автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.05, диссертация на тему:Теория и методы расчета сопротивления усталости металлических конструкций грузоподъемных машин

' - " , р :, го, о/ б^-ое^о в/о г

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИ^ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИ-

ОРРСИТЕТ

^ ■■ ■ На правах рукописи

уг г.....-

УДК 621.87.791:620.173.3

Манжула Константин Павлович

I /

ТЕОРИЯ И МЕТОДЫ РАСЧЕТА СОПРОТИВЛЕНИЯ УСТАЛОСТИ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЙ ГРУЗОПОДЪЕМНЫХ МАШИН

Специальность 05.05.05 "Подъемно-транспортные машины"

Диссертация

на соискание ученой степени доктора технических наук

Санкт-Петербург - 1997

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.................................................................................................... 6

Глава 1. Состояние проблемы и разработка теоретических положений расчетной оценки параметров сопротивления усталости крановых металлоконструкций ........................................................16

1.1. Анализ разрушений металлоконструкций кранов...................................19

1.2. Разработка физико-механической модели усталостного разрушения сварных элементов металлоконструкций кранов...................................22

1.3. Математическая модель зарождения и развития усталостной трещины в сварном соединении.................................................................31

1.3.1. Внутренняя нестационарность процессов деформирования.

Мера повреждения сЬ.........................................................................35

1.3.2. Внутренняя стационарность процессов деформирования.

Мера повреждения сЬ............................................................................50

1.3.3. Развитие зародышевой микротрещины. Мера повреждения сЬ.......63

1.3.4. Рост макротрещины. Мера повреждения с14.....................................72

Глава 2. Метод расчета усталостных характеристик зон инициации

трещин в сварных конструкциях на образцах-имитаторах..............81

2.1. Определение "опасного" объема металла в образцах-имитаторах.........85

2.2. Определение параметров расчетных зон в сварных соединениях

металлоконструкций при растяжении-сжатии............................................91

2.2.1. Размеры и объем зон упругопластических и неупругих

деформаций........................................................................................94

2.3. Определение параметров расчетных зон в сварных узлах металлоконструкций, испытывающих местное воздействие

сосредоточенных нагрузок...........................................................................97

2.3.1. Размеры и объем зон упругопластических и неупругих

деформаций........................................................................................99

2.4. Коэффициенты подобия напряженного и деформированного состояний расчетных зон сварных соединений образцам-имитаторам....................104

-32.5. Программное обеспечение для расчета коэффициентов подобия и

размеров зон инициации усталостных трещин.........................................107

Глава 3. Исследование статистических закономерностей статического и циклического деформирования краностроительных сталей и металла околошовных зон сварных соединений..........................110

3.1. Закономерности статического деформирования основного металла

и металла ЗТВ сварных соединений.......................................................113

3.1.1. Имитация сварочного термического цикла в образцах-имитаторах ..114

3.1.2. Экспериментальное исследование диаграмм деформирования основного металла и околошовных зон............................................119

3.2. Закономерности циклического деформирования основного

металла и металла ЗТВ сварных соединений....................................127

3.2.1. Усталостные характеристики образцов из основного металла и образцов-имитаторов ЗТВ в области многоциклового нагружения 127

3.2.2. Усталостные характеристики образцов из основного металла и образцов-имитаторов ЗТВ в области малоциклового нагружения ...134

3.3. Расчетно - экспериментальный способ построения кривых Френча......142

3.4. Взаимосвязь твердости с пределами выносливости исследованных сталей.........................................................................................................144

Глава 4. Напряженно-деформированное состояние околошовных зон

сварных элементов металлоконструкций........................................150

4.1. Состояние вопроса и цели исследования................................................150

4.2. Методы исследования и постановка экспериментов.....................................155

4.3. Решение тестовых задач МКЭ..................................................................158

4.4. Влияние жесткости металлоконструкций одностенчатых и двухстенчатых балок на концентрацию напряжений в угловых соединениях.................161

4.5. Исследование теоретических коэффициентов концентрации и градиентов напряжений при упругом деформировании металла...........166

4.5.1. Результаты численного определения НДС в околошовной зоне ...167

-44.5.2. Исследование влияния усилений и подрезов сварных швов

поляризационно-оптическим методом.............................................176

4.5.3. Расчетные зависимости аст и Ga в крестовых и тавровых

соединениях от их конструктивно- технологических характеристик 180

4.6. Исследование концентрации напряжений в околошовных зонах при

упругопластическом деформировании металла......................................195

4.6.1. Расчетные зависимости коэффициентов концентрации Ке и

градиентов Gs упругопластических деформаций в крестовых и

тавровых соединениях.........................................................................200

4.7. Методика определения коэффициентов интенсивности напряжений в

соединениях с макротрещинами...............................................................204

4.7.1. Определение начальных размеров полуэллиптической

макротрещины....................................................................................212

Глава 5. Экспериментальное исследование конструктивно-технологических и усталостных характеристик сварных соединений ........................218

5.1. Усталостные испытания образцов сварных соединений ........................221

5.1.1. Исследование проявления масштабного эффекта...............................230

