Методика определения трещиностойкости стыковых сварных соединений оболочковых конструкций из материалов ограниченной пластичности на основе численного моделирования предельного состояния разрушения тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.03.06, кандидат технических наук Жохов, Александр Геннадьевич

• Жохов, Александр Геннадьевич
• кандидат технических наук
• 2000

Оглавление диссертации кандидат технических наук Жохов, Александр Геннадьевич

ГЛАВА 1. МЕТОДЫ ОЦЕНКИ ТРЕЩИНОСТОЙКОСТИ МАТЕРИАЛА СТЕНКИ СОСУДА ДАВЛЕНИЯ.

1.1. Характеристика объекта исследования.

1.2. Методы оценки трещиностойкости материала стенки сосуда.

1.3. Локальные критерии оценки трещиностойкости.

1.4. Постановка темы, цели и задачи исследования.

ГЛАВА 2. МЕТОДИКА МОДЕЛИРОВАНИЯ СТРАГИВАНИЯ И ДВИЖЕНИЯ ТРЕЩИНЫ ОТ КОНЦЕНТРАТОРА.

2.1. Единый механизм разрушения образцов, имитирующих поведение стенки сосуда с дефектом.

2.2. Анализ результатов растяжения цилиндрических образцов с кольцевой выточкой.

2.3. Модель упруго-пластического поведения однородного материала в процессе деформирования.

2.4. Основные положения метода оценки неразрушимости оболочковой конструкции на имитационной модели.

2.5. Выводы по главе.

ГЛАВА 3. МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЗНАЧЕНИЙ ПРЕДЕЛЬНОЙ ПЛАСТИЧНОСТИ МАТЕРИАЛА.

3.1. Выбор материала для постановки исследования.

3.2. Основные этапы методики определения £сО').

3.3. Определение пластичности ИМВ-2.

3.4. Основные результаты, полученные по итогам определения предельной пластичности.

ГЛАВА 4. ОЦЕНКА ТРЕЩИНОСТОЙКОСТИ СВАРНОЙ ОБОЛОЧКИ С ДЕФЕКТОМ НА ОСНОВЕ ЛОКАЛЬНОГО КРИТЕРИЯ РАЗРУШЕНИЯ.

4.1. Моделирование пошагового нагружения образца с поверхностной трещиной.

4.2. Прямое моделирование процесса разрушения от кольцевой трещины в сварном сферическом сосуде.

4.3. Выводы по трещиностойкости стенки сварного сосуда из ИМВ-2 и методу её оценки.

Заключение диссертации по теме «Технология и машины сварочного производства», Жохов, Александр Геннадьевич

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Принципиальным моментом предлагаемого расчётного метода оценки трещиностойкости является утверждение, что разрушение материалов, используемых в изготовлении сосудов давления, происходит в присутствии пластической деформации. Поэтому для моделирования как вязкого, так и хрупкого разрушения стенки сосуда давления может быть использован единый локальный деформационный критерий разрушения -предельная пластичность.

2. В условиях монотонного нагружения сложный и многостадийный процесс образования микродефектов в зоне предразрушения не оказывает существенного влияния на закономерности деформирования металла вплоть до момента образования макротрещины (разрушения). Поэтому расчёт НДС материала в процессе нагружения до возникновения разрушения может быть поставлен по формулам механики деформирования твердого тела.

3. В рамках теории деформирования твердого тела достижение в некотором объеме материала условия разрушения - значение пластической деформации достигло предельной пластичности - может трактоваться как полная потеря способности материал противостоять деформации или вырождение данного объема материала в пустоту.

4. В качестве аппарата расчёта НДС геометрически сложного сварного элемента высоким требованиям точности отвечает МКЭ. Задача определения характера образовавшейся макротрещины определяется по Гриффитцу из анализа баланса энергий затраченной на разрушение и высвобожденной в результате роста трещины. В рамках МКЭ баланс энергий может быть заменён на кинетику деформаций (перемещений) вблизи вершины трещины в процессе перерасчёта НДС с учетом образовавшейся зоны разрушения при неизменных граничных условиях.

5. Для целей расчёта трещиностойкости сосудов давления необходимо получить значения предельной пластичности в области высокой положительной объёмности. Это достигается путём испытания цилиндрических образцов с кольцевым надрезом различной остроты, в том числе - с трещиной. Первое приближение предельной пластичности определяется не ниже огибающей сверху к распределениям пластичности в сечения образцов с надрезом на момент страгивания макротрещины. Окончательные значения предельной пластичности устанавливается путём подбора из условия наилучшего совпадения расчетных и экспериментальных диаграмм нагружения цилиндрических образов вплоть до момента полного разрушения.

