Експериментально-теоретичний метод розрахунку втомної міцності суднових корпусних конструкцій

1. На основі експериментально-теоретичного підходу створено методологію і розроблено новий метод розрахунку втомної міцності суднових конструкцій, який дозволяє вирішувати низку практичних задач, в тому числі і оптимізаційних. Основним об'єктом методу виступає типовий осередок концентрації напружень конструктивних вузлів, показники втоми якого дозволяють оцінити довговічність самого вузла і конструкції в цілому.

2. Розроблено класифікацію типових осередків концентрації напружень у вузлах суднових корпусних конструкцій із урахуванням їх конструктивних форм, технологічних особливостей і умов навантаження. Складено таблицю типових концентраторів, які рекомендується використовувати при оцінках втомної міцності конструктивних вузлів експериментально-теоретичним методом.

3. Вперше розроблено критеріальні залежності втомної довговічності в малоцикловій і багатоцикловій областях для узагальненого типового осередку концентрації з урахуванням можливої зміни геометричних параметрів концентратора, що базуються на деформаційних і силових критеріях втоми матеріалу, «прив'язку» яких до осередку концентрації здійснено в одній точці. Показники втоми, що визначають координати цієї точки, встановлюються експериментально при втомних випробуваннях моделей з типовими концентраторами напружень.

4. Вперше на основі наближеної залежності для визначення пружнопластичних деформацій в осередках концентрації напружень отримано прості розрахункові формули для побудови кривих втоми типових концентраторів в залежності від їх геометричних параметрів.

5. Вперше на моделях із суднобудівних сталей в умовах малоциклового навантаження створено базу даних із показників втоми трьох типових концентраторів напружень. Оцінено вплив основних геометричних параметрів на їх довговічність і виявлено особливості втомного руйнування в досліджених осередках концентрації.

6. Побудовано криві втоми для трьох типових концентраторів напружень з конкретною геометрією в діапазоні числа циклів від 1 до 10⁸. Надійність цих кривих підтверджено порівнянням з експериментальними даними, які отримані при втомних випробуваннях сталевих моделей.

7. Експериментально встановлено підвищення втомної довговічності в типових осередках концентрації за рахунок початкового циклічного навантаження (тренування) на низькому рівні номінальних напружень, а також від попереднього статичного перевантаження з максимальним номінальним напруженням, яке перебільшує границю плинності матеріалу на 20%.

8. Розроблено практичну формулу для розрахунку коефіцієнта концентрації напружень в осередку концентрації типу «злам стінки», яку рекомендовано використовувати при оцінці втомної довговічності вузлів з концентраторами вказаного типу.

На основі отриманих результатів теоретичних і експериментальних досліджень сформульовані нові наукові положення:

- базовим об'єктом, який визначає втомну міцність корпусної конструкції, є не конструктивний вузол, різноманітність яких дуже велика і залежить від типу судна, а найслабкіший за довговічністю типовий осередок концентрації напружень вузла, що дає змогу суттєво зменшити кількість досліджуваних одиниць;

- за умов дотримання діючих у вітчизняному суднобудуванні нормативних вимог щодо виготовлення суднових корпусних конструкцій визначальним фактором утомної довговічності конструктивних вузлів і їх типових осередків концентрації є номінальна навантаженість; це положення відкриває шлях для створення нового розрахункового методу оцінки втомної міцності корпусних конструкцій при «осередковому» підході;

- розробка критеріальних залежностей втомної довговічності (кривих втоми) для типових осередків концентрації конструктивного вузла можлива на основі комбінації деформаційних і силових критеріїв утоми матеріалу, «прив'язку» котрих до типового концентратора достатньо виконати в одній точці, координати якої встановлюються експериментально за результатами втомних випробувань моделей з такими ж концентраторами при конкретних значеннях геометричних параметрів;

- для досліджених осередків концентрації напружень плоского типу наявність в них зварних швів більше як у два рази нівелює вплив важливих геометричних параметрів концентратора на показники довговічності.

