автореферат диссертации по транспорту, 05.22.10, диссертация на тему:Прогнозирование живучести несущих систем мобильных машин по критериям хрупкой и усталостной прочности

ОРЕНБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Р1 1з ОД 3 и \ш ¡983

На правах рукописи

ЧЕКУРОВА ГАЛИНА АЛЕКСАНДРОВНА

УДК 629.1:620.178.3

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ЖИВУЧЕСТИ НЕСУЩИХ СИСТЕМ МОБИЛЬНЫХ МАШИН ПО КРИТЕРИЯМ ХРУПКОЙ И УСТАЛОСТНОЙ ПРОЧНОСТИ

05.22.10 - эксплуатация автомобильного транспорта

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Оренбург 1998

Работа выполнена в

Оренбургском государственном университете.

Научные руководители:

- доктор технических наук, профессор Щурин Константин Владимирович;

- кандидат технических наук, доцент Ромашов Роберт Васильевич.

Официальные оппоненты:

- доктор технический наук, профессор Миркитанов Владимир Ильич;

- кандидат технических наук, доцент Рассоха Владимир Иванович.

Ведущая организация - Научно-технический центр

по тракторным прицепам (г.Орск).

Защита состоится

4

о

1998г. в ЛЬ часов на

заседании диссертационного совета К 064.64.01 в Оренбургском государственном университете по адресу: 460352, г.Оренбург, пр. Победы, 13.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Оребургского государственного университета.

Автореферат разослан "_/_

3

1998г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, доцент

Ю.Р.Владов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ. В настоящее время в связи с интеграцией экономики страны в мировой рынок остро встаёт проблема конкурентоспособности отечественной мобильной техники. Это значительно повышает требования к обеспечению её надёжности при одновременном снижении материалоёмкости и удельных эксплуатационных расходов, и доведении этих показателей до уровня мировых стандартов.

Повышение надёжности мобильной техники при одновременном снижении материалоёмкости - две противоречивые, зачастую взаимоисключающие проблемы, решение которых требует, чтобы несущая способность конструкций использовалась практически полностью. Поэтому возникает необходимость при создании таких конструкций учитывать процесс разрушения. Глубокое изучение этого процесса позволит управлять им и обеспечить работу мобильной техники в условиях регламентируемого разрушения, так как уже на стадии проектирования можно будет перейти от принципа "безопасного ресурса" к принципу "безопасного повреждения".

Особый интерес представляет проблема прогнозирования индивидуального остаточного ресурса (живучести) мобильной техники на стадии эксплуатации, решение которой открывает дополнительные пути для получения экономического эффекта. Переход к индивидуальному прогнозированию ведёт к увеличению среднего ресурса машин и открывает путь для обоснованного выбора оптимального ресурса и межремонтных периодов.

Поскольку указанная проблема решена недостаточно, тема диссертации актуальна и представляет научный и практический интерес.

Разработка более совершенных методов и средств оценки повреждаемости и остаточного ресурса соответствует программам Академии наук, Академии инженерных наук, Академии сельскохозяйственных наук и Академии транспорта РФ (05.020Ф и 05.040Ф), принятым в 1991...95г.г„ а также планам НИР Оренбургского государственного университета (ОГУ) по темам №01890006482 и №01840051496, выполненным в период 1989.. Л 996г.г.

ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ РАБОТЫ. Целью настоящей работы является повышение эффективности НИОКР по созданию несущих систем мобильной техники с высокой надёжностью и пониженной металлоёмкостью за счет перехода на стадии проектирования конструкций к принципу "безопасного повреждения", а на стадии эксплуатации - к прогнозированию индивидуачьной живучести машин. Задачами работы, обусловленными её целью и анализом состояния вопроса, являются:

- разработка структурно-энергетического подхода к оценке сопротивления хрупкому разрушению;

- разработка методики неразрушающей оценки сопротивления хрупкому разрушению и критической температуры хрупкости сварных соединений;

- исследование и описание закономерностей роста усталостных трещин и остановок в их развитии с учётом истории нагружения;

- разработка (по результатам испытаний образцов и локальных моделей) ме- ' тодики оценки живучести узлов несущих систем мобильной техники при наличии в них трещин.

ОБЪЕКТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ - типовые узлы рамных несущих систем автомобилей и их прицепов, строительных и сельскохозяйственных машин транспортного и технологического назначения.

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ основывается на энергетическом (термодинамическом) методе прогнозирования истинных характеристик прочности материалов в разнообразных условиях деформации и теории механики трещин, а также включает экспериментальные исследования кинетики усталостного разрушения и статистический анализ их результатов. НАУЧНАЯ НОВИЗНА:

1. Предложен новый физически обоснованный термодинамический критерий хрупкого разрушения и методика косвенной неразрушающей его оценки и критической температуры хрупкости через измерение твёрдости.

2. Выявлены, сформулированы и описаны закономерности роста усталостных трещин, условий остановки в их развитии с учётом истории нагружения, применимые при напряжениях выше и ниже исходного предела выносливости;

3. Разработана методика определения исходного предела выносливости и его снижения с ростом трещины.

