Тріщиностійкість і несуча здатність стержневих металевих конструкцій при циклічних навантаженнях

Размещено на http://allbest.ru

КИЇВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ БУДІВНИЦТВА І АРХІТЕКТУРИ

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук

05.23.01 - Будівельні конструкції, будівлі та споруди

ТРІЩИНОСТІЙКІСТЬ І НЕСУЧА ЗДАТНІСТЬ СТЕРЖНЕВИХ МЕТАЛЕВИХ КОНСТРУКЦІЙ ПРИ ЦИКЛІЧНИХ НАВАНТАЖЕННЯХ

ВИКОНАВ ДАВИДЕНКО ОЛЕКСАНДР ІВАНОВИЧ

Київ - 2004



АНОТАЦІЯ

Давиденко Олександр Іванович. Тріщиностійкість і несуча здатність стержневих металевих конструкцій при циклічних навантаженнях. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.23.01 - «Будівельні конструкції, будівлі та споруди». Київський національний університет будівництва і архітектури Міністерства освіти і науки України, Київ, 2004 р.

Захищається новий підхід у вирішенні важливої науково-технічної проблеми розробки методів оцінки тріщиностійкості і несучої здатності металевих конструкцій при циклічних навантаженнях. В основу роботи покладено експериментальні дослідження механічних, акустичних, енергетичних параметра кінетики руйнування, одержаних з використанням повних діаграм деформацій малогабаритних зразків. Запропоновано засоби розрахунку критичного параметра тріщиностійкості, несучої здатності, розрахункового опору утоми з урахуванням впливу попереднього циклічного навантаження.

Розроблено розрахункову модель оцінки напружено-деформованого стану стиснуто-зігнутих стержнів при малоцикловому навантаженні.

Запропоновано спосіб визначення розрахункового опору утоми, що дозволяє враховувати розходження в ресурсі пластичності сталей при статичному і циклічному навантаженнях.

Представлена оцінка ефективності визначення несучої здатності за критерієм тріщиностікості металевих конструкцій при циклічному навантаженні методом математичного моделювання. Розроблено оптимальне конструктивне рішення фасонного прокатного профілю верхнього поясу підкранових балок, що усуває причини виникнення тріщин утоми в колошовній зоні.

тріщиностійкість сталь деформований навантаження



1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Підвищення надійності і безпечної експлуатації металевих конструкцій при різних силових впливах пов'язано з розвитком розрахункових моделей, заснованих на чітких фізичних передумовах. Особливо при циклічному навантаженні, де зростання змінних складових експлуатаційних навантажень, інтенсифікація роботи конструкцій ставлять питання оцінки зниження деформаційного ресурсу, накопичення пошкоджень, тріщиноутворення.

Один зі шляхів вирішення поставлених питань - розвиток достовірних методів обчислення параметрів тріщиностійкості металевих конструкцій, діагностики й випробування матеріалу з використанням повних діаграм деформування малогабаритних зразків.

Великий обсяг робіт, пов'язаний з дослідженнями повних діаграм деформування, виконаний в Інституті проблем міцності ім. Г.С. Писаренка НАН України. Так, зокрема запропонована оцінка тріщиностійкості за параметрами спадаючих ділянок діаграм деформування, досліджено вплив виду напруженого стану на тріщиностійкість. Розвиток саме цього підходу є ефективним при оцінці тріщиностійкості конструкцій в умовах циклічного навантаження.

Використання повних діаграм деформування малогабаритних зразків вважається раціональним і для встановлення величини пластичних деформацій, що допускаються, визначення розрахункового опору утоми, розробки методів розрахунку на малоциклову утому металевих конструкцій при циклічних навантаженнях.

Існуючі нормативні матеріали не містять розрахунку на малоциклову утому, а облік пластичних деформацій при циклічному навантаженні представлений у нормах проектування лише в директивній формі.

Тим часом, останні досягнення в області деформування і руйнування конструкційних матеріалів сприяють розвитку методів розрахунку металевих конструкцій на основі деформаційних кривих утоми і їх реалізації в існуючих обчислювальних комплексах для оцінки несучої здатності за критерієм тріщиностійкості.

Розробка достовірних методів розрахунку металевих конструкцій з урахуванням реальної діаграми деформування і руйнування при циклічному навантаженні вважається актуальною для розвитку сучасного металобудівництва при зростаючих вимогах до якості, надійності й довговічності.

Мета і задачі дослідження. Мета дисертаційної роботи - розробка методів розрахунку несучої здатності і тріщиностійкості стержневих металевих конструкцій при циклічних навантаженнях на основі механічних і енергетичних параметрів повних діаграм деформування малогабаритних зразків.

Поставлена мета досягається рішенням наступних задач:

виконати експериментальну оцінку пошкодження зразків конструкційної сталі у вихідному стані і після попереднього циклічного навантаження на етапі зародження макротріщини методом акустичної емісії (АЕ);

установити за даними випробувань і двотаврових балок вплив циклічного навантаження на параметри повних діаграм деформування і щільність енергії руйнування, пов'язану з визначенням тріщиностійкості матеріалу;

розробити спосіб визначення розрахункового опору сталі при малоцикловій утомі на основі залежності параметра енергопоглинання матеріалу від кількості циклів навантаження;

розробити розрахункову модель визначення напружено-деформованого стану стиснуто-зігнутих стержнів при малоцикловому навантаженні;

на основі розвитку деформаційного критерію руйнування розробити спосіб визначення критичного параметра тріщиностійкості для конструкцій у стані постачання, з попереднім циклічним навантаженням і поверхневим зміцненням;

оцінити ефективність визначення несучої здатності за критерієм тріщиностійкості металевих конструкцій при циклічному навантаженні методом математичного моделювання і розробити найоптимальніше конструктивне рішення верхнього пояса підкранових балок.

Об'єкт дослідження - будівельні металеві конструкції в умовах статичного і циклічного навантаження.

Предметом дослідження є тріщиностійкість сталі і несуча здатність металевих конструкцій при циклічних навантаженнях.