Практичне значення одержаних результатів:

- міжнародній конференції «Оцінка й обґрунтування продовження ресурсу елементів конструкцій» (6-9 червня 2000 р., Київ, Інститут проблем міцності НАН України);

- ІІ і ІІІ міжнародних конференціях із суднобудування ISC'98 і ISC'2002 (24-26 листопада 1998 р. і 8-10 жовтня 2002 р., Санкт-Петербург, Росія, ЦНДІ ім. акад. О.М. Крилова);

- міжнародній конференції «Современные проблемы концентрации напряжений» (21-25 червня 1998 р., Донецьк, Донецький державний університет);

- двох міжнародних конференціях «Проблемы прочности и эксплуатационной надежности судов» (11-14 вересня 1996 р. і 8-11 вересня 1999 р., Владивосток, Росія, Далекосхідний державний технічний університет);

- міжнародній конференції «Кораблестроение и океанотехника. Проблемы и перспективы» (14-17 вересня 1998 р., Владивосток, Росія, Далекосхідний державний технічний університет);

- міжнародному науково-практичному симпозіумі «Проблеми суднобудування: стан, ідеї, рішення» (8-10 жовтня 1997 р., Миколаїв, Український державний морський технічний університет);

- міжнародній конференції «Кораблебудування: освіта, наука, виробництво» (24-25 вересня 2002 р., Миколаїв, Український державний морський технічний університет ім. адм. Макарова);

- міжнародній науково-технічній конференції «Безопасность мореплавания и ее обеспечение при проектировании и постройке судов (БМС-2004)» (2004 р., Миколаїв, Національний університет кораблебудування ім. адм. Макарова);

- всесоюзній науково-технічній конференції «Проблемы прочности и снижение металлоемкости корпусных конструкций перспективных транспортных судов и плавучих сооружений» (20-22 лютого 1990 р., Ленінград, ВНТО ім. акад. О.М. Крилова);

- науково-технічній конференції «Эксплуатационная и конструктивная прочность судовых конструкций. Девятые «Бубновские чтения»» (5-6 червня 1991 р., Нижній Новгород, Росія, Нижегородський політехнічний інститут);

- науково-технічних конференціях професорсько-викладацького складу МКІ-УДМТУ-НУК у 1988…2006 рр.

Апробація результатів досліджень відбулася також на наукових семінарах в Інституті проблем міцності ім. Г.С. Писаренка та в Інституті електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України, засіданнях науково-технічної ради з кораблебудування УДМТУ-НУК.

Публікації. Результати досліджень з теми дисертації опубліковані в 38 наукових працях. З них 23 (16 без співавторів) - у збірниках наукових праць, які входять до переліку спеціалізованих видань ВАК України, 12 (8 без співавторів) - у працях і матеріалах міжнародних конференцій та науково-практичного симпозіуму, 3 (1 без співавторів) - у тезах науково-технічних конференцій різних рівнів.

Структура і обсяг дисертації. Дисертація складається зі вступу, 7 розділів, висновків, списку використаних джерел і 5 додатків. Загальний обсяг дисертації становить 406 сторінок, з яких 278 основного тексту, 72 рисунки, 40 таблиць, а також 68 сторінок додатків. Список використаних джерел складає 225 найменувань і займає 24 сторінки.

Основний зміст роботи

напруження втомний вузол судно

Вступ містить обґрунтування актуальності теми дисертаційної роботи і її зв'язок з науковими програмами, мету і задачі досліджень, наукову новизну результатів, які виносяться на захист, і їх практичне значення.

Перший розділ дисертації присвячено аналізу втомних пошкоджень суднових корпусних конструкцій, а також методів оцінки їх втомної міцності, які використовуються нині у вітчизняному суднобудуванні.

Розглянуто значну кількість публікацій щодо дослідження пошкоджуваності конструкцій корпусу в умовах змінного навантажування. Автори цих досліджень М.В. Барабанов, А.С. Брикер, Г.В. Єгоров, М.О. Іванов, В.В. Козляков, С.М. Кононенко, В.Т. Луценко, О.І. Максимаджі, В.В. Новіков, О.І. Свєчніков, Г.П. Шемендюк та інші вказують на наявність втомних пошкоджень в корпусах всіх типів морських суден (старих і новозбудованих), а також суден обмеженого і змішаного районів плавання. Пік інтенсивності таких пошкоджень припадає на 10…14 роки експлуатації. Основною причиною виникнення втомних тріщин визнана концентрація напружень в конструктивних вузлах. У більшості випадків зростання кількості тріщин спостерігається в межах 1/3…1/4 довжини судна від носового і кормового перпендикулярів.

На рекласифікованих суднах змішаного плавання кількість утомних тріщин, як правило, визначається терміном його експлуатації на морі. Самі тріщини в рівній мірі виявляються як в базових конструкціях, так і в додатково встановлених для підвищення загальної і місцевої міцності такого типу суден.

Виникнення втомних тріщин в корпусах старих і новозбудованих суден говорить про необхідність удосконалення вимог «Правил» класифікаційних товариств щодо забезпечення міцності конструктивних вузлів при змінних навантаженнях. Цього можна досягти на основі узагальнення результатів експериментально-теоретичних досліджень, отриманих із використанням надійних методів оцінки втомної довговічності корпусних конструкцій.