4. Разработаны теоретические основы, методика и алгоритмы оценки живучести несущих систем мобильной техники при наличии в них трещин.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ:

1. Предложенный физически обоснованный критерий хрупкого разрушения и неразрушаюгций метод его оценки по измерению твёрдости позволяет:

- на стадии проектирования выбрать материал и типы сварных соединений с требуемой хладостойкостью и регламентировать допускаемые при изготовлении дефекты сварки;

- на стадии эксплуатации предсказать наступление хрупкого состояния в локальных точках сварного соединения.

2. Предложен сравнительный анализ сопротивления росту усталостных трещин некоторых марок низколегированных сталей

3. Предложенная методика определения исходного предела выносливости и его снижения с ростом трещины позволяет:

- получить эти характеристики испытанием единичной локальной модели;

- достигнуть большей достоверности результатов испытаний, так как рассеяние характеристик живучести намного меньше, чем характеристик выносливости по окончательному разрушению.

4. Разработанная методика оценки живучести узлов позволяет обоснованно и с установленной вероятностью неразрушения:

- на стадии проектирования выбрать материал и сварные узлы с повышенной живучестью и перейти на методику определения ресурса по принципу безопасного повреждения;

- на стадии эксплуатации прогнозировать индивидуальный остаточный ресурс несущих систем по результатам наблюдений за их состоянием в процессе эксплуатации, а также более обоснованно назначать межремонтный период.

РЕАЛИЗАЦИЯ РАБОТЫ. Разработанные методики, а также результаты проведённых исследований используются в НТЦ по тракторным прицепам (г.Орск).

Подтверждённый суммарный годовой экономический эффект от внедрения результатов работы составляет 880тыс. рублей по ценам января 1991г. Доля автора составляет 528тыс. рублей.

Результаты работы используются в учебном процессе кафедр "Техническая эксплуатация и ремонт автомобилей", "Автомобили" и "Сопротивление материалов" Оренбургского государственного университета.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные результаты исследований по теме диссертации докладывались и обсуждались на: IV научно-технической конференции "Повышение циклической прочности материалов методами поверхностного пластического деформирования". (Пермь. 1974 г.); Областной научно-технической конференции. (Оренбург. 1976 г.); Уральской научно-технической конференции "Проблемы снижения металлоёмкости машин, пути сокращения металла в машиностроении". (Уфа. 1976 г.); XXX научно технической конференции института, посвященной 60-летию Октября". (Челябинск, ЧПИ. 1977 г.); Межвузовском научно-техническом семинаре "Проблемы повышения надёжности конструкций ". (Куйбышев. 1980 г.); Всесоюзной конференции "Повышение долговечности и надёжности машин и приборов". (Куйбышев. 1981 г.); I Всесоюзной конференции по механике разрушения. (Львов. 1987 г.); XII Всесоюзной конференции по физике прочности и пластичности металлов и сплавов. (Куйбышев. 1989 г.); Всесоюзной научно-технической конференции по надёжности. (Куйбышев. 1989 г.); XII Всесоюзной конференции по тепловой микроскопии. (Каунас. 1989 г.); III Всесоюзном симпозиуме по механике разрушения. (Житомир. 1990 г.); XIV конференции "Структура и прочность материалов в широком диапазоне температур". (Воронеж. 1992 г.); II Российской научно-технической конференции "Концепция развития и высокие технологии производства и ремонта транспортных средств. (Оренбург. 1995 г.).

Диссертация обсуждена и рекомендована к защите на объединенном заседании кафедр «Автомобили», «Техническая эксплуатация и ремонт автомобилей» и "Сопротивление металлов" Оренбургского государственного университета.

ПУБЛИКАЦИИ. По теме диссертации опубликована 31 работа.

ОБЪЕМ И СТРУКТУРА. Диссертация общим объёмом 170 страниц состоит из введения, 5 глав, выводов, списка литературы из 125 наименований

и 4 приложений; содержит 140 страниц машинописного текста и 30 страниц приложений, 48 рисунков и 28 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

ВО ВВЕДЕНИИ обоснована актуальность работы, сформулированы научная новизна, цель, задачи исследования и основные положения, выносимые на защиту.

В ПЕРВОЙ ГЛАВЕ подвергнуты анализу надёжность несущих систем мобильной техники и результаты исследований в публикациях по теме диссертации, определены методологические основы прогнозирования живучести рамных металлоконструкций, включающие:

а) необходимость разработки методики определения повышения критической температуры хрупкости по мере накопления усталостных повреждений;

б) исследование закономерностей роста усталостных трещин, условий остановки в их развитии и влияние истории нагружения на образцах и локальных моделях;

в) разработку методики оценки живучести (остаточного ресурса) несущих систем на основе полученных результатов исследования.

Существенный вклад в вопросы исследования хрупкого и усталостного разрушения материалов и конструкций, а также в решение проблемы обеспечения надёжности мобильной техники внесли В.В. Болотин, В.А. Гладков-ский, A.C. Гусев, С.С. Дмитриченко, B.C. Иванова, В.П. Когаев, JI.A. Копель-ман, Р.В. Кугель, Ю.Я. Мешков, В.И. Миркитанов, Е.К. Почтенный, C.B. Сервисен, В.Т. Трощенко, Г.В. Ужик, В.В. Федоров, К.В. Щурин и др.