Методи дослідження - експериментальні методи дослідження малогабаритних зразків і зразків балок в умовах статичного і циклічного навантаження із застосуванням кореляційного аналізу отриманих результатів, акустичні і металографічні дослідження для виявлення особливостей мікромеханізму руйнування, методи математичного моделювання із застосуванням обчислювальних комплексів «Міраж» і «Ліра Windows», методи класичної механіки і механіки руйнування.

Експериментальні дослідження, включаючи статичні, циклічні, акустичні випробування, металографічні дослідження проведені в лабораторіях Донбаського гірничо-металургійного інституту, у департаменті механіки Північного університету шляхів сполучення (м. Пекін, КНР), у лабораторії Інституту механіки АН Китаю за методикою відділу статичної міцності і пластичності матеріалів і елементів конструкцій Інституту проблем міцності ім. Г.С. Писаренка НАН України та методикою, розробленою автором.

Наукова новизна одержаних результатів:

уперше розроблено метод розрахунку будівельних конструкцій на малоциклову утому, заснований на використанні повних діаграм деформацій і деформаційних кривих утоми;

виявлено експериментально вплив характеру циклічного навантаження на кут нахилу спадаючої частини повної діаграми деформування «навантаження - абсолютне подовження» і зміну щільності енергії руйнування, пов'язаної з тріщиностійкістю матеріалу;

обґрунтована й експериментально підтверджена можливість побудови деформаційних кривих утоми за даними випробувань малогабаритних зразків, що знаходяться в однорідному напруженому стані, і їх використання для опису роботи матеріалу при неоднорідному напруженому стані;

на основі розвитку деформаційного критерію руйнування отримано новий параметр тріщиностійкості матеріалу, що відповідає нестійкому росту тріщини;

уведено нове визначення розрахункового опору сталі малоцикловій утомі, що дозволяє при статичному і циклічному навантаженнях враховувати розходження в ресурсі пластичності сталей, що мають рівні характеристики міцності;

установлено новий акустичний параметр, що характеризує зрощення пошкоджень до моменту утворення макротріщини, необхідний для проведення діагностики безаварійної експлуатації металоконструкцій;

запропоновано спосіб оцінки несучої здатності металевих конструкцій за критерієм тріщиностійкості на основі суперелементних моделей з реальними розмірами тріщин в обчислювальному комплексі «Ліра Windows», адаптованому для розв'язання крайових задач з визначення коефіцієнтів інтенсивності напружень;

запропоновано нове конструктивне рішення фасонного прокатного профілю верхнього поясу підкранових балок, що усуває поперечний зсув підкранової рейки і місцевий момент, які є причинами виникнення утомних тріщин в колошовній зоні і стирання верхнього поясу підкранових балок.

Практичне значення одержаних результатів полягає в розробці ефективних методів оцінки залишкового ресурсу і несучої здатності металевих конструкцій за критерієм тріщиностійкості, що дозволяє розраховувати конструкції з урахуванням фактичної картини розвитку дефектів в умовах циклічного навантаження. Отримано параметр акустичної емісії для проведення контролю технічного стану металевих конструкцій до моменту утворення макротріщини.

Запропонований метод оцінки тріщиностійкості сталі дозволяє значно знизити трудомісткість і вартість випробувань щодо визначення критичного коефіцієнта інтенсивності напружень, особливо для конструкцій з високою в'язкістю руйнування, де використовуються зразки великих габаритів, спеціальне устаткування, глибокі тріщини штучної ініціації, що відрізняються від дефектів технологічного й експлуатаційного походження.

Запропоновано новий метод розрахунку позацентрово-стиснутих елементів та елементів, що згинаються, на малоциклову утому. Ефективність запропонованого методу досягнута обліком обмеженого розвитку пластичних деформацій, визначених на основі деформаційних кривих утоми, одержуваних за допомогою повних діаграм деформацій малогабаритних зразків.

Запропоновано спосіб визначення коефіцієнтів інтенсивності напружень методом математичного моделювання конструкцій підкранових балок, підшківних ферм шахтного копра, що дозволяє виконати оцінку несучої здатності за критерієм тріщиностійкості конструкцій як на стадії проектування, так і на стадії експлуатації під час виявленні дефектів.

Запропоновано новий прокатний профіль верхнього поясу підкранових балок, що дозволяє усунути причини утворення тріщин в колошовній зоні і стирання верхнього поясу балок.

Результати досліджень реалізовано:

при оцінці несучої здатності і залишкового ресурсу прокатних двотаврів балкового перекриття плавильного цеху ВАТ «Стаханівський завод феросплавів», що мають експлуатаційний наробіток більше 30 років;

при діагностиці за допомогою акустичних досліджень несучих конструкцій мостового переходу Одеського морського порту на ВАТ «Дніпропетровський завод металоконструкцій» ім. І.В. Бабушкіна;

при розробці математичної моделі конструктивних рішень і оцінці залишкового ресурсу пропонованих перерізів хребтових балок ВАТ «Стаханівський вагонобудівельний завод», що дозволяють знизити витрати сталі до 79 кг на одну конструкцію;

при ремонтних роботах нафтопроводу діаметром 800 і 1000 мм на ділянці 670 м в Лисичанському районному нафтопровідному управлінні ДАТ «Придніпровські магістральні нафтопроводи». Перевищення параметра тріщиностійкості зварюваних швів з поверхневим зміцненням становило 28 %. Економічний ефект становив 378 000 грн.;

-при розробці обчислювальних комплексів «МІРАЖ» і «Ліра Windows» для оцінки тріщиностійкості і напружено-деформованого стану конструкцій на основі методу багатофакторної фрагментації і несучої здатності за критерієм тріщиностійкості конструкцій з поверхневими та крізними дефектами в Державному науково-дослідному інституті автоматизованих систем в будівництві, м. Київ;

при розробці, разом з Інститутом електрозварювання ім. Є.О.Патона НАН України, конструкції склепінної оболонки зі спіральношовних тонкостінних трубчастих панелей підвищеної тріщиностійкості;

при розробці разом з Київським національним університетом будівництва і архітектури циліндричного резервуару з двошаровою попередньо напруженою нижньою частиною;

при розробці фасонного прокатного профілю верхнього поясу підкранових балок з виїмкою трапецеїдального перерізу для встановлення підкранових рейок.