Не дивлячись на великий об'єм досліджень в області втоми матеріалів, зварних з'єднань і конструкцій, викладених у фундаментальних працях відомими фахівцями Г.В. Бойцовим, В.М. Волковим, А.П. Гусенковим, В.І. Дворецьким, В.С. Івановою, В.П. Когаєвим, В.В. Козляковим, С. Коцаньдою, І.В. Кудрявцевим, О.І. Максимаджі, М.А. Махутовим, П.П. Міхеєвим, В.Х. Мюнзе, О.М. Палієм, В.В. Панасюком, С.В. Петіновим, О.М. Романівим, С.В. Серенсеном, В.О. Стрижалом, В.Т. Трощенком, В.І. Труфяковим, Р.Б. Хейвудом, С.Я. Яремою та іншими, поки що не створено достатньо досконалих розрахункових методів для оцінки втомної міцності вузлів тонкостінних конструкцій, які б забезпечували також вирішення проектувальних задач за показниками втомленості.

У суднобудуванні існують два принципово різні підходи щодо розрахункових досліджень утоми конструкцій. Перший базується на прийомах порівняльного аналізу втомної довговічності з базовою конструкцією, а другий - на прямих абсолютних оцінках показників утоми.

Серед методик порівняльного типу виділено методики О.І. Максимаджі і В.В. Козлякова. В їх основу покладено силовий критерій руйнування матеріалу і лінійна гіпотеза підсумовування пошкоджень. Використовуючи статистичний підхід В.В. Болотіна, автори за прийнятим законом довгочасного розподілу номінальної напруженості (Релея в першій методиці і Вейбулла у другій) отримали розрахункову формулу для довговічності конструкцій у часі . Таку ж довговічність можна за прийнятих умов визначити і для базової конструкції, в якій не виявлено втомних пошкоджень за весь експлуатаційний період. Тоді маємо змогу оцінити надійність досліджуваної конструкції відношенням .

Розрахункові методи, якими можна отримати прямі оцінки показників довговічності вузлів суднових конструкцій, більш складні. У вітчизняному суднобудуванні використовуються емпіричний метод ЦНДІ ім. акад. О.М. Крилова (Г.В. Бойцов, О.М. Палій) і теоретичний (деформаційний) метод С.В. Петінова.

Для практичного наповнення розрахункової методики фактичними даними про коефіцієнт в ЦНДІ ім. акад. О.М. Крилова проведено декілька серій випробувань на втому моделей конструктивних вузлів, виготовлених із сталей п'яти марок. Використавши ці дані, а також результати випробувань інших дослідників, побудовано таблицю значень для 32 конструктивних вузлів, яку рекомендовано використовувати на практиці.

Метод С.В. Петінова, в основу якого покладено деформаційний критерій втоми матеріалу Ленджера і лінійну гіпотезу підсумовування пошкоджень, потребує попереднього розрахунку розмаху повної пружнопластичної деформації в зонах концентрації напружень конструктивного вузла. Визначення такої деформації навіть сучасними числовими методами є досить складною задачею, так як необхідно враховувати особливості локальної геометрії в осередковій зоні.

На основі проведеного аналізу встановлено, що методи, які базуються на визначенні абсолютних показників довговічності, мають певні обмеження, пов'язані з великим різноманіттям вузлів, їх складністю, необхідністю врахування локальної геометрії в осередку концентрації напружень. Розрахункові залежності цих методів прямо не відображають вплив на довговічність геометричних параметрів, чим суттєво утруднюється рішення проектувальних задач. Тож виникає нагальна потреба у розробці такого методу розрахунку втомної міцності конструкцій, який був би вільним від вказаних вище недоліків.

У другому розділі сформульовані основні принципи і положення щодо розробки нового методу розрахункової оцінки втомної міцності корпусних конструкцій судна. Показано, що при існуючому нині рівні дотримання вимог на виготовлення конструкцій в умовах суднобудівних заводів визначальним фактором втомних пошкоджень виступає напружено-деформований стан. Інші фактори, в першу чергу технологічного характеру, є менш значимі.

Утомна міцність конструкції визначається найслабкішим за довговічністю конструктивним вузлом з наявними в ньому осередками концентрації напружень. З метою зменшення кількості об'єктів досліджень за первинний об'єкт приймається не сам вузол, а окремі його типові осередки концентрації з оточуючими їх невеликими зонами («осередковий» підхід). Напруження на границях цих зон розглядаються як номінальні, по відношенню до яких встановлюються показники втомної довговічності осередку концентрації напружень.