Анализ публикаций позволил сделать следующие выводы:

1. Несущие системы мобильной техники, являясь сварными конструкциями, работают при высоких динамических нагрузках в жестких природно-климатических условиях, поэтому подавляющее большинство их отказов связано с возникновением трещин как усталостных, так и хрупких. Усталостное разрушение сварных конструкций начинается задолго до исчерпания их несущей способности, что позволяет допустить работу конструкции в условиях регламентированного разрушения. Дефекты изготовления, которые всегда присутствуют в конструкции, являются очагами раннего зарождения трещин, поэтому долговечность по окончательному разрушению почти целиком определяется временем роста трещин.

2. В настоящее время превалирует оценка ресурса несущих систем по кривой Велера (без учета стадии роста трещин), в то время как более правомерным является оценка их ресурса с учетом живучести материала и узлов конструкции при наличии в них трещин. Кроме того, и периоды эксплуатации между осмотрами и ремонтами должны назначаться с учетом живучести элементов несущих систем при наличии в них трещин.

3. Несмотря на большое число публикаций по исследованию кинетики разрушения материалов, они относятся к узкому классу материалов, а полученные закономерности имеют относительно узкие области применения. Недостаточно изучено влияние истории нагружения и напряжений ниже исходного предела выносливости, которые оказывают существенное влияние на живучесть конструкции при нестационарном нагружении. Существующие методики оценки живучести (остаточного ресурса) конструкций относятся, как правило, к стационарному нагружению.

4. С понижением температуры эксплуатации материал конструкции ох-рупчивается. Степень охрупчивания увеличивается с накоплением усталостных повреждений. Это вызывает опасность хрупкого разрушения при температуре эксплуатации. Основным параметром хладостойкости материала и сварных соединений является критическая температура хрупкости, которая повышается по мере наработки ресурса. Это вызывает необходимость научного обоснования критерия хрупкого разрушения, который позволил бы разработать неразрушающий метод оценки критической температуры хрупкости, удобный для применения в условиях эксплуатации.

ВО ВТОРОЙ ГЛАВЕ предлагается структурно-энергетический подход к оценке сопротивления конструкционных сталей хрупкому разрушению.

На основе структурно-энергетического (термодинамического) подхода к прочности и разрушению твёрдых тел Федоровым В.В. предложено поведение материала в разнообразных условиях деформирования оценивать по истинным характеристикам прочности 5). и 5о„. для которых установлена тесная корреляционная связь с такой локальной характеристикой, как твёрдость.

Учитывая, что микромеханизм вязкого разрушения в шейке растягиваемого образца и хрупкого разрушения в температурном интервале вязко-хрупкого перехода один и тот же - микроскол, сделано сопоставление различных характеристик хрупкого разрушения с истинным сопротивлением вязкому отрыву 5/..

Результаты обработки экспериментов, проведенных на большой группе углеродистых и низколегированных сталей (более 90), показали, что:

а) сопротивление отрыву 30тр (по Копельману Л.А.) и сопротивление микросколу Яж (по Мешкову Ю.Я.) близки между собой, что следует и из определений, данных авторами;

б) значения сопротивления отрыву /?ст (Ужика Г.В.) выше значений Л„г

что также соответствует определениям, данных авторами;

в) истинное сопротивление всякому отрыву соответствует сопротивлению микроскола деформированного состояния Яже и занимает промежуточное положение между Л„с (5отр).

Теоретический анализ, подтверждённый экспериментально, позволил предложить физически обоснованную зависимость, устанавливающую однозначную взаимную связь между сопротивлением микросколу и истинной ме-

ханическои характеристикой, определяемой при статическом растяжении, в виде

ч<>-5

,Д5

Я.„с =

о

■Б,.,

(1)

где у0 = —1— структурный параметр, обратная величина которого служит количественной мерой запаса вязкости; ка - структурный параметр, представляющий собой отношение реальной и теоретической прочности материала; истинное сопротивление пластической деформации (сдвигу), МПа; сгт - предел текучести, МПа.

Рассчитанные по этому уравнению значения Ямс сопоставлены с экспериментальными значениями. Среднее отклонение расчётных данных от экспериментальных составляют ±6 %, что приемлемо для практических целей.

Имеющаяся корреляционная связь структурного параметра ка с твердостью по Виккерсу НУ о (которая получена статистической обработкой обширного массива данных по механическим свойствам, включающим 268 наименований сталей и других материалов) позволяет установить однозначную корреляционную зависимость между сопротивлением микросколу /?Д(С и твердостью по Виккерсу НУо (рис. 1), которая аппроксимируется уравнением

Кие*0,34-НУ0.

(2)

юоо

то

Ш о

гооо то бооо щгн(]а.

Рис. 1. Зависимость сопротивления микросколу Кж от исходной твёрдости по Виккерсу НУ0

Эта зависимость позволяет определять значение предела текучести, при котором возникает опасность хрупкого разрушения:

(о- ) =—JL*-, (3)

(<т,/сг,)я +0,2

где (<Т|/сг, )и - жесткость напряженного состояния, зависящая от вида и формы дефекта сварки; а затем по известной зависимости «Предел текучести -Температура» - и критическую температуру хрупкости.