6. Отличительной особенностью методики построения диаграммы предельной пластичности по итогам испытаний цилиндрических образцов с острым надрезом различной остроты является оригинальный приём определения момента страгивания макротрещины. Момент страгивания определяется по месту расхождения экспериментальной диаграммы нагружения образца и расчетной, полученной путём пошагового моделирования нагружения образца без учета образования зоны разрушения. Это позволило отказаться от введения характерного размера зоны разрушения - «зоны процесса».

7. Проведенные экспериментальные и численные исследования маг-ниево-литиевого сплава ИМВ-2 показали, что этому материалу свойственно разрушение по вязко-хрупкому механизму. Моделирование монотонного нагружения внутренним давлением сферического сосуда из ИМВ-2 с кольцевой трещиной показало, что разрушение по хрупкому механизму возникает на части ослабленного сечения уже при толщине стенки сосуда в 18 мм. При меньшей толщине стенки - разрушение носит вязкий характер по механизму потери пластической устойчивости ослабленного сечения.

8. С позиций JIMP в качестве свойства, характеризующего трещино-стойкость ИМВ-2 , правильнее использовать КИН на момент стра-гивания трещины. Для ИМВ-2 численно получено Kjq 8-13 МПа м

9. Отличительной особенностью сварных соединений ИМВ-2, выполненных ЭЛС являются остаточные сварочные напряжения. Расположение трещины в зоне сварного шва сосуда из ИМВ-2 является неблагоприятным фактором, изменяющим характер разрушения с преимущественно вязкого - на хрупкий. При этом характеристика трещиностойкости материала K1Q остаётся неизменной.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Жохов, Александр Геннадьевич, 2000 год

1. Анучин М.П., Горицкий В.М., Мирошниченко Б.И. Трубы для магистральных трубопроводов. -М. Недра, 1986. -231 с.

2. Куркин С.А., Лавряков Ю.Ю. Оценка работоспособности стыковых сварных соединений при наличии несквозного дефекта//Заводская лаборатория. -1981. -№12 -С.6-9

3. Шумайлов A.C., Гумеров А.Г., Молдованов О.И. Диагностика магистральных трубопроводов. -М.: Недра, 1992. 251 с.

4. Бородин В.В. Оценка работоспособности тонкостенных оболочек давления из высокопрочных сталей с технологическими дефектами в сварных швах с позиций обеспечения заданной надежности: Авто-реф. дисс.канд. техн. наук. -М.: МГТУ им. Н.Э.Баумана, 1985. -32 с.

5. Трубопроводный транспорт// Интерфакс-Нефть. -Интерфакс. -1996.-№133(567). -С.4.

6. Трубопроводный транспорт// Интерфакс-Нефть. -Интерфакс. -1996.-№71 (505). -С. 8.

7. Трубопроводный транспорт// Интерфакс-Нефть. -Интерфакс. -1996.-№95 (529). -С. 7-8.

8. Трубопроводный транспорт// Интерфакс-Нефть. -Интерфакс. -1996.-№96 (530). -С. 6-7.

9. Трубопроводный транспорт// Интерфакс-Нефть. -Интерфакс. -1996.-№97 (531). -С. 6-8.

10. Трубопроводный транспорт// Интерфакс-Нефть. -Интерфакс-1996. -№101 (535). -С. 6-8.

11. Сборник правил и нормативно-технических документов по котлонадзору/ Сост. A.A. Тихомиров, А.Н. Суслов. -М.: Машиностроение, 1993.-544 с.

12. ГОСТ 1497-84. Металлы. Методы испытаний не растяжение. -М.: Изд-во стандартов, 1984. -25 с.

13. ГОСТ 9454-78. Металлы. Методы испытаний на ударный изгиб при пониженной, комнатной и повышенной температурах. -М.: Изд-во стандартов, 1978. -31 с.

14. Строительные нормы и правила: СНиП 2.05.06-85. М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1988.-96 с.

15. Фридман Я.Б. Механические свойства металлов. Ч.2./ Механические испытания. Конструкционная прочность. -М.: Машиностроение, 1974. 260 с.

16. Чабуркин В.Ф. Разработка научных основ нормирования требований к качеству элементов сварных нефте газопроводов: Автореф. дисс. . докт. техн. наук. -М.: МГТУ им. Н.Э.Баумана, 1996. - 36 с.

17. Нормы расчета на прочность оборудования и трубопроводов атомных энергетических установок (ПНАЭ Г-7-002-86)/ Госатомэнерго-надзор СССР.-М.: Энергоатомиздат, 1989. -525 с. -(Правила и нормы в атомной энергетике)

18. ГОСТ 25.506-85 Методы механических испытаний металлов. Определение характеристик трещиностойкости (вязкости разрушения) при статическом нагружении. -М.: Изд-во стандартов, 1985. 62 с.