Достовірність наукових положень, висновків і рекомендацій підтверджується: обґрунтованістю апробованих вихідних передумов, що ґрунтуються на фундаментальних основах механіки твердого тіла, великим обсягом експериментальних досліджень, достатньою збіжністю результатів, одержаних за стандартною методикою і методикою, запропонованою в дослідженнях, зіставленням сигналів акустичної емісії з фрактограмами реальних дефектів.

Особистий внесок здобувача полягає: у розробці акустичних параметрів пошкодження, розвитку деформаційного критерію нестійкого росту тріщини, у побудові деформаційних кривих утоми, у проведенні випробувань малогабаритних зразків при циклічному навантаженні з використанням акустичних і металографічних досліджень, у розробці методики оцінки залишкового ресурсу і визначенні розрахункового опору утоми, в розробці розрахункової моделі визначення напружено-деформованого стану стиснуто-зігнутих стержнів при малоцикловому навантаженні, у постановці досліджень і остаточному викладі результатів випробувань прокатних двотаврів при циклічному навантаженні, у розробці засобу оцінки несучої здатності за критерієм тріщиностійкості металевих конструкцій, у розробці та розрахунках фасонного прокатного профілю верхнього поясу підкранових балок.

2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі коротко сформульовано проблему, пов'язану з необхідністю розвитку принципово нових підходів до оцінки тріщиностійкості, довговічності і несучої здатності конструкцій в умовах впливу циклічного навантаження, наведено перелік пов'язаних з цими підходами задач, відзначається актуальність, новизна й практичне значення їх розв'язання. Подано загальну інформацію про роботу та її апробацію.

Перший розділ присвячено аналізу проведених досліджень щодо оцінки пошкодження, тріщиностійкості й розрахунку металевих конструкцій при циклічних навантаженнях. Розглянуто основні напрямки досліджень пошкодження конструкцій у роботах: Л.М. Качанова, Ю.М. Работнова, W. Dahl, A. Gurson, J. Lematre, J. Chaboche та ін. Проаналізовано відомі роботи з оцінки пошкодження конструкцій методом акустичної емісії в дослідженнях О.Є. Андрейківа, В.С. Бойка, О.Я. Недосєкі, С.О. Недосєкі, В.Р.Скальського, В.О. Стрижала, В.Т. Трощенка, Ю.Б. Дробота, B. Shofield, H. Dunnegan і ін. Показано, що характеристики пошкодження так чи інакше пов'язані з параметрами повних діаграм деформацій, використання яких є необхідним для оцінки тріщиностійкості, несучої здатності, довговічності й витривалості металевих конструкцій.

У рамках питань тріщиностійкості й оцінки розмірів зон пластичності, розподілу в них напружень поряд з відомими роботами C. Inglis, D. Dugdale, Г.І. Баренблатта, В.В. Панасюка, подані пропозиції С.Д. Волкова про подібність характеру розподілу напружень у верхівці тріщини й на спадаючій ділянці повної діаграми деформацій гладкого зразка в умовах максимально жорсткого навантаження. Відзначається, що згадані дослідження започаткували новий напрямок в оцінці тріщиностійкості, який інтенсивно розвивається в дослідженнях А.О. Лебедєва, М.Г. Чаусова, А.В. Гетманчука, Л.В. Зайцевої, С.О. Недосєкі, І.О. Богініча (Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренка НАН України ), у роботах В.П. Байкова, Є.А. Антипова (Національний технічний університет «КПІ»), у закордонних дослідженнях Wu Jie Qing, Tie Jun Wang та ін.

Охарактеризовано традиційні методи випробувань щодо визначення критичних параметрів тріщиностійкості: К_1с, д_1с, J_1с. Відзначено істотні труднощі в обчисленні коефіцієнта інтенсивності напружень для матеріалів з високою в'язкістю руйнування. Особливу увагу приділено питанням оцінки тріщиностійкості з використанням фізичного параметра щільності енергії руйнування на основі повних діаграм деформацій, характеристикам нестійкого руйнування, способам визначення тріщиностійкості при циклічному навантаженні.

Значну увагу приділено способам оцінки несучої здатності конструкцій при циклічних навантаженнях. Наведено аналіз методів розрахунку металевих конструкцій, розглянутих у широко відомих роботах А.В. Геммерлінга, Г.Є.Бєльського, Б.М. Броуде, М.Д. Жудіна, І.В. Ізосімова, О.І. Кікіна, І.А. Одінга, А. Мразіка, С.Ф. Пічугіна, О.Р. Ржаніцина, С.В. Серенсена, В.Т. Трощенка, В.І. Труфякова, В.С. Шебаніна, Р.М. Шнейдеровича, М.Л. Чернова та ін. Відзначається, що відомі теорії розрахунку в умовах циклічного навантаження розглядають роботу конструкцій в основному у рамках оцінки пристосовності без урахування впливу динамічних ефектів або з використанням умовних епюр напружень у розрахункових перерізах елементів конструкцій, що не дозволяє адекватно оцінити реальний характер напружено-деформованого стану з огляду на специфічні особливості: накопичення пошкоджень, зменшення деформаційного ресурсу, облік яких найбільш повно може бути здійснений на основі повних діаграм деформацій. Аналізується вплив динамічних ефектів на напружено-деформований стан перерізу - динамічне окрихлювання. Наведено дослідження апроксимації діаграм деформацій. Наголошено на їх особливому значенні в розробці методів розрахунку конструкцій, виготовлених з високоміцних сталей.

Аргументуються причини пошкоджень і особливості роботи підкранових балок. Відзначається, що існуючі методики не відтворюють дійсний характер напруженого стану підкранових балок, особливо в зоні суміщення верхнього пояса зі стінкою, що потребує подальших розробок оцінки їх несучої здатності за критерієм тріщиностійкості та удосконалення конструктивних рішень.

Наприкінці розділу сформульовано мету й основні задачі досліджень.

У другому розділі в рамках розвитку методів неруйнівного контролю металоконструкцій наведені дослідження пошкодження конструкційної сталі при циклічному навантаженні методом акустичної емісії. Представлено комплекс оригінальних випробувальних засобів, що містять сервосистему утомних випробувань «Shenk Hidropuils», акустичний аналізатор «Locan-320» із вбудованою ПЕОМ.