Так как в использованном критерии Копельмана JI.A. присутствует параметр, характеризующий жесткость напряженного состояния, зависящий от формы и размера дефекта сварки, установленная однозначная корреляционная связь между сопротивлением микросколу Rtic (вычисленным через структурно-энергетические параметры) и такой локальной характеристикой материала, как твёрдость, дает возможность ускоренной и неразрушающей оценки хладо-стойкости материала и отдельных зон сварного соединения с учётом наличия дефектов изготовления.

В ТРЕТЬЕЙ ГЛАВЕ описаны оборудование и методика экспериментального исследования усталостного разрушения образцов и локальных моделей.

Так как основным видом деформации лонжеронов является переменный изгиб (в вертикальной плоскости), все испытания проводились на повторно-переменный изгиб.

Стандартные образцы на живучесть испытывались на программной испытательной машине МИП-8М. Эта машина предназначена для испытания круглых образцов d = 8 мм на изгиб с вращением при частоте 50Гц и позволяет в пределах 12-ти ступеней широко варьировать схематизированные программы напряжений с погрешностью силоизмерения ±1,5%.

Для обнаружения трещины и визуального наблюдения за её ростом без остановки машины использовался стробоскопический микрофотоскоп, обеспечивающий с помощью фазосинхронизатора исследование рабочей части образца по всему периметру при увеличении х25...120. Это позволило фиксировать появление трещины и приращение её длины с точностью 0,01 мм.

Основой для выбора типового узла несущих систем мобильной техники послужилн данные анализа эксплуатационных разрушений и результаты испытаний на изгиб натурных рам. Поскольку при этом разрушались только лонжероны, за локальную модель принят участок лонжерона коробчатого профиля 140x140x5 мм, сваренный из двух штампованных П-образных профилей 140x70x5 мм. Сварные швы находились в ненагруженной зоне сечения. Длина моделей определялась габаритами испытательного оборудования и была равна 1,5 и 3 м.

Анализ эксплуатационных повреждений сварных рам показал, что усталостные трещины зарождаются в зонах сварки, поэтому для приближенного воспроизведения эффекта концентрации напряжений от сварки в модели делался налрез длиной 1п= 14 мм, который одновременно фиксировал место появления трещины.

Так как в последнее время для изготовления несущих систем мобильной техники используется низколегированная сталь, которая обладает повышенной прочностью и хладостойкостью по сравнению с малоуглеродистой, образцы и локальная модель изготовлялись из чаще всего применяемых марок сталей -09Г2С (и 09Г2-ДЛЯ сравнения) и 12ГС.

Испытания локальных моделей несущего бруса мобильной техники при стационарном нагружении изгибом (коэффициент асимметрии ¡1=0,1, частота 8 Гц) проводились на гидравлическом пульсаторе ГРМ-2; при стационарном и блочном нагружении изгибом ( коэффициент асимметрии II = -1, частота погружения 15 Гц) - на электромагнитном стенде ВИСХОМа.

В начале каждого испытания режим переменной нагрузки приближенно устанавливался по приборам пульта управления пульсатора и вкбростенда. Режим нагружения уточнялся по сигналам, поступающим от тензодатчкха, наклеенного на локальной модели вдали от концентратора. Погрешность сило-измерения составила 1%.

Наблюдение за ростом усталостных трещин в локальной модели осуществлялось с помощью микроскопа МПБ-2 при 24-крагном увеличении. Появление трещины фиксировалось с помощью тензодатчиков, наклеенных у основания надреза. Сигналы с тензодатчиков передавались на шлейф осциллографа Н-70Э пульта контроля нагрузки. Контроль за появлением трещины осуществлялся по размаху "зайчика" на экране осциллографа: при появлении трещины проволока тензодатчика разрывалась, вызывая разрыв электрической цепи, и "зайчик" останавливался.

Спектры эксплуатационных нагрузок в основном состоят из малых уровней напряжений и лишь небольшую их долю составляют высокие уровни напряжений. Повреждающее действие малых уровней напряжения возрастает с появлением трещины, так как с ростом трещины все меньшие уровни напряжений вызывают её дальнейшее развитие. Поэтому закономерности роста трещины (и условия её остановки) исследовались в широком диапазоне уровней стационарных напряжений - а =1,3...0,6<хь Для исследования кинетики роста трещины при напряжении ниже исходного предела выносливости трещину малой длины предварительно получали при напряжении ~ 1,02 ол, чтобы максимально снизить влияние истории нагружения.

Для уточнения методики оценки остаточного ресурса конструкции с трещиной образцы и локальная модель испытывались при программном (блочном) нагружении. За основу при составлении программы принималась интегральная функция бета-распределения, описывающая тяжёлый режим нагружения. Эта функция выбрана в целях ускорения испытаний.

Образцы испытывались на двух программах нагружения, представляющих 12-ти ступенчатую аппроксимацию ^-функции при а,ти = 1,25а, и 1,15<т.|, и <У..,т = 0,6сг.1 (в обоих случаях). Для изучения влияния истории нагружения на рост трещины осуществлялось чередование нагрузок - "верх-низ"(В-Н) и "низ-верх" (Н-В).

Блок программы для испытания локальной модели состоит из 5-и ступеней, симметрично расположенных относительно максимального уровня напряжений при сгтах= 1,Зо-.| и сги,„= 0,6сг.(.