Для конструктивних вузлів введено два рівні номінальних напружень: вузлових і осередкових. У загальному випадку зв'язок між цими рівнями можна встановлювати розрахунковим або експериментальним методами. Проте, коли в межах вузла знаходиться один осередок концентрації або декілька незалежних між собою, вказані два рівні номінальних напружень ототожнюються. Основними параметрами таких напружених станів прийнято розмах , максимальне номінальне напруження , а також характеристику циклу змінних напружень. На основі детального аналізу показано, що в задачах втомної міцності суднових корпусних конструкцій за характеристику циклу номінальних напружень доцільно прийняти параметр , який представляє собою відношення середніх напружень циклу до розмаху . Рівень концентрації напружень в типових осередках концентрації прийнято визначати теоретичним коефіцієнтом концентрації K_T та коефіцієнтами концентрації напружень K і деформацій K при пружнопластичному деформуванні.

Викладена практична схема реалізації експериментально-теоретичного «осередкового» підходу при розробці методу розрахунку втомної міцності конструкцій (вузлів), яка включає:

а) визначення експлуатаційної навантаженості конструктивних вузлів за діючими «Нормами міцності» або прямими розрахунками загальної і місцевої міцності конструкцій корпусу;

б) розробку критеріальних залежностей втоми для типових осередків концентрації напружень;

в) оцінку втомної міцності конструктивних вузлів на основі лінійної гіпотези підсумовування втомних пошкоджень.

Деталізована процедура вирішення основної задачі при розробці нового методу - отримання критеріальних залежностей (кривих втоми) для типових осередків концентрації напружень. Такі залежності доцільно розробляти на основі деформаційних і силових критеріїв утомленості матеріалу, «прив'язку» яких до типового осередку концентрації треба виконати за експериментально встановленими на моделях показниками втомного руйнування в осередку з конкретною геометрією.

У третьому розділі наведена класифікація типових концентраторів напружень конструктивних вузлів і проаналізовані способи визначення їх експлуатаційної навантажуваності.

Викладені існуючі в суднобудуванні підходи до класифікації вузлів корпусних конструкцій. Вказано, що частіше всього класифікація будувалася за технологічними або конструктивними ознаками. Це призводило до великої кількості вузлів одного функціонального призначення. Суттєвим кроком вперед у цій області треба визнати праці А.І. Бронського і Г.П. Шемендюка. Останній при побудові класифікаційної схеми виділив три основні ознаки: функціональність, спосіб формування вузлів і їх технологічність.

З точки зору оцінки міцності вузлів визначальною ознакою виступає функціональність, яка дозволяє відрізняти вузли за силовими умовами роботи у складі корпусу. За цією ознакою Г.П. Шемендюком виділено три класи вузлів, кожен з яких поділяється на групи фактично за конструктивним принципом. У вказаних групах виділені підгрупи за характером дії навантажень.

Аналіз великої кількості конструкторської документації по корпусу різних за призначенням суден дозволив виявити у вузлах типові осередки концентрації напружень конструктивного характеру. Їх загальна кількість близька до 20 без урахування в окремих випадках різних варіантів виконання концентратора одного і того ж типу. Складена таблиця типових осередків концентрації, де вказані їх номери і всі можливі комбінації сумісної дії простих видів навантажень: рівномірного одновісного розтягування (стискання), згину в площині плоского елемента і зсуву. Ці осередки прийнято класифікувати за двома основними ознаками - формою і характером навантаження. За формою вони поділені на плоскі і просторові. Останні мають у своєму складі один або декілька елементів, що розташовуються у взаємно перпендикулярних площинах. Таких осередків більшість. За характером навантаження виділені типові осередки з простим видом номінального навантаження і складним, який являє собою комбінацію простих видів.

Типові осередки концентрації можуть мати декілька небезпечних точок, в яких можливе порушення втомної міцності. Це пов'язано із наявністю в таких осередках елементів складної геометрії, а також зварних швів різних типів і орієнтації. До того ж, положення небезпечних зон залежить і від співвідношення простих видів навантажень у випадку їх одночасної дії. Проте, у випадках простих навантажень, небезпечні точки в зонах концентрації визначаються однозначно.

Викладена схема побудови довгочасного розподілу сумарних напружень потребує детальної інформації про напружений стан вузла з урахуванням макроконцентрації, ймовірнісні характеристики зовнішніх навантажень та відповідні коефіцієнти кореляції між ними. Недостатня вивченість вказаних величин поки що не дозволяє отримувати надійні результати за такою схемою.