Випробування проводили на плоских малогабаритних зразках товщиною 4 мм, виготовлених з конструкційних сталей. Проведені спільно з методами акустичної емісії випробування щодо одержання повних діаграм деформацій зразків з попереднім циклічним навантаженням дозволили встановити стадійність процесу пошкодження. Щодо акустичних характеристик використовували параметр частоти подій акустичної емісії і сумарний облік сигналів акустичної емісії.

Типова діаграма частоти подій акустичної емісії вздовж спадаючої частини діаграми деформацій для зразків після попереднього циклічного навантаження разом із діаграмою «навантаження - час».

Одержані залежності дозволили виявити параметр частоти акустичної емісії, що характеризує зрощення пошкоджень до моменту формування макротріщини і параметр, що характеризує критичне зрощення пошкоджень, формування макротріщини, а також визначити локалізацію дефектів на зразках. На діаграмах деформацій період після формування макротріщини характеризується початком лінійної ділянки спадаючої частини кривої деформацій. Дані акустичних випробувань підтверджені також спеціально проведеними металографічними дослідженнями зразків на стадії зародження макротріщини.

Установлено, що процес розвитку пошкоджень залежить від кількості циклів навантажень і характеризується вибором деформацій, зменшенням росту ділянки зміцнення, а механізм формування відривної макротріщини більше залежить від розміру концентратора напружень (виду напруженого стану), ніж від кількості циклічних навантажень.

Під час досліджень сигналів акустичної емісії у процесі накопичення пошкоджень елементів конструкцій в умовах циклічного навантаження запропоновано орієнтуватися на спектр безупинної акустичної емісії , що дозволяє за тангенсом нахилу кривої розподілу параметра обліку подій акустичної емісії робити висновки про вибір найбільш сприятливого режиму циклічного навантаження й відповідні динамічні параметри: амплітуду, коефіцієнт асиметрії циклу (), частоту і т.д.

Винайдений параметр частоти акустичної емісії, що відповідає зрощенню пошкоджень, є ефективним для проведення контролю технічного стану металевих конструкцій при встановленні відказів до моменту появи тріщини утоми і розрахунку конструкцій за тріщиностійкістю. Напруження, при якому кількість дефектів, що зростаються, перевищує кількість знов утворюваних, запропоновано позначити як верхню границю мікротріщиноутворення.

Третій розділ містить результати дослідження впливу циклічного навантаження на тріщиностійкість і несучу здатність металевих конструкцій. Представлено методику проведення циклічних випробувань на устаткуванні «Schenk Hidropuils» і УМЕ-10ТМ. Матеріалом для виготовлення зразків обрані широко застосовувані маловуглецеві конструкційні сталі Ст3, 09Г2С, Д32, РСА, і сталь А-3 (виробництва КНР), яка за своїми характеристиками приблизно відповідає Ст20.

Методика дослідження на малогабаритних зразках полягала в наступному. Зразки з різним розміром концентратора напружень піддавали циклічному наробітку при циклічному (пульсуючому) навантаженні з синусоїдальною формою циклу. Випробування проводили в три етапи: статичне навантаження зразків до рівня відповідного максимальній амплітуді циклічного навантаження, циклічне навантаження, повторні статичні випробування зразків після циклічного навантаження з побудовою повних діаграм деформування.

Циклічне навантаження здійснювали й на спадаючій частині діаграми деформацій. Деформації вимірювали за допомогою малобазних тензометрів і тензометрів «Schenk». Методика випробування дозволяла вирощувати тріщину утоми на зразках без ініціації та фіксувати кількість циклів до моменту утворення тріщини за нахилом петлі гістерезису при різних програмах циклічних випробувань.

Діаграми «l» відрізнялись величиною граничних деформацій, що зменшуються під час циклічного наробітку і площею під спадаючою кривою, яка характеризує пошкодження і зародження макротріщини. Деградація механічних властивостей сталі, що спостерігається в результаті циклічного навантаження, враховуючи циклічне навантаження на спадаючій частині діаграми «l». Деградація механічних властивостей сталі, продемонстрована зменшенням діаграми деформацій вздовж горизонтальній осі на величину (Дl₁, Дl₂,…,Дl_n) у залежності від кількості циклів навантаження. В результаті, для матеріалу з граничним виробітком ресурсу повна діаграма набуде вигляду лінією l_nm,К,М.

Циклічні навантаження змінюють також і форму спадаючої частини діаграми «l». Дослідження продемонстрували, що в залежності від параметрів циклічного навантаження істотно зменшується кут нахилу лінійної спадаючої частини «l», значення l_p, і площа трикутника l_nm,К,М, яка характеризує щільність енергії руйнування, пов'язану з визначенням критичного параметру тріщиностійкості сталі К_л. Так, зокрема при переході до зразків з більш жорсткішим концентратором, відповідно: R10, R7, R5, R3 - значення параметра l_p зменшилося порівняно з гладкими зразками відповідно на 28%, 34%, 25% і 15%.

Вплив циклічного навантаження позначається і на зміні параметра тріщиностійкості К_л, який обчислювали відповідно до співвідношення, запропонованого Інститутом проблем міцності ім. Г.С. Писаренка НАН України. Криві, що характеризують зниження параметра тріщиностійкості в залежності від кількості циклів навантаження й радіуса концентратора (виду напруженого стану).

Результати впливу циклічного навантаження на параметри повних діаграм деформацій представлено в табл. 1. Згідно із даними таблиці ступінь окрихлювання матеріалу збільшується за умов підвищення амплітуди максимальних напружень, збільшення кількості циклів і зменшення радіуса вихідного концентратора, що спричинює зниження параметра тріщиностійкості K_л.

Для оцінки і прогнозування ресурсу матеріалу використано схему деградації механічних властивостей. Побудова кривої накопичення пошкоджень виконана за допомогою відповідних діаграм випробувань після n = 10⁴, 5·10⁴, 10⁵, 2·10⁵ циклів. Апроксимацію залежності пошкодження від кількості циклів навантаження виконували за наступною функцією:

(1)

За граничну величину пошкодження при циклічному навантаженні приймали площу під кривою базової діаграми «P-Дl» на ділянці від деформацій, що відповідають максимальному значенню амплітуди, до граничних деформацій.

