ограниченное применение. Это было связано с тем, что последующими исследованиями было показано, что в материале под действием повторных нагрузок происходят необратимые изменения, вызываемые пластическими деформациями и по сути во многих случаях с каждым циклом нагружения мы имеем дело с «новым» материалом.

В. В. Новожилов предложил достаточно совершенный критерий, где в качестве меры повреждения использовано понятие разрыхления материала. В. М. Волков усовершенствовал критерий В. В. Новожилова — разрыхление было расчленено на составляющие — одна из которых зависит от микроскопической деформации, а другая —от макроскопической, это была одна из первых попыток использования для анализа двух масштабных уровней — макро и микро.

В 1980-е годы многие исследования ведутся в этом плане (Т. Екобори назвал подобный подход комплексным), при этом для всех направлений в основу принимаются предположения о локальном и неоднородном накаливании повреждаемости.

Обобщения, сделанные в этой области к настоящему времени сводятся к следующему:

1. Имеется тенденция к закреплению мест локализации деформации.

2. Имеет место локальная неоднородность пластической деформации, накапливаемой в процессе усталости.

3. Величину локальной неоднородности удобно характеризовать средним квадратическим отклонением

, <2л>

где: — относительная деформация /-го участка;

т- средняя относительная деформация образца;

п — количество участков.

Показатели эксплуатации СПК Ялтинского и Одесского морских портов (на конец навигации 1987 г.)

Название и № судна Годы эксплуатации Количество навигаций экспл. Кол-во ходовых часов Перевезено пассажиров, тыс. чел. Финанс. результат за время экспл., тыс. руб. Примечание

Стрела-1 1964-1975 11 9678 412 -195,1 Списано н 1973 г.

Стрела-2 1966-1973 7 3956 167 -212,1 Списано в 1973 г.

Стрела-3 1967-1972 5 3190 123 -117,6 Списано в 1972 г.

Комета-3 1964-1978 15 18133 717,7 +76,0 Списано в 1978 г.

Комета-5 1965-1969 5 5508 212,7 +90,8 Списано в 1969 г. +

Комета-14 1969-1981 12 14618 645,7 +196,3 Списано в 1981 г.

Комета-17 1971-1985 15 17566 828,0 +330,4 Списано в 1985 г.

Комета-23 1975 14 16641 647,0 +200,0 В эксплуатации

Комета-26 1976 12 14262 479,0 + 123,7 В эксплуатации

Комета-27 1976 12 16640 464,0 +61,5 В эксплуатации

Комета-32 1978 10 13347 468,0 +267,3 В эксплуатации

Комета-40 1979 8 10162 367,0 + 165,2 В эксплуатации

Комета-43 1980 7 10710 410,0 +281,4 В эксплуатации

Вихрь 1962-1983 21 — — — Списано

Комета-4 1964—1985 21 , — — — Списано

Ксмета-9 1966- 1985 !9 — — Списано

Комета-13 1967-1986 19 — — — Списано

Комета-21 1974-1987 14 — — - Списано

+ — списание из-за обвала на судно стенки порта во время шторма.

Данные по Ялтинскому порту с согласия руководства порта представлены капитаном В. В. Богачевым на конец навигации в 1987 г.

В Одесском порту продолжают эксплуатироваться т/х «Комета-41», «Колхида-2», «Колхида-3», «Альбатрос».

н

эксплуатации

1, 2, 3 — сухогрузы «Оуин Валкен», «Канада», «Миннесота»;

4 — корпус СПК «Стрела-1»;

5,6 — крылья СПК «Стрела-1», «Комета-2»;

7 — корпус на миделе экраноплана С-31 (пр. 903);

8 — крылья экраноплана С-31;

9 — пилон экраноплана С-31; Н — повторяемость;

о/ог — относительный (к пределу текучести) уровень действующих напряжений

Р(Х»)

У

/

/

/ /

Рис. 2. Влияние клеевой про/ слойки на результаты испытаний: ' • Р — нагрузка; / , Е — средняя деформация;

О — нацарапанная сетка; приклеенный датчик

ы

$о

ю

г

г в «7

Рис. ¿1 Результаты испытаний образца из сплава 1561 при амплитуде Ра = ±2,5 кн до разрушения = 2.178.200), шаг ДДД — 200 мкм:

1 — Д1Щ напылен на образец;

2 — ДДД приклеен (алюминиевая основа);

3 — ДДД приклеен (полимер ная основа);

И — вероятность разрушения;

А/ N — число циклов

г

р/р.

°/<ъ

■ о о ( (4} ои оЧ оЧ С[-1 иЬ ¿9 (¡О

Рис. 4. Результаты испытаний образцов сплаза 1561.

Р = 1 5 кн; Р, = 2,5 кн; Б — со-

ср 7 а ' 7 о

ответствует N — 100.000; И* — число циклов при разрушении; 10,11,13... — номер образца; *—10; О —11; • - 12; □ - 13; Д -21

_

'00 ?6о 300 ТОО 500 бЬо

Рис. 5. Изменение относительной ошибки определения среднего в зависимости от числа измерений на различных уровнях нагружения.

(Циклика от Р — 12,5 кн до 17,5 кн, образец сплав 1561, 1=10 мм), ДДЦ с шагам 200 мкм, п = число измеряемых ячеек ДДД; *-10 кн; Д-500.000 циклов; О - 1 500 ООО; □ -2 2,33 800 (М^); 5е-точность ^ по средней деформации

ТТЗЗ .гоо Soo soo ьoo 7oo 840 h.

Рис. 6. Изменение относительной ошибки определения дисперсии деформаций в зависимости от числа измерений на различных уровнях нагружения.

(Циклика от Р = 12,5 до 17,5 кн, образец сплава 1561, t= 10 мм) ДДД с шагом 200 мкм; 8D — точность по дисперсии деформаций; п — число измеряемых ячеек датчика; * — 10 кн (предварительное нагружение); д— 500 ООО циклов; О - 1 500 ООО; □ -2 233 800 (N )

' 7 \ Da 3D'

fx i

9S, so

Si

10 f

fo"

to

13*

fo> я

Рис. 7. Вероятностное распределение долговечности (т/х «Восход»), 106 циклов соответствует 1,5 месяцам эксплуатации

Sf So

70

So

Jo го

s

<04

/а1

/V

Рис. 8. Распределение усталостной долговечности по испытаниям образца из стали АК-ЗЗШ:

Ир = 121 700; 1 — по измерениям датчика 1; 2 — по измерениям датчика 2; 3 — по измерениям датчика 3; 4 —по измерениям датчика 4; 5 — по среднему измерению датчиков 1, 2, 3, 4; Р — вероятность разрушения, %; N — число циклов нагружения

до 70

Л

За го

Л3

Л0«

/о7

Рис. 9. Распределение усталостной долговечности для образцов из 12Х18Н10Т. 1 — образец 2-11; Ргаах = 140 кн;

Рт!п = 40 кн; 2 —образец 1—11; Ртах = 140 кн;

Р . =40 кн; 3 —образец 1 — 10: Р1пц = 220 кн;

Р . =40 кн; 4 — образец 1—9: Рта, = 310 кн; // Рт;п = 40 кн; И — вероятность разрушения; IV — число циклов нагружения

V

IV

> « 1 к ч .а' "лГ

Рис. 10. Распределение усталостной долговечности для уровня Р = ±35 кн;' • — отмечены результаты испытаний шатунов. 1 — кривая, построенная по результатам испытаний шатунов Г, А, Е с датчиками дисперсии (средние данные по 6-ти датчикам). 2 — кривая, построенная по результатам испытаний шатуна А (датчик № 1). Б — вероятность разрушения. N — число циклов нагружения

4т/.