5.2. Исследование геометрических параметров швов и околошовных зон соединений металлоконструкций кранов.................................................232

5.2.1. Требуемые объемы выборок геометрических параметров............234

5.2.2. Законы распределения геометрических характеристик по

длине шва...........................................................................................236

5.3. Исследование механических и усталостных свойств металла околошовной зоны по твердости...............................................................242

5.4. Определение уровня и кинетики изменения сварочных остаточных напряжений в расчетной зоне....................................................................246

5.4.1. Исследование уровня и распределения сварочных остаточных напряжений.........................................................................................247

5.4.2. Кинетика остаточных напряжений в процессе циклического нагружения..........................................................................................254

Глава 6. Детерминированные и вероятностные расчеты характеристик

сопротивления усталости металлоконструкций грузоподъемных

машин.....................................................................................................261

6.1. Программное обеспечение детерминированных расчетов.....................262

6.2. Анализ математических моделей и примеры расчета сварных узлов

при циклическом растяжении-сжатии и изгибе .......................................265

6.2.1. Влияние демпфирования колебаний груза на повышение

циклической долговечности металлоконструкции.............................276

6.3. Примеры расчета сварных узлов при циклическом сжатии с

местным изгибом........................................................................................278

6.4. Методика вероятностного расчета сварных элементов

металлоконструкций..................................................................................283

6.4.1. Алгоритм и программа вероятностного расчета элементов

конструкций.........................................................................................289

6.4.2 Влияние вариаций параметров сварных соединений на рассеяние

характеристик усталости....................................................................298

6.4.3. Коэффициенты запаса долговечности............................................303

6.5. Методика расчета циклической долговечности металлоконструкций кранов по типовым технологическим циклам.........313

ЗАКЛЮЧЕНИЕ..........................................................................................................320

ЛИТЕРАТУРА............................................................................................................326

ПРИЛОЖЕНИЕ..........................................................................................................356

-6-ВВЕДЕНИЕ

Проблема создания металлических конструкций грузоподъемных машин, обладающих высоким сопротивлением усталостному разрушению, как научная, насчитывает в России около 50 лет. За этот период накоплен значительный эксплуатационный опыт по выявлению усталостных трещин и ремонту металлоконструкций [83,196,167], проведены многочисленные усталостные испытания как в нашей стране, так и за рубежом, разработаны соответствующие расчетные методики, нашедшие обобщение в российских [83], международных [263], и государственных нормах отдельных стран [88].

Однако результаты обследований грузоподъемных машин, эксплуатируемых в условиях режимов работы 6К...8К, по-прежнему фиксируют большое число усталостных трещин в местах сварных соединений, на долю которых приходится около 90% всех разрушений металлоконструкций [196]. При этом число отказов металлоконструкций в процентах от общего числа отказов кранов составляет 18...35%, а время, затрачиваемое на восстановление работоспособности металлоконструкций, составляет от 17 до 50% общего времени работы машины [83,148].

Общая задача повышения сопротивления усталости металлоконструкций укрупненно разделяется на две - проектирование и изготовление конструкций с прогнозируемым для заданной надежности уровнем прочности и долговечности и адекватное обеспечение эксплуатационных условий. В настоящей работе рассматривается только часть первой задачи, а именно: проблема комплексной оценки детерминированных и вероятностных характеристик усталостной прочности и долговечности на всех стадиях процесса усталостного повреждения и разрушения конструкции. Решение данной проблемы в работе достигается, в первую очередь, представлением и описанием процесса усталостного разрушения, как многостадийного, с построением для каждой стадии математических моделей, статистическими экспериментальными исследованиями и проверками.

Расчетно-экспериментальные основы прогнозирования усталостной прочности сварных металлоконструкций заложены работами наиболее известных отечественных ученых М.М.Гохберга, Н.О.Окерблома, Д.И.Навроцкого, Г.А.Бельчука, И.В.Кудрявцева, В.И.Труфякова, О.А.Бакши и др. , а также зарубежных В.Х.Мюнзе, Р.Б.Хейвуда, О.Пухнера и др.

Проблемой совершенствовования расчетов сопротивления усталости и повышения надежности металлоконструкций грузоподъемных машин занимались В.И.Брауде, А.А.Зарецкий, С.А.Казак, А.В.Вершинский, В.Н.Юшкевич, С.А.Соколов, В.А.Васильев, В.В.Смелый, В.В.Овсянников, М.М. Попов и др.

Нормативно-технической базой расчета сварных металлоконструкций на усталость в настоящее время являются документы [147,177,194,199], базирующиеся на испытаниях сварных пульсаторных образцов. Обладая, бесспорно, простотой, эти расчетно-экспериментальные методы во многих случаях дают только приближенную оценку характеристик сопротивления усталости элементов металлоконструкций, в некоторых случаях с ошибкой до 40% не в запас прочности. При изменении технологии сварки, применении новых марок сталей или при необходимости получения статистических оценок долговечности по этим методам необходимо каждый раз проводить усталостные испытания серий пульсаторных образцов или натурных элементов. Являясь затратными по стоимости и трудоемкости, эти методы не позволяют понять причину изменения усталостных характеристик в тех или иных случаях, а следовательно, и правильно определить конструктивно-технологические мероприятия по их повышению. Вместе с тем, экспериментальный материал этих методов служит для верификации вновь разрабатываемых расчетных методов, технологического совершенствования параметров конструкций.