Таблиця 1. Результати випробувань

Характеристика зразків	Умови випробувань	, мм2	Р, кН	Sk, кН/мм2	, мм2	, МН/м3/2
Гладкі зразки R10 R7 R5 R3	Статичні випробування	5.36 5.87 6.33 6.62 7.69	4.590 4.563 4.625 4.750 5.375	0.8162 0.7772 0.7306 0.717 0.68	0.152 0.14 0.149 0.151 0.176	485.31 434.28 418.32 407.82 403.44
Гладкі зразки R10 R7 R5 R3	Випробування зразків з наробітком N=104	5.95 6.22 6.17 6.75 8.21	4.375 4.750 4.563 4.688 5.375	0.7353 0.7636 0.7394 0.6944 0.6546	0.152 0.126 0.09 0.126 0.151	437.20 396.74 331.27 363.16 350.00
Гладкі зразки R10 R7 R5 R3	Випробування зразків з наробітком N=5*104	- - 6.64 6.80 -	- - 4.250 4.750 -	- - 0.6408 0.6981 -	- - 0.076 0.126 -	- - 273.19 362.67 -
Гладкі зразки R10 R7 R5 R3	Випробування зразків з наробітком N=2*105	- - - 7.10 -	- - - 4.875 -	- - - 0.6866 -	- - - 0.114 -	- - - 334.93 -
Гладкі зразки R10 R5 R3	Випробування зразків з наробітком на спадаючій частині «P-Дl», N=5*103	5.88 6.32 - 6.98	4.250 4.250 - 4.563	0.7227 0.6725 - 0.6536	0.152 0.101 - 0.125	435.99 330.68 - 345.12

Одержані результати дозволили запропонувати прискорений метод оцінки залишкового ресурсу конструкцій на основі екстраполяції кривої накопичення пошкоджень на ділянці пошкодження, що перевищує 10⁵ циклів і фіксованої асимптоти граничного пошкодження абсолютно окрихленого матеріалу, що обчислюється за повними діаграмами деформування.

Поряд із викладеним у розділі наведені залежності граничних деформацій від кількості циклів навантажень в умовах однорідного напруженого стану, що є основою інтегрального обліку впливу циклічного наробітку в розрахунках несучої здатності конструкцій при циклічних навантаженнях. Представлені також залежності залишкового ресурсу від кількості циклів наробітку і радіуса концентратора напружень.

За умов неоднорідного напруженого стану подані дослідження впливу циклічного навантаження з використанням прокатних двотаврів. Циклічні випробування здійснені на установці ІПС-500, що обладнена пульсатором. Схеми навантаження балок відповідали чистому згину. Досліджувалися силові та деформаційні характеристики балок, величини зміни пружного ядра перерізу після циклічного навантаження з максимальною амплітудою напружень, яка не перевищувала границю текучості.

Одержані результати статичних випробувань балок після циклічного навантаження дозволили виявити зниження пластичних деформацій перерізів за умов циклічного навантаження, а також зниження на 18 % прогинів балок в порівнянні з балками в стані постачання.

Наприкінці розділу наведено метод побудови діаграм деформацій матеріалу за результатами випробувань на згин двотаврових балок в рамках розвитку диференціального методу Feret. Використання вказаного методу дозволило визначити напружений стан балок на останніх етапах деформування в момент появи пластичних деформацій. За вихідні дані цього методу використовували експериментальні залежності «момент - фіброві деформації».

У четвертому розділі розглянуті питання щодо оцінки тріщиностійкості сталі з використанням повних діаграм деформацій. На основі розвитку деформаційного критерія руйнування матеріалу та положення А. Гріффітса про мінімум потенціальної енергії деформування запропоновано критичний параметр тріщиностійкості сталі, що відповідає нестійкому росту тріщини. Для металевих конструкцій цей параметр, на відміну від крихких матеріалів, не збігається з моментом утворення тріщини, а залежить від її поширення.

Оскільки момент розриву сталі є дещо розтягнутим у часі, що забезпечується умовами жорсткого навантаження для рівноважних діаграм, зміну повної енергії зразка та її складових після моменту виникнення тріщини при збільшенні ширини її розкриття представлено у вигляді:

(2)

де перший доданок є зменшенням пружної енергії та характеризується різницею площ трикутників АКВ і CLM, а другий доданок враховує формування двох нових поверхонь тріщини і представлений площею трикутника OKL.

Величина ширини розкриття, що відповідає нестабільному росту тріщини, визначена диференціюванням рівняння (2) з умови (du/dд) = 0:

(3)

Виявлено, що для пластичних матеріалів період повільного підростання тріщини, починаючи з моменту стійкого підростання й до моменту її нестійкого розвитку, обмежений ділянкою КL.

Задача визначення критичної довжини тріщини розв'язана з використанням залежності С. Інгліса:

(4)

де Р_кр - зусилля, що визначається за діаграмою «P-Дl» для відповідного значення д_кр;

а, b - геометричні розміри шийки зразка в момент появи тріщини (т. К на діаграмі «P-Дl»).

Апробація винайдених залежностей (3, 4) виконана з використанням діаграм деформацій малогабаритних зразків сталі 15Х2МФА. Обчислені за діаграмами деформацій характеристики ширини розкриття й довжини макротріщини сталі 15Х2МФА в момент її нестійкого розвитку наведені в таблиці 2. Довжина тріщини виявилася зіставлюваною з результатами металографічних досліджень, виконаних Інститутом проблем міцності ім. Г.С. Писаренка НАН України.