/Ши

Л

30

го /о

Рис. 11. Зависимость коэффициента вариации от отношения максимального числа циклов до разрушения к минимальному

4. Количественное определение степени и характера распределения пластической деформации без указания измерительных масштабов л точности подсчета не имеет макроскопического смысла, т. к. лишено «общего» языка.

5. Микропластические процессы, в основном, реализуются в по-зерхностных учасгкгос образцов и деталей.

Однако к концу 1980-х годов становится ясным, что рассмотрение процесса накопления усталостной поврежденности и разрушения с единых позиций атомно-кристаллического строения металлов и сплавов практически невозможно (С. А. Головин, А. Пушкар). Это связано во. многом с различными подходами физики твердого тела, статистической механики структурно-неоднородных тел и механики деформируемых тел, не имеющих микроструктуры.

Более того, в начале 1990-х годов специалисты приходят к выводу, что следует рассматривать, как маловероятное достижение существенного прогресса в обозримом будущем в направлении достаточно строгого описания поведения материала в условиях повторного нагру-жения на микроскопическом уровне (Д. Богданофф, Ф. Козин).

В главе анализируются также данные о роли поверхности в процессе накопления повреждений при усталости. В этой области специалисты единодушны на протяжении всей истории исследований — в большинстве случаев состояние поверхности определяет усталостную долговечность, при этом для тонкостенных конструкций скоростных судов роль поверхности должна возрастать.

К настоящему времени определяющая роль поверхности в процессе накопления усгалостных повреждений связывается с плотностью дислокаций и плотностью «микротрещин» на поверхности изделия, при этом «глубина» поверхностного слоя, определяющего долговечность, оценивается в 1—3 размера зерна материала.

Изложенное в главе позволяет сделать следующие выводы:

— перспективы совершенствования решений проблемы усталостного разрушения связаны с объединением различных подходов физики твердого тела и механики сплошных сред, при этом решение этой задачи теоретическим путем предполагается в отдаленном будущем;

— в настоящее время целесообразно для решения задач усталостной долговечности развивать экспериментальные подходы и строить модели, основывающиеся на сегодняшнем понимании физической стороны явлений и экспериментальных данных;

— методологию экспериментальных исследований целесообразно основывать на изучении пластических деформаций на двух (по меньшей мере) масштабных уровнях (макро и микро) с учетом локального и неоднородного накапливания повреждаемости.

В третьей главе анализируются практические подходы к обеспечению усталостной долговечности судовых конструкций, рассматрива-

ются перспективные модели и формируется концепция исследований (с учетом изложенного в главах 1 и 2).

По всей вероятности, впервые на необходимость учета при проектировании судов повторных нагрузок обратил внимание И. Г. Бубнов. Он в 1908 г. предложил учет ввести в нормы допускаемых напряжений (40% от предела «вытягивания» для статически-переменных нагрузок и 20—30% от предела «вытягивания» при динамически-переменных нагрузках). П. Ф. Папкович учет влияния повторных нагрузок также связывал, в основном, с третьей проблемой строительной механики корабля — проблемой допускаемых напряжений. В последние 30—40 лет с появлением скоростных судов решение задач по обеспечению усталостной долговечности конструкций существенно обострилось (усложнилось решение аналогичных задач и для судов больших водо-измещений, в первую очередь, открытого типа, судов для освоения шельфа).

В этот период у нас в стране большой вклад в решение вопросов обеспечения усталостной долговечности судовых конструкций внесли Чувиковский Г. С., Кузовенков Б. П., Зиганченко П. П., Вороненок Е. Я., Палий О. М., Бойцов Г. В.,ЛитоновО. Е., Максимаджи А. И., Горынин И. В., Постнов В. А., Петинов С. В., Головешкин Ю. В., КороткинЯ. И., Быков В. А., Екимов В. В., Барабанов Н. В., Козляков В. В., РозендентБ. Я.,МаттесН. В., Волков В. М., Ершов Н. Ф., Перельман Б. С., Уткин А. В., Шетулов Д. И., Куров И. Е. и др. специалисты.

Во всех случаях при решении задач используются математические, модели усталости. В связи с низкой точностью оценок в судостроении часто используют сравнительные исследования (при этом фактический ресурс конструкции, как правило, не известен). Такой подход использован в методиках Максимаджи А. И., Козлякова В. В., Бойцова Г. В., методике ВМС США и других.

В скоростном судостроении исследования ведутся с учетом особенностей судов этого типа. На основе накопленного опыта проектирования и эксплуатации были разработаны рекомендации по конструированию узлов и «Нормы прочности» для речных и морских СПК. Необходимая долговечность конструкций СПК в соответствии с '«Нормами...» обеспечивается выбором материалов с высокими усталостными характеристиками, отработкой узлов конструкций, выбором уровня допускаемых напряжений. Однако накопленный к 1980—90 гг. опыт показал существенный разброс времени эксплуата ции на разных линиях и выдвинул задачу индивидуального контроля ус талостной долговечности конструкций СПК.

Для экранопланов в связи с низкими значениями «начальной» долговечности и возросшей опасностью последствий усталостных разрушений в большей степени используется опыт авиастроения и оценки

ведутся, в основном, в соответствии с требованиями «Норм летной годности гражданских самолетов и вертолетов...» (обязательные испытания крупногабаритных узлов, а часто и всей конструкции в целом на повторные нагрузки, при этом требования к методикам расчетных оценок, как правило, не оговариваются). В то же время сложившаяся практика оценок параметров усталостной долговечности, с учетом стоимости и трудоемкости изготовления, приводит к необходимости индивидуального контроля каждого экраноплана.

Ограниченное количество подобных систем разработано (для авиационной техники) у нас в стране и США. На международной конференции по судостроению, посвященной 100-летию ЦНИИ им. акад. А. Н. Крылова (1994 г.) представитель Регистра Ллойда отметил целесообразность введения систем типа «черный ящик» и для водоизмещающих судов. Изложенное подчеркивает необходимость совершенствования методов решения задач обеспечения усталостной долговечности судовых конструкций. Специалисты считают необходимым периодический пересмотр и критический анализ норм прочности. Важно также подчеркнуть, что все применяемые при этом критериальные зависимости, учитывая характер явления, должны содержать вероятностную меру определения параметров. При этом в судостроении обычно используют логарифмически-нормальное или распределение Вейбулла. В то же время известно, что при малых статистиках (что характерно для испытаний крупногабаритных узлов и агрегатов) строго вероятностные модели (Вейбулла, логарифмически-нормальное и др.) при расчетных оценках дают низкую точность. Как отмечалось известен другой путь, получения количественных характеристик долговечности, который дополнительно использует информацию о физических параметрах, характеризующих техническое состояние конструкции. Такой подход, начатый в работах Сотского Б. С., развивали Кордонс-кий X. Б., Шукайло В. Ф., Болотин В. В., Лейфер Л. А., Таций В. Г., Стрельников В П. и др. Он назван вероятностно-физическим в связи с тем, что параметры получаемого вероятностного распределения отказов имеют определенный физический смысл.

Методология получения количественных показателей в этом случае включает выявление кинетических закономерностей физических процессов деградации и определение критического состояния этого процесса. Стрельников В. П. для случая, когда накопление пластических деформаций является определяющим получил следующее выражение:

✓ /V,) / С-"*)*]

где: — плотность вероятности долговечности А^;

(3-2)

б**/?^;'^* (з.з)

где: N — число циклов до появления макротрещин;

' Е?ср, Др — среднее значение и дисперсия пластических деформаций, соответствующих N.