Разработанные в последнее время В.Н.Юшкевичем, Н.А.Клыковым расчетные методы с дифференцированным учетом основных параметров сварных соединений [79,243], но не нашедшие отражение в нормативных документах, значительно повышают точность определения характеристик сопротивления уста-

лости элементов сварных металлоконструкций, позволяют анализировать влияние на пределы выносливости геометрии сварных швов и околошовных зон, напряжений от сварки и местного изгиба, механических характеристик металла околошовной зоны. Развитие методики В.Н.Юшкевича в области прогнозирования разрушения конструкций с трещинами в детерминированной и вероятностной постановках выполнено С.А.Соколовым [197]. Ограниченность данных методик заключается в том, что с достаточной точностью они позволяют оценивать пределы неограниченной выносливости, а пределы ограниченной выносливости оценивают через достаточно обобщенный и малоустойчивый показатель наклона усталостной кривой. Разрушающиеся элементы конструкций имеют как раз ограниченную выносливость. Особую значимость проблема определения параметров ограниченной выносливости приобретает при оценке остаточного ресурса конструкций, когда требуется прогнозировать как момент зарождения усталостной трещины, так и ее развитие при нерегулярном спектре нагружения.

Недостаточная разработанность физико-механических процессов усталостного разрушения в этих методиках, особенно на стадии формирования и развития микро и мезотрещины, объясняется общим состоянием науки о сопротивлении усталости на данный момент времени. Успехи последнего времени в области механики разрушения [80,151,157,303,128,141 и др.], физики прочности [28,164, 220,323 и др.], металловедения [18,61,62, 87 и др.], а также работ на стыке этих областей [71,128, 129, 230,283, 291 и др.] позволяют более точно проанализировать процессы формирования и развития усталостного повреждения и разрушения в сварных металлоконструкциях и повысить точность расчетных оценок их характеристик сопротивления усталости.

В связи с этим в данной работе ставилась цель создания теории и методов расчета характеристик сопротивления усталостному разрушению металлоконструкций грузоподъемных машин на основе физико-механической модели процесса усталостного разрушения, отражающей современный уровень ее понимания, которые позволили бы с единых позиций прогнозировать долговечность по

условиям неограниченной и ограниченной выносливости, циклической трещи-ностойкости, оценивать остаточный ресурс конструкций как в детерминированной, так и вероятностной постановке. Проблема расчетного построения кривых усталости по моментам зарождения микро- и макротрещин и развития их до граничных размеров во всем диапазоне многоцикловой усталости требует рассмотрения процесса усталостного повреждения и разрушения на более детальном уровне, привлечения для анализа аппарата теории малых упругопластиче-ских деформаций, иного подхода к получению экспериментальных характеристик сопротивления усталости металла расчетных зон сварных элементов.

В отличие от предыдущих работ в данной области процесс усталостного разрушения рассматривается как четырехстадийный с учетом циклического упругопластического деформирования металла околошовной зоны в условиях внутренней и внешней нестационарности, формирования и развития микро и макротрещины. Для этого выполнен анализ напряженно- деформированного состояния (НДС) околошовной зоны (01ПЗ) сварных соединений, получены зависимости для упругих и упругопластических коэффициентов концентрации и градиентов напряжений и деформаций. В отличие от существующих расчетных методов, базирующихся на экспериментально получаемых характеристиках основного металла, в работе предложен и разработан метод расчета, базирующийся на экспериментальных характеристиках образцов-имитаторов ОШЗ. Исследованы закономерности упругопластического деформирования металла зон термического влияния (ЗТВ) и основного металла краностроительных сталей. Для ряда характерных соединений крановых металлоконструкций даны расчетные зависимости коэффициентов концентрации и коэффициентов интенсивности напряжений (КИН) от внешней нагрузки и сварочных остаточных напряжений.

Разработан метод вероятностного расчета пределов ограниченной выносливости и долговечности сварных узлов металлоконструкций, построения кривых усталости по моменту зарождения усталостной макротрещины и моменту

достижения ею граничных размеров, а также проведены комплексные статистические исследования конструктивно-технологических параметров соединений для проверки разработанного метода. Решены задачи расчетного определения характеристик сопротивления усталости для специфических крановых узлов с местным воздействием подвижной сжимающей и изгибной нагрузки.

Предлагаемая физико-механическая модель усталостного разрушения, ее математическое описание, впервые позволяют рассмотреть процесс усталостного повреждения и разрушения последовательно от момента появления первых усталостных повреждений, образования микротрещин, их развития в макротрещину до момента окончательного разрушения или достижения трещиной заданных размеров, получая на каждой стадии количественные оценки долговечности, и, таким образом, объединяет в один комплекс задачи усталостной прочности, �