Таблиця 2. Механічні та геометричні характеристики циліндричних зразків сталі 15Х2МФА в момент нестійкого росту макротріщини

Тип зразка	, мм	Sk, кН/мм2	Рк, кН	Fk, мм2	, мм	lkp, мм
Гладкий R20 R10 R4 R2	0.480 0.600 0.760 0.850 0.520	1.4685 1.4666 1.5118 1.5480 1.6946	25.07 30.00 41.17 55.00 70.83	17.07 20.45 27.23 35.52 41.80	0.00186 0.00265 0.00327 0.00802 0.01280	0.128 0.181 0.216 0.489 0.696

Рівняння (4) використане для визначення критичного параметра тріщиностійкості К_лс з припущенням, що К_лс є константою матеріалу і його значення не залежить від довжини тріщини випробуваного зразка. Це має підставу в разі забезпечення під час випробувань крихкого руйнування після підростання тріщини до критичного розміру. З урахуванням рівняння (4) визначення критичного параметра тріщиностікості здійснюється за формулою:

(5)

де - номінальне руйнівне напруження, що обчислюється по брутто-перерізу в т. К діаграми «P-Дl_p»;

- функція, що враховує відношення довжини тріщини до ширини пластини.

Розрахунки критичних параметрів тріщиностійкості виконані для конструкційних сталей в момент нестійкого росту макротріщини. Значення характеристик в'язкості руйнування відповідали області розкиду для коефіцієнтів інтенсивності напружень, одержуваних відомими методами.

У розділі також наведений спосіб визначення граничних деформацій з використанням енергетичних залежностей, особливо ефективний для сталей, що не мають лінійної ділянки спадаючої частини діаграми деформацій.

Дослідження доповнені оцінкою впливу процесів поверхневого зміцнення методом електроіскрового легування на тріщиностійкість сталі 20. Тріщиностійкість визначали за діаграмою деформацій з використанням зразків з поверхневим зміцненням і у стані постачання. Спадаючі ділянки зразків з поверхневим шаром нітриду титану відрізнялися збільшенням параметра Дl_p на 18% і зміною величини граничної деформації порівняно до базових зразків. Тріщиностійкість зразків з поверхневою обробкою, обчислена за рівнянням (5) і параметром К_С, виявилася вищою на 15% порівняно зі зразками в стані постачання.

Наприкінці розділу наведено спосіб визначення праметрів тріщиностійкості сталі за методом математичного моделювання. Розроблено скінченоелементну модель малогабаритного зразка з тріщиною на останній стадії деформування. Для розв'язання крайової задачи розмір сітки скінчених елементів був прийнятий 1/2р мм. Одержані з використанням обчислювального комплексу «МІРАЖ» напруження у верхівці тріщини для прийнятого кроку розбивки відповідали випробувальним даним для малогабаритних зразків.

У п'ятому розділі представлені розрахункова модель та методика розрахунку несучої здатності конструкцій при малоцикловому навантаженні на основі деформаційних кривих утоми, отриманих за допомогою малогабаритних зразків конструкційної сталі. Наведено основні передумови та спосіб опису фізичної нелінійності для розрахунку конструкцій, виготовлених з високоміцних сталей.

Залежність між напруженнями і деформаціями сталі в стиснутій зоні розрахункового перерізу у загальному випадку описано виразом:

(6)



Коефіцієнти якого призначаються відповідно до умов максимального наближення апроксимуючої кривої до реальної середньостатистичної діаграми сталі. Облік ефекту зниження пластичних деформацій матеріалу, що спостерігається в результаті експлуатації конструкції при циклічних навантаженнях, здійснюється поступовим зниженням деформацій у розрахунковому перерізі в залежності від кількості циклів навантажень відповідно до деформаційних кривих утоми. Нормативні й розрахункові значення коефіцієнтів виразу (6) призначаються в залежності від нормативних і розрахункових значень параметрів діаграми «у_s-е_s» короткочасного навантаження. У розтягнутій зоні елемента прийнято трансформовану пружно-пластичну діаграму. Таким чином, вплив малоциклового навантаження враховується поступовим збільшенням пружно-пластичного ядра перерізу, що визначається в залежності від кількості циклів навантажень. Відповідно до викладеного для виведення розрахункових залежностей враховується можливість існування двох видів напружено-деформованого стану перерізу - двох умов рівноваги: досягнення в результаті циклічного навантаження обмеженних пластичних деформацій з боку більш стиснутої грані та досягнення обмеженних пластичних деформацій на розтягнутій грані.

Наприклад, для двотаврового перерізу за другої умови рівноваги система рівнянь функцій і має вигляд:

(7)

Величини A_t,pl, S_t,pl, Д_j визначаються в залежності від положення границі пружно-пластичного ядра:



;

;

;

.

На основі наведених залежностей побудовано алгоритми оцінки напружено-деформованого стану перерізу, що дозволяють:

при заданих зусиллях M, N і величині кількості циклів навантажень визначити кривизну в перерізі та деформації;

при заданій кількості циклів навантажень, величинах кривизни в перерізі та діючому зусиллю Р визначити величину згинаючого моменту М, прикладеного до перерізу.

Практично вирази (6, 7) можуть бути використані для побудови залежності «момент-кривизна» в умовах малоциклового навантаження, тобто для встановлення зв'язку між фібровою деформацією, що задається з визначеним кроком, кривизною та діючими в перерізі зусиллями.

Наведені рівняння відображають ступінь деформування перерізу на всіх етапах роботи аж до руйнування та дозволяють врахувати вплив малоциклового навантаження в залежності від положення границі пружно-пластичного ядра Z_n, яка може бути представлена функцією кількості циклів силового навантаження.

У розрахунках міцності нерозрізних і затиснутих балок з ідеалізованою пружно-пластичною діаграмою облік впливу малоциклового навантаження й перерозподілу опорних і прогонних моментів виконано на основі параметра обмеженої пластичності л_su(N), що обчислюється за допомогою деформаційних кривих утоми малогабаритних зразків. Виявлено зниження величини діючого навантаження і згинаючих моментів при зменшенні параметра л_su(N) у результаті виробітку деформаційного ресурсу.

У розділі представлені пропозиції щодо розвитку методики А.В.Геммерлінга для розрахунку міцності й стійкості стиснуто-зігнутих стержнів в умовах циклічного навантаження на основі деформаційних кривих утоми малогабаритних зразків. Наведені рівняння для визначення критичних навантажень за умов апроксимації вигнутої осі шарнірно-опертого стержня синусоїдою. Сформульовані пропозиції щодо обчислення розрахункового опору малоциклової утоми з використанням кусочно-лінійної апроксимації діаграм деформацій, що мають виробіток деформаційного ресурсу і залежностей енергопоглинання матеріалу конструкції від кількості циклів навантаження. Установлено зниження параметра енергопоглинання при циклічному навантаженні, що сприяє крихкому руйнуванню.