При известном критическом значении Екр, можно получить параметры распределения (3.1) без разрушения образца:

а=Е„(И •£,„)-' (3.4) .

= (3.5)

где: Еср, Д— среднее значение и дисперсия пластических деформаций соответствующих числу циклов нагружения N (И<Ыр).

Обобщая и развивая эти подходы Стрельников В. П. для элементов, в которых физические процессы накопления повреждений носят монотонный (необратимый) характер (накопление пластических деформаций, развитие микротрещин, механический износ) получил распределение, которое назвал диффузионно-монотонным (ДМ-распре-делением):

= ф(^) (3.6)

где ц — параметр масштаба или обратная величина средней скорости накопления повреждений;

v — параметр формы или коэффициент вариации скорости накопления повреждений;

Ф (") — функция нормированного нормального распределения. Исследования показали, что ДМ распределение более качественно выравнивает статистические данные, обладает наилучшей гибкостью и способностью описывать изучаемое явление (по сравнению с а-распре-делением, нормальным, лог-нормальным, Вейбулла).

При использовании распределений (3.1), (3.6) появляется возможность построения эффективных инженерных методик.

Д. Богданофф и Ф. Козин перешли к систематическому описанию процессов накопления повреждений с помощью случайных процессов марковского типа. Но эти авторы пришли к выводу о целесообразности разработки феноменологических вероятностных моделей, которые должны базироваться на нашем сегодняшнем понимании физики явления и экспериментальных данных. В главе приведен пример построения модели.

Изложенное в главах 1,2,3 позволило сформулировать основные положения концепции прогнозирования сопротивления усталост-

ному разрушению металлических материалов и элементов конструкций.

1. Характер исследований — экспериментально-аналитический.

2. Измеряемые параметры — накопление пластических деформаций на двух (min) масштабных уровнях с учетом локальности и неоднородности.

3. Определение критического состояния — экспериментально-расчетное.

4. Определение расчетных показателей — на основании построения и использования вероятностно-физических или вероятностно феноменологических моделей и их описание с помошью случайных процессов марковского типа.

В четвертой главе приводятся результаты работ по созданию ДДД, оценке его возможностей и разработке «бортового» комплекса для ускорения обработки показаний ДДД. Для реализации положения концепции о целесообразности измерений накопления пластических деформаций на двух масштабных уровнях (макро и микро) был выполнен анализ методов испытаний и показано, что принципиально метод делительных сеток может быть использован для решения поставленной задачи.

Действительно, сетки могут быть нанесены на поверхность изделия с различным «шагом» (масштабом) и в результате их измерений могут быть получены параметры, характеризующие накопленную пластическую деформацию, например, среднюю.

• ^ « Цг*- W

где: £. — относительная деформация i-ой «ячейки» сетки;

п — число измеренных «ячеек» сетки.

Может быть оценена и неоднородность локальной деформации, например, через дисперсию:

где обозначения те же, что в (4.1).

Однако использование известных реализаций метода сеток для практических оценок усталостной долговечности элементов конструкций затруднено или даже невозможно по следующим причинам: а) низкая точность известных методов нанесения сеток и недостаточная точность в оценках «незначительных» по величине деформаций, характерных для усталости; б) трудность, а часто практическая невозможность нанесения и измерения сеток для натурных элементов

конструкций; в) значительная трудоемкость измерений и обработки экспериментальных данных, даже при использовании ЭВМ.

На решение вопросов, связанных с этими недостатками, и были направлены усилия при разработке датчика дисперсии деформаций (ДДД). Практически, с использованием опыта производства изделий микроэлектроники, на предприятиях Н. Новгорода были изготовлены партии ДДД. В первых партиях в качестве основы использовалась алюминиевая фольга, на которую методами планарной технологии напылялась (в виде шахматного поля) медь. Размеры медных квадратов в первых партиях были 200—500 мкм. При этом можно отметить, что при использовании для контроля размеров микроизображений оптических методов могут быть достигнуты точности порядка 0,1—0,15 мкм при измерении элементов размеров порядка 1—1,5 мкм. Реально в достаточно широком диапазоне могут варьироваться шаг датчика (от 1,5 мкм и выше), материал и толщина подложки, материал и толщина наносимых покрытий, а также количество линий сетки или «габаритные» размеры ДДД.

Таким образом, был сделан шаг вперед по повышению точности нанесения сеток. Опробование ДДД было выполнено на серии гладких образцов (10 х 30 х 250) из алюминиево-магниевого сплава 1561 (ширина рабочей части образцов Ь = 30 мм). При проведении пробных испытаний решались задачи:

1. Отработка способов крепления ДДД.

2. Проверка чувствительности показаний по параметрам «средняя деформация» Еср (4.1) и «дисперсия деформаций» Д (4.2).

3. Оценка точности в определении Еср и Д.

4. Проведение проработок по автоматизации измерений ДДД.

Образцы испытывались статически ступенями до разрушения и

повторными нагрузками (средняя нагрузка цикла Р„ = 15 кн, амплитуды Ра = + 2,5 кн; ± 5 кн; ± 7,5 кн). Измерения ДДД производились на микроскопе микротвердомера ПМТ-3. Крепление ДДД осуществлялось клеем БФ-2 по технологии крепления тензорезисторов, прижимом с помощью струбцины с контролируемым усилием, для сравнения сетка также наносилась «царапанием» иглой микротвердомера ПМТ-3 и напылением меди непосредственно на образец. Всего было испытано 30 образцов. Полученные результаты иллюстрируются рис. 2—6. Анализ полученных на образцах результатов позволил сделать выводы:

1. Крепление ДДД к исследуемой конструкции может осуществляться по технологии крепления тензорезисторов, а также с помощью «прижима».

2. ДДД показали достаточную чувствительность в исследуемом диапазоне нагрузок по параметрам «средняя деформация» (4.1) и «дисперсия деформаций» (4.2).

3. Полученная точность определения параметров (4.1) и (4.2) составляет -10% при числе измеряемых «ячеек» ДДД > 200.

С целью снижения трудоемкости обработки показаний ДДД разработана полуавтоматическая установка, включающая компаратор ИЗА-2, информация с которого через усиливающее устройство с фотоэлементом передается на ЭВМ. Установка может быть использована как бортовой комплекс при проведении исследований на СПК. Оценены возможности комплекса.

Проведенные в главе исследования и выполненный анализ позволили сформулировать основные положения методологии оценки усталостной долговечности металлических конструкций (в свете предложенной ранее концепции):

— крепление ДДД на образцах и конструкциях может быть выполнено на клеевой основе (БФ2, ЦИАКРИН) и с помощью «прижима»;

— размер «ячейки» ДДД рекомендуется брать в пределах 3—7 диаметра зерна материала исследуемой конструкции;

— места установки ДДД целесообразно выбирать на «стационарных» участках конструкций с достаточной интенсивностью накапливаемых повреждений;

— определение критического состояния определяется экспериментально (возможно на некоторых этапах оценок использование расчетных показателей);

— определение расчетных показателей усталостной долговечности и прогнозирование рекомендуется производить с использованием вероятностно-физических (зависимости (3.1) или (3.6)) или вероятностных феноменологических моделей.

В пятой главе на основании предложенной методологии разработаны практические методики оценки усталостной долговечности натурных конструкций СПК и экранопланов, а также крупногабаритных судовых конструкций в условиях стендовых испытаний.