В таблицах и на графиках представлены соответствующие 50%-ной вероятности числа циклов и суммы относительных повреждений, полученные по результатам испытаний 5...16 образцов с использованием стандартных статистических методов обработки экспериментальных данных. Значимость различия сопоставляемых величин обосновывалась с помощью ¿-критерия при надёжности вывода Р — 0,95.

В ЧЕТВЕРТОЙ ГЛАВЕ исследована кинетика усталостных разрушений (на образцах и локальных моделях) при стационарном и нестационарном нагружении в широком интервале напряжений (0,6...1,3 сг/<Х|).

Исследования показали, что усталостная трещина как на образцах, так и в натурных несущих системах в своем развитии проходит три стадии; несущая способность теряется на третьей стадии, которая занимает в общем времени роста трещины 3...8 %.

Рассеяние времени роста трещины подчиняется нормальному закону распределения. С увеличением длины трещины рассеяние времени ее развития уменьшается. Рассеяние времени развития трещины более чем в 4 раза меньше времени до появления трещин, т. е. рассеяние долговечности по окончательному разрушению определяется, в основном, рассеянием долговечности по появлению трещины.

В несущих системах мобильной техники, всегда имеющих дефекты изготовления, трещины появляются рано, и долговечность по окончательному разрушению определяется, в основном, временем развития трещины (рис.2).

и Ыж / Ыр локальной модели: Д - Ыж ; А - Ыр ; ® - Ыж / Ыр.

Живучесть конструкции с трещиной достигает 90% и уменьшается незначительно с увеличением уровня напряжений. Это значит, несущие системы мобильной техники большую часть долговечности по разрушению работают с трещиной, не теряя несущей способности.

При нестационарном нагружении живучесть К* как образцов, так и локальных моделей больше, чем при стационарном; увеличивается и доля живучести Ыж / Ыр в общей долговечности по разрушению (таблица 1).

Таблица 1.

Влияние нестационарности нагружения на появление и развитие трещины (при равенстве долговечностей по разрушению

Марка стали Объект испытания N„•10° циклов Мж-10"5 циклов N¡1! / Ыр %

09Г2С образцы 2,49 2,49 0.24 0,36 10 14,4

09Г2 образцы 2,84 2,84 0,74 1,03 25,8 36.2

12ГС локальная модель 1.93 1,93 1.45 1,66 69.9 86,0

Примечание-. В числителе приведены данные для стационарного нагружения, знаменателе - для программного.

В работе дается статистический анализ закономерностей роста трещин в широком интервале напряжений при отношении о; /а:/= 1,14...0,6, которые показали (на примере гладких круглых образцов, изготовленных из стали 09Г2С), что наиболее полно скорость роста трещины описывается зависимостью

¿И

= С-а"-1ь

(3)

а параметры п и Ъ для напряжений выше и ниже исходного предела выносливости существенно отличаются.

В частности для стали 09Г2С можно принять (при коэффициенте корреляции г =0,93)

Г« = ЗД 8; Ь = 1,5 (сг > сг_,) {и = 6,48; Ь = 2,1 (сг < ) Это говорит о том, что описание скорости роста трещины через коэффициент интенсивности напряжения справедливо только при напряжении выше исходного предела выносливости.

Усталостные трещины появляются при напряжении выше предела выносливости; с увеличением длины трещины все меньшие уровни напряжения вызывают ее дальнейшее развитие.

Исследование влияния длины трещины и истории нагружения на пороговое напряжение развития трещины проводилось по разработанной нами методике. Испытанию на изгиб с вращением подвергались образцы из низколегированной стали 09Г2С.

При заданном напряжении образовывалась трещина определенной длины. Затем напряжение уменьшалось до 0,2 предела выносливости и выдерживалось базовое число циклов.

Эксперименты показали, что увеличение базового числа циклов от 10' до 5 ■ 105 не отразилось существенно на результатах испытания. За пороговое напряжение развития трещины а,/, принималось такое, при котором трещина заданной длины за 2 • 105 циклов увеличивалась не более, чем на 0,1 мм. Это соответствует минимально возможному приращению ее длины, равному 5-Ю- мм/цикл, и составляет одно межплоскостное расстояние кристаллической решетки.

0.0

0,6. 0.5 0,4

0.3 О

1 ! 1 л, \Сталь 09Г2С

ИзЭа«^ ■ б- ЛЛ ! !-00 >' ''о ' ;

!

| 1 Щ 1 1 , Л

1 1 1 1 1 1 , : 1 1 1

О,3 0,4 0,5 0,6 О,в 1,0

г,о з,в 4.01м»

Рис. 3. Зависимости порогового напряжения развития трещины от напряжения, при котором трещина образовалась, и её длины.