У порівнянні з наведеною схемою більш простий шлях визначення характеристик циклічної номінальної навантаженості вузлів можна практично реалізувати на основі норм допустимих напружень, які прийняті в «Нормах міцності» морських суден, і лінійного закону кумулятивного довгочасного розподілу. Основні труднощі на такому шляху пов'язані з тим, що вказаними «Нормами» не встановлюються допустимі рівні для сумарних напружень в елементах корпусу. Проте в окремих випадках, наприклад, для поздовжнього набору і відповідних вузлів, допустимі напруження від місцевого навантаження встановлюються в залежності від їх участі в загальному згинанні корпусу.

На конкретних прикладах показано визначення сумарних номінальних напружень для вузлів у поздовжньому напрямку, які утворюються рамними поздовжніми днищевими балками (вертикальним кілем, стрингерами), поздовжніми ребрами жорсткості днищевої обшивки, другого дна, верхньої палуби, а також борту. Першою складовою сумарних напружень для вузлів палуби і днища є напруження від загального згинання корпусу, яке при нормованих значеннях коефіцієнтів запасу визначається за формулами:

- в настилі палуби

- в днищевій обшивці

де - нормативна границя плинності матеріалу, а , - відповідно відстань настилу палуби і обшивки днища від нейтральної осі поперечного перерізу корпусу. Інші складові сумарних напружень від дії місцевого навантаження на перекриття, ребра жорсткості і пластини визначаються відповідно на основі стержневих розрахункових схем, технічної теорії згинання балок і жорстких пластин. При визначенні поперечної навантаженості зазначених вузлів не враховуються напруження від загального згинання корпусу у вертикальній площині.

Отримані розрахункові формули для визначення параметрів навантаження конструктивних вузлів у поздовжньому і поперечному напрямках прості за структурою і можуть використовуватись при оцінках втомної міцності конструкцій у першому наближенні.

У четвертому розділі дисертації викладені основні положення з розробки критеріальних залежностей втомної довговічності типових осередків концентрації напружень і отримані такі залежності. Вони дозволяють побудувати криву втоми у діапазоні числа циклів від 1 до 10⁸. В основу цих залежностей покладені деформаційні і силові критерії втоми матеріалу, «прив'язка» яких до типового концентратора виконується в одній точці. Координати цієї точки , встановлюються за результатами втомних випробувань моделей з осередками концентрації даного типу при конкретних геометричних параметрах. За рівень утомного руйнування при пружнопластичному деформуванні в осередковій зоні прийнята довжина видимої тріщини ~1…2 мм.

Весь діапазон утомної довговічності від 1 до 10⁸ циклів умовно поділено на малоциклову і багатоциклову області. Тож за умови пружнопластичного деформування в осередковій зоні виконано «прив'язку» якраз деформаційного критерію втоми матеріалу. В багатоцикловій області перевага віддана силовому критерію, який дозволяє без особливих труднощів реалізувати пристиковування до деформаційного критерію.

Побудову функції і встановлення значення показника степені можна практично здійснити шляхом обробки експериментальних даних втомних випробувань моделей з осередками концентрації даного типу або на основі наближених залежностей для пружнопластичних деформацій в концентраторах напружень. Останній шлях менш трудомісткий. Тож на основі проведеного аналізу для вирішення даної задачі використано наближену залежність Нейбера.

На ділянці малоциклової області, де число циклів задовольняє умові, з очевидним запасом залежність між і відносним розмахом напружень прийнята лінійною.

Таким чином, в малоцикловій області маємо дві ділянки, які за числом циклів визначаються умовами і. Третя ділянка відноситься до багатоциклової області. Тут використано силовий критерій втоми матеріалу Хейвуда.

У випадку використання деформаційного критерію Ленджера критеріальні залежності втоми типового концентратора сталевої конструкції будуть найпростішими за структурою. До того ж, представлені на рис. 2 криві втоми для деякого умовного концентратора на основі чотирьох деформаційних критеріїв утоми матеріалу при віднульовому (=0,5) циклі напружень показують, що вказаний критерій забезпечує надійні результати на всьому діапазоні числа циклів від 1 до 10⁸.

П'ятий розділ присвячено експериментальним дослідженням міцності конструктивних вузлів з типовими концентраторами напружень в умовах циклічного і статичного навантажень.

Експериментальні випробування на втому моделей конструктивних вузлів, виготовлених із суднокорпусних сталей, виконані з метою отримання даних про показники довговічності в типових осередках концентрації в залежності від рівня номінальних напружень і геометричних параметрів концентратора. Циклічним навантаженням піддавалися моделі з трьома типами осередків концентрації - з концентраторами «злам стінки» плоского 14 і просторового 15А типів, а також з плоским концентратором типу 13, який реалізований в моделях «хрестовин».