В течение навигаций 1987—1989 гг. были проведены исследования на СПК типов «Восход», «Метеор», головном морском газотурбоходе «Циклон». ДДД устанавливались на днищевом наборе корпуса с помощью струбцин. Суда эксплуатировались, в основном, на линиях Н. Новгород — Курмыш, Н. Новгород — Казань, Н. Новгород — Рыбинск и гт/х «Циклон» на линиях Одесса — Николаев, Одесса — Ялта. Задачи, которые при этом решались:

1. Проверка чувствительности ДДД для реальных уровней нагру-женности конструкций СПК.

2. Проверка способов крепления ДДД для корпусных конструкций • в эксплуатационных условиях.

3. Накопление статистических данных с целью возможного дальнейшего использования для оценки ресурса и в системах неразрушаю-щего контроля.

4. Выполнение расчетных оценок долговечности.

Всего на СПК было установлено 60 ЛЯД, измерения проводились через 1,5—4 месяца эксплуатации. В целом результаты испытаний показали возможность использования ДДД в эксплуатационных условиях для решения поставленных задач.

На основе проведенных измерений была выполнена оценка усталостной долговечности конструкций днища СПК «Восход» (произведено численное интегрирование на ЭВМ зависимости типа (3.1), в качестве критического ,(Екр) взяты данные по испытаниям до разрушения образцов сплава 1561). Впервые полученное вероятностное распределение долговечности показано на рис. 7, средняя долговечность составила 46,3 месяца (~ 8 навигаций). При использовании ДДД долговечность может последовательно уточняться.

ДДД были применены при проведении резонансных испытаний экраноплана пр. 19500. Испытания проводились до разрушения, ДДД были установлены на пилонах крепления двигателей (титановый сплав). Впервые расчитано вероятностное распределение долговечности пилона. Полученные при этом характеристики критического состояния (Екр) могут быть использованы для уточнения долговечности в процессе эксплуатации.

Возможности использования ДДД для сокращения объемов экспериментальных работ показаны на примере крупногабаритных сварных узлов из стали АК-ЗЗШ (габариты узлов 10 х 130 х 1000). Испытания узлов производились для расчетной оценки усталостной долговечности в соответствии с требованиями норм летной годности гражданских самолетов. Всего было испытано шесть узлов при минимальной нагрузке цикла Р^ = 80 кн и максимальной Рти = 320 кн в условиях растяжения. На трех узлах были установлены ДЦД. Анализ результатов этих ' испытаний показал, что в случае замены серии испытаний из шести узлов испытаниями одного узла с ДДД расхождение не превышает 15 % по долговечности, а в случае испытаний двух узлов с ДДД расхождение не превысит -10% по долговечности. Таким образом, количество испытываемых узлов может быть уменьшено в три-шестъ раз, что и было сделано в ЦКБ ПО СПК (Н. Новгород) при испытаниях аналогичных сварных узлов из стали 12Х18Н10Т, результаты которых также приводятся в пятой главе. Полученные типовые зависимости для сталей АК-ЗЗШ и 12Х18Н10Т приведены на рис. 8, 9.

В этой же главе разработаны методики и впервые получены вероятностные распределения долговечности для натурного крюка запорного спецустройства экраноплана проекта 904 (титановый сплав ВТ-3, испытан один образец) и крупногабаритных сварных узлов (600 х 100 х 10-;-16) из алюминиево-магниевого сплава 1561 (испытано 6 узлов, изготовленных по двум технологиям).

В шестой главе разработаны методики испытаний и впервые полу-

чены вероятностные распределения дологовечностей для натурных изделий машиностроительной части.

Были выполнены исследования на большой партии шатунов двигателя автомбиля ГАЗ 52-04 (материал — сталь 45Г2). Всего был испытан 41 шатун, из них 6 шатунов с ДДЦ. Испытания проводились при симметричном цикле нагрузками на четырех уровнях: ± 35 кн, + 40 кн, ± 45 кн, + 50 кн. Были получены вероятностные распределения долговечности на уровнях испытаний (типовое, рис. 10). Сравнение результатов «традиционных» испытаний по принятой на НПО «АвтоГАЗ» (Н. Новгород) методике с результатами, полученными при испытаниях одного шатуна на уровне нагрузки с ДДЦ, свидетельствует о возможности сокращения объемов испытаний в 5 раз при «предельных» расхождениях по долговечности менее 20%.

В этой же главе разработана методика испытаний повторными нагрузками натурных дисков колес автомобиля ГАЗ-24-10 (материал — сталь 15КП). Всего испытано 4 диска, впервые получено вероятностное распределение долговечности дисков, показано, что при использовании ДДЦ в этом случае достаточно было испытать одну деталь без снижения точности оценок.

Приведены также результаты исследований натурных шатунов двигателей трех типов, изготовленных по двум технологиям (одна «Стандартная», другая включала дробеструйную обработку поверхности). Всего было испытано 42 шатуна, причем для одного типа шатунов — 38 деталей, а для двух других типов 4 детали. Во всех случаях впервые получены вероятностные распределения долговечности, реальное сокращение объемов испытаний достигнуто более чем в 9 раз.

В седьмой главе на основе выполненных в главах 4, 5, 6 исследований уточняется предложенная в главе 4 методология оценки ресурса и даются рекомендации по планам проведения испытаний с использованием ДДД и их анализу для широкого круга практических задач.

Предложено шесть основных планов работ по оценке ресурса (одноступенчатые испытания до разрушения, одноступенчатые испытания до определенного (фиксированного) числа циклов нагружения при известном предельном значении накопленной деформации Екр; прогноз долговечности в условиях эксплуатации судов; определение эквивалентных режимов нагружения; «программные» испытания; «экспресс-подход» получения вероятностного распределения долговечности).

Структура одного из разработанных планов (одноступенчатые испытания без разрушения до определенного числа циклов нагружения N при известном критическом значении накопленной деформации Екр) включает:

— по измерениям ДДЦ и с помощью зависимостей (4.1) и (4.2)

определяют среднюю накопленную пластическую деформацию Еср и ее дисперсию Д;

— по зависимостям (3.4) и (3.5) определяют параметры распределения а и о2;

— определение вероятностного распределения прогнозируемой долговечности осуществляют путем численного интегрирования на ЭВМ зависимости типа (3.1)

о

После определения Еср и Д возможен другой путь решения задачи:

— вычисляют параметр масштаба ц и коэффициент вариации скорости накопления повреждений V:

А//£у (7 2)

Р - (7-3)

— определяют расчетные показатели:

Среднюю долговечность

= у (7.4)

Гамма-процентную долговечность

"г'М'+^'^^ЫГ) (7.5)

Структура «экспресс» получения параметров вероятностного распределения долговечности основана на определении v с помощью рис. 11, без использования ДДД. График рис. 11 получен впервые на основании анализа испытаний на усталостную долговечность больших партий образцов.

В восьмой главе разработаны методы рентгеновских дифрактомет-рических измерений для оценки и прогноза усталостной долговечности элементов конструкций. Привлечение рентгеновских дифрактометри-ческих методов для этих целей связано с тем, что эти методы позволяют производить измерения параметров, связанных с накопленной пластической деформацией с учетом локальности и разномасштабное™ процессов накопления повреждений при повторном нагружении.

С одной стороны в настоящее время можно говорить о сложившихся трактовках природы дифракции рентгеновских лучей от поликристаллов с деформационными дефектами, в то же время до исчерпывающего описания связи параметров рентгеновских критериев с усталостной долговечностью еще далеко. Кроме этого эти методы, ввиду

сложности и особенностей аппаратуры носят в основном «лабораторный» характер.

В главе приводятся результаты исследований связи интегрального уширения (Р) дифракционных линий на рентгенограммах с числом циклов нагружения.