Исследование влияния на пороговое напряжение роста трещины ее длины и истории нагружения в широком интервале напряжений, при котором трещина выращивалась, показали, что связь между ними наиболее полно описывается зависимостью Фроста

сг%,-1 = С, (4)

в которой параметры р и С существенно зависят не только от материала, но и от уровня предшествующего напряжения (рис.3). В зависимости от напряжения, при котором образовывалась трещина, р меняется в интервале 3...5, а С ~(аст_1)р •= 4,85 ■ 105...2,68 • 106; причем большие их значения соответствуют меньшим напряжениям (рис.4). Это значит, что степень снижения предела вы-

носливости с трещиной при одной и той же ее длине будет зависеть от величины уровня предшествующего напряжения, при этом напряжения выше предела выносливости оказывают более сильное влияние на степень снижения порогового напряжения роста трещины, чем напряжения ниже предела выносливости.

Р

5.0 кО

а

Ц62 -0.58 -ОМ

1"-——^

-1

V

0.& й9 1.0 1.1 <3 /6-1

Рис.4 Зависимости параметров а ар от напряжения, при котором образовывалась трещина

Зависимость порогового напряжения роста трещины от её длины для локальной модели исследовались по предложенной в работе методике и приведена на рис.5б.

В таблице 2 представлены параметры уравнения (4), полученные для локальной модели, в которой трещина выращивалась при напряжении, незначительно превышающим предел выносливости (сг~ 1,05 <хг).

Таблица 2.

Коэф. асим., Я МПа Р С ст,к{1= 14 см), МПа

0,1 147,5 4,63 3 ,35-105 103,3

- 1,0 84,0 6,1 2,92-107 52,0

Пороговое напряжение роста трещины представляет собой предел выносливости конструкции с трещиной, поэтому можно сделать вывод, что степень снижения предела выносливости локальной модели о® с увеличением асимметрии цикла уменьшается и достигает 0,6 (0,7) о^ при 11= -1 (0,1) соответственно. Однако следует иметь в виду, что при более высоких напряжениях выращивания трещины степень снижения предела выносливости будет больше.

В ПЯТОЙ ГЛАВЕ приводятся результаты исследования кинетики усталостного разрушения.

Исследования позволили дать сравнительную оценку живучести некоторых марок низколегированных сталей, широко применяемых при изготовлении несущих систем мобильной'техники. Результаты обработки экспериментальных данных по исследованию кинетики усталостных разрушений показали, что более прочные стали имеют большую критическую её длину, но имеют меньшую сопротивляемость росту трещины. Для реализации повышенных механических свойств более прочных сталей при проектировании сварных металлоконструкций необходимо для них устанавливать более жёсткие требования к допустимым дефектам по сравнению с менее прочными.

Анализ результатов исследования условия остановки роста трещины позволил предложить методику определения исходного предела выносливости по испытанию одного образца или единичной локальной модели экстраполяцией зависимости порогового напряжения роста трещины от её длины к пороговой длине трещины (рис.5). За пороговую длину трещины принимается трещина такой длины, которая не вызывает снижения предела выносливости.

Определенные этим методом значения исходного предела выносливости сопоставлены с результатами стандартных методов определения предела выносливости. Максимальное расхождение не превышает 6,5%. Сравнение этих значений с результатами испытаний наиболее точного метода "вверх-вниз" даёт расхождение да 2.5%, что приемлемо для практических целей.

Рис. 5. Кривые снижения предела выносливости образцов (а) и локальной модели (б).

Результаты, полученные при исследовании кинетики усталостного разрушения, позволили разработать методику оценки живучести несущих систем мобильной техники с трещиной при программном нагружении с учетом снижения предела выносливости по мере увеличения длины трещины и влияния истории нагружения.

В разработанной методике длина трещины определяется по формуле:

__Ьщах

'=/о+1 Ек*;-*,)-<] (5)

где Л - число блоков спектра нагружения; Ьтт - порядковый номер минимального уровня напряжения, вызывающий развитие трещины в данном блоке; Ьта* - порядковый номер максимального уровня напряжения в блоке; ЛГ( - число циклов /-го уровня напряжения в блоке; и, и 5, - параметры, зависящие от материала и уровня напряжения; ¿V,' =(Д ; /,./ - длина трещины после (/-/)-го уровня.

При достижении трещиной своего предельного значения /пр, наступит разрушение. Зная величину /пр, решив уравнение (5) относительно Л, вычисляется ЯпР, а значит и живучесть изделия с трещиной.

Для решения этой задачи составлен алгоритм программы вычисления живучести изделия с трещиной.

Значение /¡, полученное на каждом уровне напряжения Ь„ сравнивается с 'пр и (¡+1)-го уровня напряжения. При I, < считается, что трещина на этом уровне напряжения не растет, при этом производится выбор (;'+/)-го уровня напряжения, при котором соблюдается условие I, > а значит, растет трещина.

При достижении трещиной своего предельного значения /пр, расчёт прекращается. Живучесть изделия с трещиной определяется числом блоков Япр, необходимым для выращивания трещины от длины /о до /пр. Величина /пр определяется в зависимости от выбранного предельного состояния.

Эксперименты на образцах и локальной модели при блочном нагружении и различном чередовании нагрузок (верх-низ, низ-верх) показали, что расхождение экспериментальных и расчетных данных по живучести не превышает 12%, что удовлетворяет современным требованиям, предъявляемым к инженерным расчетам.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ Проведенные теоретические и экспериментальные исследования позволили сделать следующие выводы и предложения. 1. Предложены:

физически обоснованный энергетический (термодинамический) критерий хрупкого разрушения, выраженный через истинное сопротивление вязкому отрыву;

методика его оценки, а также критической температуры хрупкости, через такую локальную характеристику как твердость, что позволяет неразру-шающим методом предсказать наступление хрупкого состояния в различных зонах сварного соединения с учетом дефектов сварки.