Утомні випробування моделей виконувались на спеціальній машині для малоциклових випробувань УМЭ-10ТМ, а також на двох модифікованих машинах Р-100 і УММ-200, які дообладнані блоком пульсації. Максимальні розтягуючі зусилля циклу названих машин відповідно дорівнюють 100, 650 і 1000 кН, а частота навантажень - 0,15, 0,60 і 0,30 Гц. Як правило, цикл навантажень був близьким до віднульового. Моделі з концентраторами типу 14А випробовувались на машинах УМЭ-10ТМ і УММ-200, а з концентраторами 13 і 15А - на машинах УММ-200 і Р-100. Поверхневі втомні тріщини виявлялись за допомогою мікроскопа МПБ-2.

При дослідницьких випробуваннях на втому варіювались рівень номінальних напружень і геометричні параметри типових концентраторів. Такі випробування, окрім декількох, відносились до малоциклових, оскільки утворення втомних тріщин і руйнування моделей відбувалось при повторно-пластичному деформуванні в осередках концентрації.

Основна серія втомних випробувань плоских моделей (51 шт.) габаритними розмірами 300Ч100 мм і товщиною 4 мм з осередками концентрації типу 14А (див. рис. 3, а) виконана при

радіусах закруглення в місці зламу мм і мм. При цьому, кут зламу кромки збільшувався з кроком 15° до прямого. В залежності від розмаху номінальних напружень, меншому границі плинності матеріалу 340 МПа, отримано великий обсяг даних про показники довговічності при довжині тріщини в концентраторі ~1 мм. Як приклад, на рис. 6 для трьох кутів зламу кромки при радіусі закруглення мм представлена залежність числа циклів від розмаху напружень

Окрім основної серії, дві моделі цього різновиду з кутом зламу = 30° і радіусом закруглення випробовувались на втому при рівні максимальних номінальних напружень, який перевищував (350 МПа), а ще дві моделі з кутом зламу 15 і 45° - при двоступінчастому навантаженні з першим низьким рівнем (= 0,53) і другим більш високим (= 0,73).

На плоских моделях другого різновиду (4 шт.) з концентраторами 14А (див. рис. 3, б), габаритні розміри яких 700Ч120 мм і 700Ч160 мм при товщині = 8 мм і радіусі закруглення, отримані показники довговічності на високому рівні номінальних напружень = 0,975 (= 328 МПа). Ці показники добре узгоджуються з даними випробувань основної серії.

Аналіз результатів випробувань моделей з осередками концентрації типу 14А підтверджує принцип залежності показників довговічності від рівня номінального напруження при фіксованих геометричних параметрах, а також від кута зламу і радіуса закруглення при незмінному рівні номінального навантаження. Виявлено суттєвий вплив радіуса закруглення кромки на довговічність при кутах зламу більше 30°. Зафіксовано значне підвищення втомної довговічності типового концентратора за рахунок «тренування» моделі на низькому рівні номінальних напружень.

Моделі з типовими концентраторами 15А (див. рис. 4) випробувались тільки при рівнях номінальних напружень, які не перебільшували границю плинності = 400 МПа. Цей тип концентратора, як і попередній, теж відноситься до групи «злам стінки», але є просторовим. Він має поясок, приварений перпендикулярно до стінки товщиною = 6 мм при куті зламу кромки 30, 45 і 60°. Радіус закруглення в місці зламу прийнято рівним товщині пояску двох типорозмірів Ч: 7Ч30 мм і 12Ч30 мм.

Циклічному однорівневому навантаженню піддавалися 30 моделей основної серії при максимальних номінальних напруженнях (0,945…0,975). Аналіз результатів випробувань показав суттєвий вплив рівня номінальних напружень на довговічність. Те саме спостерігається і для кута зламу кромки. Так, при розмасі номінальних напружень ~360 МПа, середня довговічність в концентраторах моделей з кутом зламу 30° і 60° відповідно дорівнює близько 36000 і 9800 циклів. Однак розсіяння показників довговічності є дещо більшим, ніж у попередніх плоских моделях. Такий факт можна пояснити наявністю залишкових напружень в зоні конструктивної концентрації від зварного шва.

Три моделі з типовими осередками концентрації 15А, в яких кут зламу кромки = 30є, випробовувались при двохрівневому циклічному навантаженні. На першому рівні дві моделі мали максимальні номінальні напруження 0,42, а на другому - 0,93. Третя модель випробовувалась відповідно на рівнях 0,51 і 0,9. У всіх випадках підвищення довговічності за рахунок «тренування» не виявлено.

Не виявлено також значного впливу площі поперечного перерізу пояску на довговічність осередку концентрації, хоча за площею пояски моделей різних типів відрізнялись майже вдвоє.