Рівняння для визначення розрахункового опору утоми при малоцикловому навантаженні з урахуванням функції параметра енергопоглинання отримано у вигляді:

(8)

де - розрахунковий опір утоми, прийнятий згідно існуючих норм проектування сталевих конструкцій в залежності від тимчасового опору сталі і груп елементів конструкцій;

- функція параметра енергопоглинання в залежності від кількості циклів навантаження;

- коефіцієнт, що визначається згідно існуючих норм проектування сталевих конструкцій в залежності від виду напруженого стану і коефіцієнта асиметрії циклу напружень .

Значення руйнуючих амплітуд напружень при заданій кількості циклів в умовах мґягкого навантаженні визначаються за формулою:

(9)

де - розрахунковий опір утоми при малоцикловому навантаженні;

- параметр діаграми циклічного деформування;

- відносне звуження зразка конструкційної сталі;

- характеристика сталі в залежності від циклічних властивостей і асиметрії циклу напружень.

Шостий розділ присвячений практичному застосуванню одержаних закономірностей деформування сталі при циклічному навантаженні в оцінці несучої здатності за критерієм тріщиностійкості конструкцій на основі методу математичного моделювання.

Об'єктами досліджень обрано раму бункерів, підшкивну ферму, резервуар та підкранову балку. Розрахунки виконані з використанням лінійного та крокового нелінійного процесора обчислювальних комплексів «МІРАЖ» і «Лира Windows», розроблених у Державному науково-дослідному інституті автоматизованих систем в будівництві. Розрахунки несучої здатності рами виконували з використанням базової діаграми деформацій і діаграми з виробітком деформаційного ресурсу за передбачуваний період експлуатації.

Оцінка несучої здатності за крітерієм тріщиностійкості рами бункера виконана методом фрагментації. Кроком розбивки на скінчені елементи прийнято сітку у верхівці тріщини з чарунком 2 мм у напрямку лінії її поширення. При цьому значення напружень, що діють усередині зазначеного чарунку в точці на відстані 1 мм від верхівки тріщини, помножені на , ототожнювали з коефіцієнтом інтенсивності напружень (КІН). Виділяли елементи з найбільшою імовірністю виникнення тріщини (нижній пояс рами, зони максимальних напружень). На виділеному фрагменті виконували розбивку з дрібною сіткою і моделювали задані розміри тріщини. Моделювання напрямку тріщини здійснювали після визначення траєкторії головних напружень, що розтягують.

За результатами розрахунку визначали головні й еквівалентні напруження в скінчених елементах верхівки тріщини в напрямку її поширення, та розраховували значення К₁ і порівнювали його з критичним значенням параметра тріщиностійкості К_1с..

Оцінка тріщиностійкості резервуара виконана за допомогою досліджень напружено-деформованого стану складеної оболонки (циліндрична оболонка зі сферичним днищем) з поверхневою тріщиною в днищі, розташованою в меридіональному напрямку, що виходить на зовнішню поверхню днища на відстані 1,5 м від центра. Крайова задача розв'язана методом фрагментації з використанням обчислювального комплексу «МІРАЖ» для різної глибини дефекту по товщині днища. Тріщина представлена ідеальним нескінченно тонким розрізом довжиною 20 мм, глибиною від 3мм до 10 мм. У результаті розрахунку було одержано головні й еквівалентні напруження у верхівці тріщини, за якими визначали коефіцієнти інтенсивності напружень.

Оцінка тріщиностійкості скінченоелементної моделі нижнього пояса підшкивної ферми виконана з використанням обчислювального комплексу «Ліра Windows». Розташування крайової тріщини в одному з куткових профілів L120х10 підшкивної ферми прийнято з нахилом 15⁰ до подовжньої осі елемента. Тріщина представлена нескінченно-тонким розрізом вздовж всієї товщини переріза. Задачу розв'язано методом фрагментації з використанням плоских скінчених елементів. Напруження, що прикладали до елементів нижнього поясу, відповідали розрахунковому опору, коефіцієнт концентрації напружень дорівнював «6». Оцінку тріщиностійкості підшкивної ферми виконували з урахуванням зниження критичного параметру К_1с при циклічних навантаженнях.

Для оцінки впливу тріщин, розташованих у стінці колошовної зони підкранової балки, на напружено-деформований стан конструкції була розроблена скінченоелементна модель підкранової балки прогоном 12 м для двох кранів важкого режиму вантажопідйомністю 150/30 кН. Задачу розв'язували з використанням обчислювального комплексу «Ліра Windows». Визначення тріщиностійкості конструкції здійснено методом суперелемента, розміром 300х120 мм з тріщинами різними за розміром і напрямком, які вводили в зону скінченоелементної моделі підкранової балки. Моделювання тріщини за допомогою суперелемента здійснювали в зоні максимальних напружень у середньому відсіку підкранової балки в місті розташування зварювального шва стінки і верхнього пояса.

Встановлено, що дія місцевого вигину не дозволяє застосувати традиційний підхід механіки руйнування до розрахунку тріщиностійкості стінки підкранової балки і визначення коефіцієнта інтенсивності напружень по напруженнях у середньому шарі стінки, оскільки в середньому шарі на випуклій та увігнутій сторонах стінки підкранової балки розподіли головних напружень у верхівці тріщини відрізняються за знаком і величиною. При цьому розподіли напружень у середньому шарі у верхівках тріщин - стискаючі, а по берегах - розтягуючі.

Подібні розподіли напружень одержано для похилих і вертикальних тріщин (l= = 12 мм і l = 35 мм) у місці кріплення верхнього пояса і стінки. Оцінка тріщиностійкості здійснена з урахуванням значень головних напружень на випуклій стороні стінки. Відповідно до одержаних коефіцієнтів інтенсивності напружень встановлено, що найбільш небезпечними в досліджуваній зоні є горизонтальні тріщини. Для подальшої експлуатації підкранової балки при наявності заданих дефектів наведені конструктивні та технологічні заходи.