2. Рассеяние долговечности по окончательному разрушению определяется в основном рассеянием долговечности по появлению трещины. Рассеяние времени развития трещины, как и долговечности по окончательному разрушению, подчиняется нормальному закону распределения и с увеличением степени развития трещины рассеяние времени ее развития уменьшается почти в 5 раз.

3. Наиболее полным является описание скорости роста трещины в зависимости от уровня возникающих напряжений и длины имеющейся на данный момент трещины. Описание скорости роста трещины через коэффициент интенсивности напряжения справедливо только при напряжениях выше исходного предела выносливости.

4. Условие остановки роста трещины наиболее полно описывается зависимостью Фроста, параметры которой существенно зависят от истории нагру-жения.

5. Результаты стендовых испытаний локальных моделей позволяют заключить, что трещина в типовых узлах несущих систем мобильной техники проходит в своём развитии три стадии; при этом несущая способность нарушается на третьей стадии, поэтому за предельное состояние следует принимать начало третьей стадии.

6. Сравнительные исследования живучести сталей 09Г2 и 09Г2С показали, что для реализации повышенных механических свойств более прочных сталей (в частности, 09Г2С) при проектировании сварных металлоконструкций следует устанавливать более жёсткие требования к допустимым дефектам, чем для менее прочных, так как сталь 09Г2С (как более прочная) имеет большую сопротивляемость появлению трещины и большую критическую её длину, но имеет меньшую сопротивляемость росту трещины (почти в 2,5 раза).

7. Разработана новая методика оценки снижения порогового напряжения роста трещины (предела выносливости или живучести с трещиной) с увеличением её длины испытанием единичной локальной модели, что позволяет существенно (в 5...6 раз) снизить материалоемкость и трудоемкость, а также, как следствие, энергоемкость и себестоимость испытания.

8. Разработана новая методика определения исходного предела выносливости изделия экстраполяцией зависимости порогового напряжения роста трещины от её длины к пороговой длине трещины, которая имеет два преимущества перед стандартными методами:

исходный предел выносливости можно получить испытанием единичной локальной модели,

большая достоверность результатов испытаний, т.к. рассеяние характеристик живучести намного меньше, чем характеристик выносливости по

окончательному разрушению, особенно на низких уровнях напряжений. Расхождение значений предела выносливости, найденного предложенным методом и одним из стандартных, - 2,5%.

9. Предложена методика прогнозирования живучести (остаточного ресурса) несущих систем мобильной техники по принципу безопасного повреждения по результатам, полученным при исследовании закономерностей роста усталостных трещин, условий остановки их роста и истории иагружения, которая может быть использована как на этапе проектирования, так и на этапе эксплуатации. Прогнозирование остаточного индивидуального ресурса на стадии эксплуатации конкретных машин открывает дополнительные пути для получения экономического эффекта.

10. Разработанные методики внедрены на Орском заводе тракторных прицепов, где используются в процессе выполнения НИОКР по доводке несущих систем тракторных прицепов, а также в учебный процесс кафедр "Автомобили" и "Сопротивление материалов".

Основные положения и результаты диссертации отражены в печатных работах:

1. Некоторые закономерности роста усталостных трещин в круглых образцах из стали 09Г2 // Проблемы прочности. 1972.- № 9.- С. 42-44./ Вигдорчик В.М./

2. Форма трещин усталости в деталях типа валов. // Инф. листок № 194-73. -Оренбург: ЦНТИ. 1973. - 4 с.

3. О критическом напряжении развития трещины. // Проблемы прочности. 1974.- №5. - С.73-75. / Вигдорчик В.М. /

4. Анализ закономерностей развития трещин в сталях 09Г2 и 09Г2С. // Исследование сплавов, применяемых в тракторном и сельскохозяйственном машиностроении. Выпуск 34. -Саратов. 1974 - С.80-84. / Вигдорчик В.М. /

5. Влияние истории нагружения на критическое напряжение развития усталостных трещин. // Там же. - С.84-88. / Вигдорчик В.М. /

6. Развитие трещин усталости. // Повышение циклической прочности материалов методами поверхностного пластического деформирования. Тезисы докладов IV научно-технической конференции. 1974 -Пермь. -С. 84-86.

7. Особенности развития трещины усталости при нестационарном нагруже-нии. // Тезисы докладов областной научно-технической конференции.-Оренбург. 1976 . - С.69-70.

8. Развитие трещин при программном и стационарном нагружении. // Повышение надёжности и долговечности деталей тракторов, автомобилей и сельскохозяйственных машин и методы их ремонта. -Саратов. 1976 - С. 116-120. /Вигдорчик В.М./

9. Вероятностная оценка предела выносливости стали 09Г2С. // Там же.- С. 139-142. / Вигдорчик В.М. /

10. Методика прогнозирования живучести конструкций с трещиной.// Проблемы снижения металлоёмкости машин, пути сокращения расхода металла в машиностроении. Тезисы докладов Уральской научно-технической конференции. -Уфа. 1976.-С. 35-39.