У моделях «хрестовин» чотирьох конструктивних варіантів, форма і розміри яких представлені на рис. 5, реалізовані 6 різновидів типового осередку концентрації 13 в залежності від напрямку навантаження. При цьому у більшості з них на напружено-деформований стан і показники довговічності має вплив зварний шов.

Основна серія циклічних випробувань «хрестовин», яка охоплювала 9 моделей І конструктивного варіанту при навантаженні за напрямком А і по 7 моделей II, III i IV

конструктивних варіантів при навантаженнях за напрямками А і В, дозволила отримати великий обсяг даних про показники довговічності на різних рівнях максимальних номінальних напружень =(0,54…0,90), = 410 МПа. На рис. 7 представлені такі результати для концентраторів «хрестовин» І конструктивного варіанту. Вони вказують на суттєвий вплив рівня номінальних напружень

на число циклів до появи втомної тріщини. При цьому спостерігається значна щільність експериментальних даних, особливо при розмахах номінальних напружень 300 МПа.

Друга серія втомних випробувань проведена на тих моделях «хрестовин», в яких утомні тріщини від попередньої серії випробувань були розкриті механічним способом, а потім заварені без будь-якої спеціальної обробки зварного шва. Результати цих випробувань показали, що довговічність відремонтованих осередків концентрації становить не більше 50% від довговічності в першій серії випробувань. Суттєве зниження показників довговічності в осередках із завареними тріщинами можна пояснити низкою факторів: залишковими напруженнями від зварювання, додатковою концентрацією від зварного шва, неоднорідністю матеріала шва і моделі та ін.

Остання серія втомних випробувань моделей «хрестовин» (по дві кожного конструктивного варіанту) проводилась після отримання цими моделями статичного навантаження з пластичним деформуванням в зоні номінальних напружень. Таке перевантаження становило 20% вище границі плинності матеріалу. Два рівні наступних циклічних навантажень за максимальним номінальним напруженням відповідали 0,7 і 0,9 як це прийнято в першій серії втомних випробувань. Порівняння показників довговічності концентраторів цієї серії з першою показало, що для моделей із статичним перевантаженням ці показники на 5…10% вищі за умови відсутності в осередках конструктивної концентрації напружень значних мікроконцентраторів і при якісних зварних швах.

Експериментальні дані про показники довговічності трьох типів осередків концентрації напружень 13, 14А і 15А, які отримані на моделях із суднокорпусних сталей, дозволили встановити координати, точки «прив'язки» кривої втоми таких концентраторів. Для цього використано логарифмічно нормальний закон розподілу отриманих показників. На основі аналізу і обробки великого обсягу експериментальних даних визначено циклову і силову координати для досліджених концентраторів та надійний інтервал величини при ймовірності 0,95. Отримані результати рекомендовано використовувати в розрахунковій практиці і при побудові кривих втоми для вказаних типових осередків концентрації.

Окрім утомних випробувань моделей з концентратором «злам стінки» типу 14А, виконані дослідження його напружено-деформованого стану експериментальними методами (поляризаційно-оптичним, електротензометруванням), а також методом скінченних елементів. На основі обробки експериментальних даних і результатів розрахунку отримана практична формула для наближеного визначення теоретичного коефіцієнта концентрації напружень в широкому діапазоні зміни геометричних параметрів.

У шостому розділі виконано аналіз кривих втоми досліджених типових концентраторів напружень і викладено експериментально-теоретичний метод розрахунку втомної міцності конструктивних вузлів.

Побудова кривих втоми для згаданих концентраторів виконана за розробленими у розділі 4 критеріальними залежностями з координатами точки «прив'язки», які встановлені на основі результатів втомних випробувань моделей. На рис. 8 представлена крива втоми для типового концентратора 14А при куті зламу кромки = 60є, радіусі закруглення і з координатами точки «прив'язки» =14000 і = 275 МПа. Надійний інтервал для ймовірності 0,95 визначено числом циклів (11900, 16100) і показано на рисунку пунктирними лініями. Порівняння з експериментальними даними підтверджує надійність побудованої кривої втоми.

Для концентратора вказаного типу побудовані також криві втоми при кутах зламу 45° і 30° з координатами точки «прив'язки», встановленими за попередньою геометрією (= 60°). Отримані на моделях показники довговічності для цих концентраторів добре узгоджуються з відповідними кривими, що вказує на їх надійність і можливість використання для вирішення практичних задач.

Аналогічно попередньому концентратору побудовані криві втоми для типового осередку 15А. Координати точки «прив'язки» =17300 і = 365 МПа прийняті за результатами обробки експериментальних даних моделей з кутом зламу кромки = 45°. На рис. 9 суцільною лінією зображена крива втоми при = 60°, побудова якої виконана за вищевказаними координатами точки «прив'язки». Експериментальні точки непогано узгоджуються з побудованою кривою і підкреслюють її надійність.