Исследования выполнялись на образцах из сплава 1561 (10 х 30 х 250); нагрузки — РюЫ = 10 кн, Ртш = 20 кн. Рентгеновские съемки производились для алюминиевой основы сплава в режиме сканирования на дифрактометре ДРОН — 2.0 в медном излучении периодически после определенного числа циклов нагружения. Регрессионный анализ показал отсутствие тесной корреляции при линейной апроксимации.

При использовании молибденового излучения (глубина проникновения 250 мкм против 30—40 мкм при медном излучении) были получены аналогичные результаты. В то же время особенности изменения параметра р на разных «глубинах» проникновения позволили предложить способ контроля усталостной долговечности, признанный изобретением (АС СССР № 1.322.798).

В дальнейшем, учитывая, что при неоднородном пластическом течении формируется фрагментарная дислокационная структура, в результате чего наблюдается асимметричное уширение рентгеновских дифракционных максимумов, были выполнены исследования связи параметров асимметрии (отношение интенсивности пика и субпика, угловое смещение пика и субпика) с долговечностью.

Исследования выполнялись на алюминиевой фольге 20 х 20 х 0,1 (формировался «рентгеноский» датчик), которая приклеивалась или прижималась струбциной к образцу. Динамика изменения этих параметров оказалась аналогичной изменению параметра Р (интегральное уширение). Однако и в этом случае особенности связи параметров асимметрии с числом циклов позволили предложить способ оценки усталостной долговечности, признанный изобретением (АС СССР № 1.602.178). Более того —«рентгеновские» датчики были опробованы на конструкциях речных СПК типа «Восход» и «Метеор» в течение навигаций 1987—1989 гг. Результаты испытаний на СПК показали существенный разброс экспериментальных данных.

Дальнейшие исследования были связаны с определением рентгеновским методом параметров «средняя деформация» и «дисперсия деформаций», имея в виду их использование в двухпараметрических фйЗико-вероятностных моделях для оценки и прогнозирования ресурса. На'этой основе предложен практический способ определения ресурса, признанный изобретением (АС СССР N 1.718.068).

Оценивая выполненные исследования в целом, в главе отмечается, что несмотря на возможность получения определенных практических результатов, рентгеновские методы применительно к оценке ресурса конструкций скоростных судов следует рассматривать как перспектив-

ные, которые могут быть реализованы при условии разработки соответствующего аппаратурного обеспечения и совершенствования методик определения рентгеновских параметров.

Необходимо также отметить «методическую» ценность исследований, именно рентгеновские дифрактометрические измерения подсказали перспективность перехода на другие масштабные уровни и идею разработки датчиков дисперсии деформаций.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИИ

Решена научно-техническая проблема, имеющая важное прикладное значение — разработаны концепция и, на ее основе, методология оценок параметров усталостной долговечности металлических конструкций скоростных судов на различных этапах их создания, позволяющая существенно ускорить оценки при сохранении существующей точности, при этом могут быть получены — прогноз долговечности, осуществление его контроля в эксплуатации и, в ряде случаев, качественно новые результаты.

.Более подробно основные результаты работы, выносимые на защиту, состоят в следующем.

1. На основании анализа и обобщения выполненных исследований, установлены закономерности процессов накопления пластической деформации при циклическом нагружении металлических материалов. Показано, что наиболее адекватно процесс деградации металлических материалов при усталости может характеризоваться величиной накопленной пластической деформации на двух (и более) масштабных уровнях с учетом ее локальности, неравномерности и взаимодействия этих параметров.

2. Установлено, что для получения количественных показателей сопротивления материалов усталостному разрушению, наиболее целесообразно использовать многопараметрические вероятностно-физические модели и их описание с помощью случайных процессов марковского типа. Применение таких моделей значительно (иногда в десятки раз) сокращает объем и время экспериментальных работ при оценке долговечности материалов.

3. С учетом установленных автором закономерностей обобщен опыт эксплуатации изделий судостроительной промышленности (судов на подводных крыльях (СПК) и экранопланов — всего 40 судов) за длительный период(1965—1991 гг.). Получены реальные оценки «предельной» эксплуатации конструкций по условиям сопротивления усталостному разрушению для некоторых типов скоростных судов ( для морских СПК-20 ООО ходовых часов, экранопланов — 1000—2000 ходовых часов).

4. Впервые предложена экспериментально-аналитическая концепция прогнозирования сопротивления усталостному разрушению материалов и элементов конструкций в основу которой положено измерение накопления пластических деформаций на 2-х масштабных уровнях с учетом локальности и неоднородности, экспериментально-расчетное определение критического состояния и определение расчетных показателей долговечности на основании построения и использования вероятностно-физических или феноменологических моделей и их описания с помощью случайных процессов марковского типа.

5. Для практической реализации предложенной концепции установлены требования к приборному обеспечению, позволяющему оценивать параметры накопления пластической деформации на двух масштабных уровнях с учетом ее неравномерности при повторном нагружении, и последующем использовании полученной информации в построении вероятностно-физических моделей. Впервые разработаны и изготовлены опытные партии варианта прибора (датчик дисперсии деформаций — ДДД), представляющего собой основу (металлическая фольга или полимерная пленка), на которую методами электронной промышленности (планарная технология) наносится шахматная «сетка» другого материала (медь, полимер и т. п.). Вариант ДДЦ защищен авторским свидетельством СССР № 1.446.462, отмечен медалью ВДНХ.

6. На основании предложенной концепции и проведенных исследований на образцах из сплава 1561 с использованием ДДД впервые разработана эффективная методология оптимизации экспериментальных работ по оценке усталостной долговечности материалов и элементов конструкций. Предложенные практические рекомендации с использованием ДДД и электронно-вычислительных машин позволяют получать количественные вероятностные оценки характеристик усталостной долговечности при испытаниях даже единичных образцов до разрушения, делагь прогноз долговечности после «фактического» времени испытаний без разрушения образца, оценивать эквивалентность режимов нагружения, использовать ДД Д в качестве «счетчиков» накопления повреждений. Впервые установленная функциональная зависимость между коэффициентом вариации накапливаемой пластической деформации и разбросом числа циклов до разрушения позволяет рекомендовать приближенные ускоренные методы получения вероятностного распределения долговечности образцов и конструктивных элементов.

7. На основании разработанной методологии выполнены инженерные оценки сопротивления усталостному разрушению:

— впервые получены вероятностные расчетные показатели усталостной долговечности натурных конструкций судов (типа «Восход», «Метеор») по результатам измерений ДД Д в эксплуатационных условиях на линиях Н. Новгород — Курмыш, Н. Новгород — Ярославль и др.;

— впервые получено вероятностное распределение усталостной долговечности пилона экраноплана пр. 19500 с использованием ДПД в условиях резонансных испытаний до разрушения;

— впервые получены прогнозируемые показатели усталостной долговечности крупногабаритных элементов судостроительных конструкций без разрушения изделий при испытаниях или в эксплуатации с оцениваемой точностью (при использовании ДДД);

— впервые получены вероятностные распределения усталостной долговечности для крупногабаритных изделий машиностроения — для дисков колес автомобиля (амфибийных устройств), шатунов двигателей, запорного крюка специального устройства экраноплана пр. 904; .;

Исследованные конструкции были изготовлены из 8 марок материалов (алюминиево-магниевый сплав, стали, титановые сплавы), технологии включали литье, сварку, поверхностное упрочнение, механическую обработку.

Сокращение объемов и стоимости испытаний достигнуто в 2—30 раз. Общий годовой экономический эффект от некоторых законченных практических работ оценен в 367 тыс. руб. (цены до 1991 г.).