11. Кинетика усталостных разрушений при программном нагружении. //Проблемы прочности. 1977.- №8. - С. 46-48. / Вигдорчик В.М. /

12. Сравнительная оценка сопротивления росту трещин сталей 09Г2 и 09Г2С. // Тракторы и сельхозмашины. 1978,- №12. -С. 38-39. / Трофимов В.А. /

13. Характеристики выносливости и живучести несущего бруса культиватора УСМК - 5,4Б. // Тракторы и сельхозмашины. 1979,- №4. - С. 28-29./ Трофимов В.А., Чирков А.Н. и др. /

14. Кинетика усталостного разрушения несущего бруса культиватора УСМК -5,4Б. // Тракторы и сельхозмашины. 1981.- №8. - С. 30-31. / Трофимов В.А., Чирков А.Н. и др. /

15. Методика определения предела выносливости образцов и изделий, повреждённых трещинами. // Заводская лаборатория. 1981.- №3. - С. 69-70./ Сёмин А.И. /

16. Оценка остаточного ресурса изделий с трещинами при нестационарном нагружении. // Повышение долговечности и надёжности машин и приборов. Тезисы докладов Всесоюзной конференции. -Куйбышев. 1981.- С. 386-387. / Сёмин А.И.. Трофимов В.А. /

17. Структура и механические свойства металлов и сплавов. - Ташкент. 1985.26 с. -Деп. ВИНИТИ. № 8768 - В85. / Фёдоров В.В., Коновалова Г.М. и др. /

18. Оценка реальной и теоретической прочности материалов на основе термодинамического критерия. // Расчёты на прочность и малоотходная технология в машиностроении. -Омск: Изд. ОмПИ. 1987. - С. 108-103. / Фёдоров В.В., Ромашов Р.В. /

19. Структурно-энергетические аспекты разрушения. // Механика разрушения материалов. Тезисы докладов I всесоюзной конференции. -Львов. 1987. - С. 75. / Фёдоров В.В., Ромашов Р.В. /

20. О структурных параметрах и характеристиках прочности металлов. // Изв. АН СССР. Металлы. 1988,- № 2. - С. 131-136. / Фёдоров В.В., Коновалова Г.М. и др./

21. Структурно-энергетические аспекты прочности и разрушения металлических материалов. // Физика прочности и пластичности металлов и сплавов. Тезисы докладов XII Всесоюзной конференции по физике прочности и пластичности металлов и сплавов. -Куйбышев. 1989. - С. 331-332. / Фёдоров В.В., Ромашов Р.В. /

22. Структурно-энергетический подход к оценке сопротивления конструкционных сталей хрупкому разрушению. Оренбург, 1989.-18 с. -Деп. ВИНИТИ №6062-В89. / Фёдоров В.В., Ромашов Р.В. /

23. Структура и прочность металлов и сплавов. // Структура и прочность материалов в широком диапазоне температур. Тезисы докладов XIII Всесоюзной конференции по тепловой микроскопии. -Каунас: 1989. - С. 17. / Фёдоров В.В., Ромашов Р.В./

24. Структурно-энергетический подход к оценке сопротивления конструкционных сталей хрупкому разрушению. // Структура и прочность материалов в широком диапазоне температур. Тезисы докладов XIII Всесоюзной конференции по тепловой микроскопии. - Каунас. 1989. - С. 18. / Фёдоров В.В., Ромашов Р.В. /

25. Оценка трещиностойкости материалов по структурно-энергетическим параметрам. // Расчёты на прочность элементов приборных устройств. -Москва. 1990. -С. 78-81./Фёдоров В.В./

26. Структура и критерии вязкости разрушения. // Трещиностойкостъ материалов и элементов конструкций. Часть 1.Тезисы докладов III Всесоюзного симпозиума по механике разрушения. -Киев. 1990. - С. 55-56. /Федоров В.В., Ромашов Р.В./

27. Оценка структурных параметров материала и его повреждаемости по твёрдости. // Структура и прочность материалов в широком диапазоне температур. Тезисы докладов XIV конференции по тепловой микроскопии. - Воронеж. 1992. -С. 39. / Фёдоров В.В., Ромашов Р.В. /

28. Эргодинамический подход к оценке сопротивления микросколу при хрупком и вязком разрушении. // Структура и прочность материалов в широком диапазоне температур. Там же. -С. 38. / Фёдоров В.В., Ромашов Р.В. /

29. Методика неразрушающей оценки сопротивления хрупкому разрушению конструкционных сталей с учётом структурного состояния. // Машиностроение. Сборник научных трудов ОГУ. Вып. 1. Часть 1. -Оренбург. 1994. -С. 11-16. / Ромашов Р.В./

30. Влияние размера зерна на трещиностойкость конструкционных сталей. //Концепция развития и высокие технологии производства и ремонта транспортных средств. Тезисы докладов II Российской научно-технической конференции. -Оренбург. 1995. -С. 79.

31. Неразрушающий метод оценки критической температуры хрупкости сварных соединений. // Машиностроение. Сборник научных трудов ОГУ. Вып.2 -Оренбург. 1997. -С. 11-13 / Щурин К.В. /.

Соискатель

Г.А.Чекурова