Для осередку концентрації типу 13, який реалізовано в моделях «хрестовин», криві втоми побудовані для трьох кутів зламу: 0, 45 і 90°. Порівняння цих кривих з експериментальними даними вказує на їх високу надійність. На рис. 10 представлена одна з таких кривих при куті зламу = 45° з координатами точки «прив'язки» =14700 і = 280 МПа. На цьому ж рисунку, як і на попередньому, пунктиром зображена крива, яка отримана на основі залежностей методу ЦНДІ ім. акад. О.М. Крилова відповідно при ефективних коефіцієнтах концентрації =1,3 (концентратор 15А) і =1,5 (концентратор 13). Очевидно, криві, побудовані за різними методами, мають непогане співпадання в середній частині логарифмічного діапазону числа циклів. Однак в багатоцикловій області залежності методу ЦНДІ ім. акад. О.М. Крилова дають дещо занижені показники довговічності.

Таким чином, можна впевнено стверджувати, що критеріальні залежності втоми експериментально-теоретичного методу, розроблені для узагальненого типового концентратора, дозволяють отримувати надійні результати на всьому діапазоні числа циклів від 1 до 10⁸ в залежності від геометричних параметрів конкретних типових осередків концентрації.

Викладено основні положення експериментально-теоретичного методу оцінки втомної міцності конструктивних вузлів суднового корпусу.

1. Утомна довговічність вузла визначається довговічністю найбільш слабкого за втомою осередку із всіх типових осередків концентрації напружень, що мають місце у вузлі. Крива втоми для такого концентратора будується за розробленими критеріальними залежностями при наявності даних про показники довговічності і, які встановлюються експериментально на моделях з конкретними геометричними параметрами.

2. Номінальні навантаження (напруження) на границях вузла визначаються методами будівельної механіки корабля за стержневою ідеалізацією конструкцій.

3. Приймається лінійний закон кумулятивного розподілу амплітудних значень (розмаху) номінальних напружень вузла і типового осередку концентрації на логарифмічній шкалі числа циклів за весь експлуатаційний період судна.

4. Міцність конструктивних вузлів при змінних навантаженнях різного рівня перевіряється на основі лінійної гіпотези підсумовування втомних пошкоджень. Для деяких типів суден така умова може бути відкорегованою.

У відповідності до викладених положень наведені формули для виконання необхідних розрахунків і дані пояснення щодо їх практичного використання.

Вихідними даними для розрахунку граничної довговічності типового осередку концентрації напружень конструктивного вузла при встановленому рівні номінального навантаження є:

- характеристики матеріалу конструкції;

- характеристики матеріалу моделі, з концентраторами даного типу;

- встановлене при циклічних випробуваннях моделей на заданому рівні розмаху номінальних напружень число циклів при появі в зоні концентрації втомної тріщини довжиною ~1 мм;

- значення функції геометричних параметрів для досліджуваного концентратора.

За вказаними даними обчислюють відносні силові параметри, граничних точок ділянок І, ІІ, ІІІ кривої втоми (див. рис. 1), однакові для всіх рівнів номінальних напружень. Це дає змогу для кожного -го рівня навантажень з відносним розмахом встановити ділянку кривої втоми і за відповідними формулами (див. розділ 4) розрахувати граничне число циклів. Фактичне число циклів навантажень вузла і концентратора визначається за лінійним законом розподілу розмаху номінальних напружень. Тоді на основі лінійної гіпотези підсумовування втомних пошкоджень виконується оцінка втомної міцності досліджуваного концентратора, а відповідно і вузла корпусної конструкції судна.

Наведені три практичні методики розрахунку втомної міцності і проектування типових концентраторів конструктивного вузла, які розроблені на основі критеріальних залежностей втоми експериментально-теоретичного методу:

1) визначення числа циклів до появи в осередку концентрації видимої тріщини при заданих параметрах номінального навантаження - розмасі напружень і характеристиці циклу;

2) визначення параметрів циклічного номінального навантаження осередку концентрації в конструктивному вузлі при заданому числі циклів до появи видимої тріщини;

3) проектування конструктивного вузла - встановлення геометричних параметрів осередку концентрації за показниками втомленості.

На прикладі типового осередку концентрації 14А показана практична реалізація першої і третьої методик. Порівняння отриманих результатів з експериментальними даними підтвердило надійність як розроблених критеріальних залежностей втоми для типових осередків концентрації напружень, так і практичних методик.