. 8. С учетом разработанной методологии для образцов и элементов конструкций из алюминиево-магниевого сплава опробованы рентгеновские дифрактометрические методы прогнозирования сопротивления усталостному разрушению. На решения получены авторские свидетельства на изобретения №№ 1.322.798,1.602.178,1.718.068.

Изложение основных результатов диссертационной работы содержится в следующих трудах:

1. Гуревич М. И., Перельман Б. С. Вопросы долговечности крыльевых устройств судов на подводных крыльях/Конструирование и прочность скоростных судов с новыми режимами движения, вып. 77, Л.:Судостроение, 1966,с. 61—71.

2. Гуревич М. И., Перельман Б. С. Вопросы прочности крыльевых устройств судов//Судостроение, № 11, 1969.

3. Гуревич М. И., Куров И. Е. Метод ускоренного определения усталостных характеристик алюминиевых сплавов//Судостроение Горький: В.-Вятское книжное изд-во, 1971, с. 424—439.

4. Гуревич М. И., Перельман Б. С., Чубиков Б. В. Анализ повреждений конструкций судов на подводных крыльях//Вопросы речного судостроения, Горький: Волго-Вятское книжное изд-во, 1971, с. 440— 451.

5. Гуревич М. И. Сравнительная оценка работоспособности материалов крыльевых устройств судов под действием повторных нагрузок //Труды КАИ. Вып. 132. Казань, 1971. С. 82-89.

. 6. Гуревич М. И., Перельман Б. С, Радовицкий Г. Л. Предельная динамическая прочность конструкций судов на подводных крыльях// Проектирование быстроходных судов, вып. 231, Л.: Судостроение, 1975, с. 108-117.

7. Чубиков Б. В., Юферев Г. А., Зиганченко П. П., Гуревич М. И. Некоторые результаты внедрения прессованных панелей в конструкции опытных и серийных судов на подводных крыльях//Проектирова-ние быстроходных судов, вып. 231, Л.: Судостроение, 1975, с. 43—52.

8. Васин А. И., Гуревич М. И., Ерлыкин И. И., Садовский Б. В. Результаты опытной эксплуатации несущих крыльев речных СПК из сплава АМГ61//Пути повышения прочности, улучшения конструкций и технологии постройки судов с динамическими принципами поддержания. Л.: Судостроение, 1975, с. 5—8.

9. Гуревич М. И., Меркурьев С. А., Чубиков Б. В. Экспериментальное исследование эффективности подкреплений межоконных перемычек СПК на тензометрической модели//Конструкция и прочность судов, вып. 234, Л.: Судостроение, 1976, с. 152—160.

10. Арчаидзе 3. Н., Гуревич М. И., Перельман Б. С., Чубиков Б. В., Юферев Г. А. Крепление крыльевого устройства к корпусу судна АС СССР № 889519, М., БИТЗ № 46,1981.

11. Перельман Б. С., Иконников В. В., Гуревич М. И., Максимов В. Я., Кутявин Е. Н. Концевой кронштейн опоры гребного вала судна на подводных крыльях. АС СССР № 953778, М., БИТЗ № 12, 1982.

12. Куров И. Е., Гуревич М. И., Конюхов Б. А., Циферблат Л. Ф. О связи критерия разрушения Коффина с распределением микронапряжений на поверхности твердых тел//Физические основы прочности и кластерная динамика. ГГПИ им. М. Горького, Горький, 1984, с. 3—6.

13. Гуревич М. И., Перельман Б. С., Куров И. Е., Циферблат Л, Ф. К методике определения долговечности элементов конструкций на основании рентгеновских измерений/Совершенствование эксплуатации и ремонта судов. Калининград, КТИРПХ, 1984, с. 296—297.

14. Куров И. Е., Гуревич М. И., Циферблат Л. Ф. Полумикроскопическая модель накопления повреждений в поликристаллических материалах/Роль дефектов в физико-механических свойствах твердых тел. Барнаул, АПИ, 1985, с. 29.

15. Куров И. Е., Гуревич М. И., Гришин В. А., Циферблат Л. Ф. Алгоритм прогноза долговечности конструкций по результатам рентгеновских дифрактометрических измерений/Прикладная рентгенография металлов. Л., Л ПИ, 1986, с. 39.

16. Куров И. Е., Гуревич М. И., Гришин В. А., Циферблат Л. Ф. Алгоримт прогноза долговечности реальных конструкций по результатам рентгеновских дифрактометрических измерений/Совершенствование эксплуатации и ремонта корпусов судов. Калининград, НТО Судпрома, 1986, с. 69-70.

17. Куров И. Е., Циферблат Л. Ф., Хлыбов А. А., Гуревич М. И., Перельман С. В., Перельман Б. С. Способ определения долговечности образцов и элементов конструкций. АС СССР, № 1.322.798, М., БИТЗ, № 25,1987.

18. Гуревич М. И., Перельман Б. С., Циферблат Л. Ф. О возможности использования метода сеток для прогноза прочностных свойств реальных конструкций//Физические основы прочности и пластичности, Горький, ГГПИ им. Горького, 1987, с. 40—47.

19. Куров И. Е., Гуревич М. И., Минацевич С. Ф., Циферблат Л. Ф. Связь между накоплением поврежденности материала и параметрами случайного поля микродеформации//Физические основы прочности и пластичности, Горький, ГГПИ им. Горького, 1987, с. 3—9.

20. Куров И. Е., Гуревич М. К, Гришин В. А., Циферблат Л. Ф. Использование характеристик рентгеновских дифракционных максимумов для оценки долговечности элементов конструкций/Современные проблемы строительной механики и прочности летательных аппаратов, Казань, КАИ, 1988, с. 82—83.

21. Перельман Б. С., Гуревич М. И., Циферблат Л. Ф., Перельман С. В., Пегое М. Е. Контроль за долговечностью элементов конструкций с помощью датчиков дисперсии/Современные проблемы строи-

тельной механики и прочности летательных аппаратов, Казань, КАИ, 1988, с. 118.

22. Перельман Б. С., Пегое М. Е., Гуревич М. И., Циферблат Л. Ф., Перельман С. В. Использование датчиков дисперсии деформаций для прогноза долговечности элементов реальных конструкций/Поверхности раздела, структурные дефекты и свойства металлов и сплавов, Череповец, ЧГПИ, 1988, с. 129-130.

23. Куров И. Е., Гуревич М. И., Гришин В. А., Циферблат Л. Ф. Опыт оценки долговечности элементов конструкций на основе рентгеновских дифрактометрических измерений/Поверхности раздела, структурные дефекты и свойства металлов и сплавов, Череповец, ЧГПИ, 1988, с. 129.

24. Куров И. Е., Перельман Б. С., Гуревич М. И., Циферблат Л. Ф., Пегое М. Е., Перельман С. В. Отслеживание накопления повреждений в элементах конструкций с помощью датчиков дисперсии/Структура и свойства материалов, Новокузнецк, НГПИ, 1988, с. 166.

25. Куров И. Е., Гуревич М. И., Гришин В. А., Циферблат Л. Ф. Определение долговечности при многоцикловой усталости с помощью анализа формы рентгеновских дифракционных пиков/Структура и свойства материалов, Новокузнецк, НГПИ, 1988, с. 91—92.

26. Куров И. Е., Гуревич М. И., Циферблат Л. ф., Перельман Б. С., Перельман С. В., Шелыганов И. Б., Сафонов В. В. Способ определения остаточного ресурса материала детали: АС СССР № 1.446.462, М., БИТЗ № 47,1988.

27. Куров И. Е., Гуревич М. И., Гришин В. А. Изменение формы линий рентгенограмм в процессе циклического нагружения/Приклад-ная рентгенография металлов, JI., ЛГТУ, 1990, с. 94.