На основі результатів математичного моделювання запропоновано нове конструктивне рішення верхнього поясу підкранової балки з фасонним прокатним профілем, що має виїмку трапецеїдального перерізу для встановлення підкранової рейки.

Запропоноване рішення практично усуває поперечне зміщення підкранової рейки - причину утворення тріщин в колошовних зонах і стирання верхнього поясу підкранової балки. Ефективність запропонованого рішення підтверджено порівняльним розрахунком скінченоелементної моделі підкранової балки з традиційним верхнім поясом. Задачу розв'язано за методом суперелементів.

Результати порівняльного аналізу геометричних характеристик і напружень балок з верхнім поясом прямокутного перерізу і з пропонованим фасонним прокатним профілем показали: балка з фасонним прокатним профілем має жорсткість у вертикальній площині більше на 6,1 %, жорсткість у горизонтальній площині більше на 7,9% у порівнянні з балкою, що має верхній пояс прямокутного перерізу. У небезпечних зонах від вертикального навантаження напруження в балці з фасонним прокатним профілем у верхньому поясі менше на 9,8 %, у нижньому поясі - менше на 2,8 %; від горизонтального навантаження напруження в балці з фасонним прокатним профілем менше на 4,5 % у порівнянні з балкою з прямокутним перерізом верхнього пояса. Жорсткість і міцність, а також питомі жорсткість і міцність пропонованого конструктивного рішення підкранової балки визначені більшими, ніж у балці з прямокутним верхнім поясом. Додаткове зниження металомісткості пропонованого конструктивного рішення досягнуте за рахунок удосконалення кріплень кранової рейки, зокрема за рахунок відмови від установки клинових шайб у результаті заглиблення кранової рейки у виїмку трапецеїдального перерізу.



ОСНОВНІ ВИСНОВКИ

У дисертації вирішена важлива науково-технічна проблема прогнозування працездатності і довговічності металевих конструкцій при циклічних навантаженнях, тісно пов'язана з розробкою методів оцінки несучої здатності за критерієм тріщиностійкості і визначенням деформаційних кривих утоми за даними випробувань малогабаритних зразків.

До основних результатів виконаних досліджень відносяться наступні:

Розроблено розрахункову модель визначення напружено-деформованого стану стиснуто-зігнутих стержнів при малоцикловому навантаженні з використанням деформаційних кривих утоми, отриманих на малогабаритних зразках, що дало змогу виконувати розрахунки металевих конструкцій з урахуванням обмеженого розвитку пластичних деформацій.

Встановлено експериментальну схему вироблення деформаційного ресурсу матеріалу при циклічному навантаженні практично до момент утворення макротріщини, виявлено вплив циклічного навантаження на кут нахилу спадаючої частини повної діаграми деформування «навантаження - абсолютне подовження», що дозволило визначити зміну щільності енергії руйнування, пов'язану з тріщиностійкістю сталі.

Експериментально підтверджено можливість використання діаграм деформування малогабаритних зразків для встановлення припустимих пластичних деформацій, зниження величини перерозподілу зусиль, оцінки несучої здатності і витривалості металевих конструкцій при циклічному навантаженні.

На основі спільного аналізу результатів акустичних випробувань і кривих деформування матеріалу отримано параметр частоти сигналів акустичної емісії, що характеризує верхню границю мікротріщиноутворення, необхідний для проведення діагностики металевих конструкцій у процесі експлуатації.

Обґрунтовано можливість застосування деформаційних кривих утоми, отриманих за даними випробувань малогабаритних зразків, для обліку впливу циклічного навантаження на напружено - деформований стан конструкцій.

На основі розвитку деформаційного критерію руйнування отримано критичний параметр тріщиностійкості матеріалу, що відповідає початку нестійкого росту тріщини. Перевагою запропонованого параметра є можливість визначення критичної ширини розкриття тріщини безпосередньо за діаграмами випробувань малогабаритних зразків у вихідному стані, з попереднім циклічним наробітком і з поверхневим зміцненням. Запропоновано залежності, що дозволяють визначити граничні деформації сталі при розтягненні в момент завершення взаємного впливу об'ємних деформацій і деформацій зсуву, пов'язаних з вивільненням енергії при утворенні тріщини.

На основі повних діаграм деформацій малогабаритних зразків запропоновано спосіб оцінки якості покриття, що дозволяє установити оптимальні режими поверхневого зміцнення (азотування) не тільки за мікротвердістю, але й за тріщиностійкістю. Отримані результати вважаються ефективними для відновлення зношених і зміцнення нових опорних елементів конструкцій, шарнірів, опорних ребер, обробки зон концентрації напружень, зварюваних швів, де є місця виникнення утомних тріщин. При цьому, як показали дослідження, поверхневе зміцнення підвищує тріщиностійкість конструкцій до 15 %.

Запропоновано спосіб визначення розрахункового опору утоми сталі на основі залежності параметра енергопоглинання від кількості циклів навантаження, що дозволяє враховувати розходження в ресурсі пластичності сталей при статичному і циклічному навантаженнях, обґрунтована ефективність способу при розрахунку металевих конструкцій на витривалість і розрахунку з обліком можливого крихкого руйнування.

Розроблено алгоритм оцінки несучої здатності за критерієм тріщиностійкості металевих конструкцій з використанням методу фрагментації і суперелементів при розв'язанні крайових задач щодо визначення коефіцієнтів інтенсивності напружень. На основі використання сучасних обчислювальних комплексів «МІРАЖ», «Ліра Windows» розраховані плоскі та просторові моделі конструкцій з початковими дефектами, тріщинами і надано рекомендації з оцінки їх несучої здатності за критерієм тріщиностійкості на стадії проектування й експлуатації, що забезпечило визначення припустимих розмірів дефектів при заданому рівні навантаження.

10. Розроблено оптимальне конструктивне рішення фасонного прокатного профілю верхнього поясу підкранової балки, що усуває причини виникнення тріщин утоми в колошовній зоні; за допомогою методу математичного моделювання підтверджена його ефективність у порівнянні з традиційним рішенням.



СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Давиденко А.И. Трещиностойкость и несущая способность конструкций при повторных нагружениях - Алчевск.: «Ладо» ДГМИ, 1999. - 188 с.: ил.