28. Куров И. Е., Перельман Б. С., Гуревич М. И., Перельман С. В. Опыт использования датчиков дисперсии деформаций при испытаниях натурных конструкций//Вероятностно-физические методы исследования надежности машин и аппаратуры.— Киев, РДНТП, 1990, с. 7—8.

29. Куров И. Е., Перельман Б. С., Гуревич М. И., Перельман С, В. Использование датчиков дисперсии деформаций для ускоренных оценок усталостных характеристик элементов конструкций//Проблемы прочности и снижения металлоемкости корпусных конструкций перспективных транспортных судов и плавучих сооружений, Л.: Судостроение, 1990, с. 110-111.

30. Чубиков Б. В., Перельман Б. С., Гуревич М. И. Предельные сроки службы и экономичность эксплуатации морских СПК//Пробле-мы прочности и снижение металлоемкости корпусных конструкций перспективных транспортных судов и плавучих сооружений, Л.: Судостроение, 1990, с. 39—40.

31. Куров И. Е., Гришин В. А., Гуревич М. И., Циферблат Л. Ф., Перельман Б. С., Дубинская М. Я. Способ определения долговечности образцов. АС СССР № 1602178, М., публ. 22.6.1990, ДСП.

32. Куров И. Е., Гуревич М. И., Перельман Б. С. Исследование накопления повреждений элементов конструкций методом сеток//Физи-ческие основы прочности и пластичности, НГПИ им. М. Горького, Н. Новгород, 1990, с. 8—17.

33. Куров И. Е., Перельман Б. С., Гуревич М. И., Перельман С. В. Использование вероятностно-физических моделей для построения методики ускоренных усталостных испытаний элементов конструкций/Эксплуатационная и конструктивная прочность судовых конструкций, Н. Новгород, НПИ, 1991, с. 45—46.

34. Куров И. Е., Гуревич М. И., Гришин В. А. Влияние неоднородности пластических деформаций на рентгеновские характеристики тонкой структуры//Физические основы прочности и пластичности, НГПИ им. М. Горького, Н. Новгород, 1991, с. 18—20.

35. Тихонов Ю. В., Гуревич М. И., Пегое М. Е., Мешков А. И.,Бога-севич Н. Б., Перельман Б. С. О некоторых подходах к сокращению объема стендовых усталостных испытаний дисков колес автомобиля// Физические основы прочности и пластичности, НГПИ им. М. Горького, Н. Новгород, 1991, с. 32-42.

36. Гуревич М. И., Куров И. Е., Перельман Б. С. Практическое использование физико-вероятностных моделей для оценки ресурса элементов конструкций/УН Всесоюзный съезд по теоретической и прикладной механике. Аннотации докладов, М., Институт проблем механики АН СССР, 1991, с. 121.

37. Куров И. Е., Гуревич М. И., Гришин В. А. Способ определения ресурса материалов. АС СССР № 1718068, М., БИТЗ № 9, 1992.

38. Гуревич М. И. Некоторые практические методы оценки усталостной долговечности конструкций. Монография, Н. Новгород, изд-во НГУ, 1992, 104 с.

39. Гуревич М. И., Куров И. Е. Использование физико-вероятностной модели для практических оценок усталостной долговечности// Вероятностно-физические методы исследования надежности машин и аппаратуры. Киев, РДЭНТЗ, 1992, с. 7—8.

40. Гуревич М. И., Перельман Б. С. «Возможности контроля усталостной долговечности судовых конструкций в эксплуатации», Труды международной конференции по судостроению, посвященной 100-летию ЦНИИ им. А. Н. Крылова, г. С.-Петербург, 1994, с. 374—381."

41. Гуревич М. И., Перельман Б. С. Вопросы обеспечения усталостной долговечности конструкций экранопланов//Техническое обеспе-

чение создания и развития воздушно-транспортных средств «Экраноп-лан-94», Казань, 1994, с. 44—45.

42. Гуревич М. И., Гуревич И. М. О значениях коэффициента вариации статистических распределений характеристик прочности, пластичности и долговечности//Проблемы машиноведения, НФ ИМАШ РАН, Н. Новгород, 1997, с. 81.

43. Гуревич М. И., Перельман Б. С. Обеспечение ресурса скоростных судов с использованием датчиков дисперсии деформаций// Проектирование скоростных судов, Н. Новгород, 1997, с. 107.

Введение б

Глава 1. Анализ видов повреждений конструкций в эксплуатации ■ и «предельные>? сроки службы конструкции.

Глава 2. Развитие представлений о накоплении структурных повреждений в конструкционных материалах при циклическом нагружении.

2.1. О роли пластической деформации в процессе накопления усталостных повреждений.

2.2. О роли поверхности в процессе усталостного разрушения

Глава 3. Развитие подходов к учету усталостной долговечности судовых конструкций и концепция оценки долговечности скоростных судов.

Глава 4. Разработка, опробирование и оценка точности показаний датчиков дисперсии деформации (ДДД).

4.1. Научные предпосылки к разработке датчика.

4.2. Конструкция и технология изготовления ДДД.

4.3. Опробирование ДДД на образцах.

4.3.1. Задачи, материал, оборудование. 4.3.2. Отработка способов крепления датчиков.

4.3.3. Проверка чувствительности показаний ДДД.

4.3.4. Оценка точности измерения параметров: средняя деформация (Еср) и дисперсия деформаций (Д).

4.3.5. Разработка бортового комплекса измерений.

4.4. Использование ДДД для ускорения определения усталостных характеристик образцов и деталей и основные положения методологии практических оценок усталостной долговечности образцов и элементов конструкций.

Глава 5. Разработка методики испытаний крупногабаритных узлов и натурных конструкций СПК и экранопланов.

5.1. Оценки поврежденности корпусных конструкций СПК (судов на подводных крыльях).

5.1.1. Задачи и методика проведения испытаний.

5.1.2. Анализ результатов испытаний*на речных пассажирских СПК типа «Восход » (пр. 352).

5.1.3. Анализ результатов испытаний на речных пассажирских СПК типа «Метеор» (пр. 342).

5.1.4. Анализ результатов испытаний на головном морском пассажирском СПК «Циклон» (пр. 1235)

5.1.5. Анализ результатов испытаний ДДД на СПК и расчетная оценка долговечности.

5.2. Анализ результатов испытаний пилона изделия зав. № С-12 (пр. 19500)

5.3. Разработка методики определения вероятностного распределения долговечности сварных узлов из сталей АК-ЗЗШ и 12Х18Н10Т.

5.4. Результаты испытаний крюка запорного устройства (пр. 904) . . ~

5.5. Анализ сравнительных испытаний на выносливость сварных соединений из сплава 15 61 с использованием ДДД.

Глава б. Разработка методик ускоренного получения усталостных характеристик изделий машиностроительной части.

6.1. Ускоренные испытания на усталость шатунов двигателя с помощью ДДД.

6.2. Испытания дисков колес автомобиля ГАЗ 2410 с использованием ДДД.

6.3. Использование ДДД для оценки долговечности партий изделий, изготовленных по различной технологии.

6.3.1. Обработка результатов испытаний шатунов двигателя автомбиля ГАЗ-66 методом Митропольского-Шашина.

6.3.2. Обработка показаний ДДД, установленных на шатунах двигателя автомобиля ГАЗ-66.

6.3.3. Обработка показаний ДДД, установленных на шатунах двигателя автомобилей ГАЗ 24-10 и ГАЗ 52-04.

6.4. Использование ДДД для получения распределения усталостной долговечности по результатам испытаний одного сварного узла.

Глава 7. Методические рекомендации по оценке усталостной долговечности конструкций судов с использованием ДДД.

7.1. Образцы, детали, узлы подвергаются одноступенчатым усталостным испытаниям до разрушения.

7.2. Образцы, детали, узлы, суда подвергаются одноступенчатым испытаниям до определенного (фиксированного) числа циклов нагружения при известном предельном значении накопленной деформации.

7.3. Прогноз усталостной долговечности конструкций судов в условиях эксплуатации.

7.4. Определение эквивалентных режимов нагружения (образцы, детали, узлы, суда)

7.5. Приближенная оценка параметров распределения и показателей надежности.

7.6. Испытания по «программам».

7.7. Обобщенные рекомендации и их связь с методологией практических оценок усталостной долговечности.

Глава 8. Разработка и оценка возможностей рентгеновских методов определения долговечности элементов конструкций.

Основные результаты работы и выводы

Практика эксплуатации инженерных сооружений показывает, что от 80 до 90% (по разным оценкам) всех отказов конструкций в эксплуатации ■ связано с усталостью их элементов. Такое положение имеет место?несмотря на то, что систематические . исследования явления усталости ведутся примерно 150 лет физиками, математиками и инженерами. Более тогоможно считать, что проблема обеспечения, необходимой работоспособности элементов конструкций обостряется с развитием техники и связана в первую очередь с разрешением противоречия вес — прочность.Создание более легких и экономичных конструкций приводит, как правило, к снижению «предельных» сроков их службы по условиям сопротивления усталостному разрушению. Л;.,,. " ■ Накопленный опыт показывает, что при решении задач конструкционной прочности и, в частности, сопротивления усталостному разрушению, . решающую роль, как правило играют конструктивно-технологические факторы, теоретический учет которых затруднен или практически исключен. . '

Расчетным путем с использованием современных вычислительных средств трудно (часГто невозможно) оценить, влияние различного рода конструктивно-технологических и эксплуатационных факторов, (техно- ч: логин обработки; остаточные напряжения, привнесенные технологией сборки; изменения материала,;вызванные структурными превращениями в нем под влиянием силовых, температурных, коррозионных и других воздействий и т. п.) . . t

V: Именно поэтому, по мнению академика АН УССР Г. С. Писаренко решение отмеченных выше задач должно базироваться на данных экспериментальных исследований, которые по праву следует отнести к ' числу фундаментальных работ данной области.

В связи с значительной стоимостью и большой трудоемкостью э кс п ериме н т а л ь ных работ (в ряде отраслей техники —авиация, судостроение, автомобилестроение и др. испытаниям должны быть подвергнуты натурные образцы изделий) огромное значение придается методологии исследований.

Одним из важнейших показателей методологии является определение критического состояния элемента конструкции (детали) . Современные представления свидетельствуют, что критерии предельного состояния детали могут быть самыми различными, и характеризоваться как структурное состояние материала, при котором дальнейшая эксплуатация рассматриваемого элемента конструкции становится невозможной . Критериями состояния могут быть — нагрузки, приводящие к разрушению; остаточные деформации, исключающие дальнейшую эксплуатацию; возникновение трещинрталости определенных размеров; потеря устой- : чивости; предельный износ поверхностных слоев материала детали и другие факторы. С учетом изложенного выше можно подчеркнуть, что: основой основ оценки предельного состояния того или иного элемента конструкции является эксперимент.

Другим важнейшим показателем методологии экспериментальных работ по оценке сопротивления материалов и элементов конструкции усталостному разрушению является подход к определению расчетных показателей.

Для этих целей часто используются вероятностные распределения. (модели) отказов — экспоненциальное, Вейбулла, логарифмически нормальное и др.

Известен другой подход установления количественных показателей долговечности некоторых изделий, в отличие от строго вероятностного использующий информацию о значениях некоторых физических параметров, характеризующих его техническое состояние.

В этом случае установление количественных показателей связано с выявлением кинетических закономерностей физических процессов.дёг-радации и определения критического уровня этого процесса. Эффективным, оказалось использование в качестве моделей деградации случайных: процессов марковского типа и стохастических кинетических уравнений. Этот подход называют^ вероятностно-физическим. •

Отметим, что для решения отмеченных выше задач в условиях острого, дефицита, времени и ограниченности статистических данных только вероятностно-физический подход, дополнительно использующий информацию о физических процессах деградации, может привести к более эффективным решениям. С помощью таких моделей могут быт ь значительно (иногда в десятки раз) сокращены объемы и время экспериментальных работ при оценках долговечности, могут быть сделаны анализ проведения и .прогноз долговечностиг решаться .и другие задачи.

Автор выносит на защиту:

Экспериментально-аналитическую концепцию прогнозирования сопротивления усталостному разрушению металлических:материалов и элементов конструкций при использовании для получения количественных показателей многопараметрических вероятностно-физических или феноменологических моделей и их описание с помощью случайных процессов марковского типа. Впервые для построения и уточнения этих моделей созданы и использованы специальные приборы, позволяющие; исследовать процесс накопления пластической .деформации на двух масштабных уровнях с учетом ее неравномерности.

Научную методологию исследования процесса пластического деформирования для металлических материалов и элементов конструкций в различных условиях эксплуатации с учетом его неравномерности. Впервые разработан датчик дисперсии деформации (ДДД) , п о з в о л яюший с оцениваемой точностью производить измерения параметров накопленной пластической деформации как в лабораторных, так и в условиях испытаний крупногабаритных натурных конструкций. Впервые в рамках предложенной методологии используются рентгеновские датчики акало-гичного тип-а. Для ускорения обработки показаний датчиков и получения оперативных результатов по оценке долговечности в эксплуатационных условиях впервые разработан «переносный» (бортовой) комплекс полуавтоматического измерения показаний ДДД.

Практические методические разработки и инженерные оценки сопротивления усталостному разрушению (основанные на результатах проведенных исследований) , образцов, деталей, узлов, натурных конструкций судостроительной, автомобильной и мукомольной промышленности, изготовленных из сталей, алюминиево-магниевого сплава, титанового сплава (всего 8 марок) , при этом технологии изготовления включали литье, сварку, механическую обработку, поверхностное упрочение. Сокращение 'времени и объемов испытаний достигнуто в 2— 30 раз. "д .'При выполнении практических разработок впервые получены:

- — вероятностные распределения усталостной долговечности крупногабаритных конструкций судостроительной, автомобильной, мукомольной промышленности по результатам испытаний 1—3 изделий с датчиками дисперсии деформаций и оцениваемой точностью; расчетные показатели усталостной долговечности натурных конструкций судостроения по результатам измерений ДДД в эксплуатационных условиях; прогнозируемые показатели усталостной долговечности крупногабаритных элементов конструкций без разрушения изделий при испытаниях или эксплуатации с оцениваемой точностью (при использовании ДДД) ; на основе анализа массовых испытаний образцов уточнены коэффициенты вариации статистических распределений характеристик-прочности/ пластичности и долговечности конструкционных материалов, что'позволило реализовать «экспресс-методы» методы получения вероятностных распределений усталостной долговечности.

Диссертационная работа выполнялась в соответствии утвержденной ГКНТ СССР и Президиумом АН СССР общесоюзной научно-технической программой «Надежность» на •1987—1990 гг. "^задание П.01.Нба); Решением МСП, МАП, ВМФ и ВВС об обеспечении эксплуатации, ремонта и модернизации.экранопланов в составе авиации ВМФ № 703/038 от 26.02 .1990 г., планами АО «Центральное конструкторское бюро по судам на подводных крыльях», АО «ГАЗ» и других организаций.