19. Черепанов Г.П. Механика хрупкого разрушения. -М.: Наука, 1974. -640 с.

20. Irwin G. R. Fractural Mechanics /Structural Mechanics. Eds. J. N. Goodier, N. J. Hoff. -Oxford: Pergamon, 1960. -P. 557.

21. Irwin G. R. Fracture/ Handb. Phys. -1958. -N6. -PP. 551-590.

22. Основы экспериментальной механики разрушения/ И.М. Керштейн, В.Д. Клюшников, Е.В. Ломакин и др. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1989. - 140с.

23. Куркин С.А., Новицкий В.П., Родионов С.С. Методика испытаний плоских толстолистовых образцов с поверхностной трещиной// Заводская лаборатория. -1984. -№5. -С. 73-77

24. Плювинаж Г. Механика упругопластического разрушения. -М.: Мир, 1993.-450 с.

25. Морозов Е.М. Двухкритериальные подходы в механике разрушения/Проблемы прочности. -1985. -№10. -С. 103-108.

26. Броек Д. Основы механики разрушения. -М.: Высшая школа, 1980 -368 с.

27. Ужик Г.В. Прочность и пластичность металлов при низких температурах. М.: Изд-во АН СССР, 1956. -192 с.

28. Куркин A.C., Лавряков Ю.Ю., Жохов А.Г. Разработка имитационной модели страгивания поверхностной трещины // Заводская лаборатория. -1993. -№9. -С. 50-52.

29. Neuber H. On the effect of stress concentration in Cosserat continua //Mechanics of Generalized Continua: Springer-Verlag, 1968. P. 109.

30. Копельман Л.А. Сопротивляемость сварных узлов хрупкому разрушению. -Л.: Машиностроение, 1978. -232 с.

31. Винокуров В.А., Куркин A.C. Прочность сварных соединений с угловыми швами и метод их расчёта // Сварочное производство. -1984. -№8. -С. 3-5.

32. Винокуров В.А., Аладинский В.В., Дубровский В.А. Концентрация напряжений в соединениях с лобовыми швами и ее учет в расчетах на выносливость // Автоматическая сварка. -1987. -№ 7. -С. 18-23.

33. Макклинток Ф. Пластические аспекты разрушения. В кн.: Разруше-ние.-М.:Мир, 1976. -Т.З. -С.67-262.

34. Лебедев A.A., Чаусов Н.Г., Зайцева Л.В. Влияние вида напряженного состояния на кинетику разрушения и трещиностойкость мартенситно-стареющей стали. Сообщ. 1. Исследование стадийности процесса разрушения// Проблемы прочности. 1991. - №8. -С.3-13.

35. Лебедев A.A., Чаусов Н.Г., Зайцева J1.B. Влияние вида напряженного состояния на кинетику разрушения и трещиностойкость мартен-ситно-стареющей стали. Сообщение 2. Оценка трещиностойкости стали// Проблемы прочности. -1991.-№8. -С. 14-18.

36. Теория ковки и штамповки// Е.П. Унксов, У. Джонсон, В.Л. Колмогоров и др. М.: Машиностроение, 1992. - 720 с.

37. A.C. Куркин. Прямое математическое моделирование процесса разрушения сварных конструкций для определения их прочности и трещиностойкости: Дис. . докт. техн. наук. -М., 1998. -247 с.

38. Карзов Г.П., Марголин Б.З., Швецова В.А. Некоторые физико-механические подходы к анализу макроскопических критериев разрушения. Сообщение 3. Хрупкое разрушение// Проблемы прочности 1989 -№6 - С.7-14.

39. Карзов Г.П., Марголин Б.З., Швецова В.А. Деформационно-силовой критерий хрупкого разрушения// Проблемы современной механики разрушения. Л.: Изд-во ЛГУ, 1990 - С. 102-121.

40. Марголин Б.З., Швецова В.А. Критерий хрупкого разрушения: структурно-механический подход// Проблемы прочности. -1992. -№4. С.3-16.

41. Куркин A.C., Киселев A.C. Разработка программного обеспечения для моделирования термонапряженного состояния деталей и егоприменение для повышения качества сварных конструкций // Тр. МВТУ. -1988. -№511. -С. 89-104

42. Куркин С.А., Лукьянов В.Ф., Крумбольд М.Н. Проектирование установок для испытания при двухосном растяжении // Проблемы прочности. -1973. -№12 -С.89-94.

43. Демина Н.И., Зилова Т.К., Фридман Я.Б. Методы механических испытаний листовых материалов при двухосном растяжении // Заводская лаборатория. -1964. -№5. -С. 587-592.

44. Лукьянов В.Ф., Сигаев A.A. Установка для испытаний крупногабаритных образцов при двухосном растяжении и изгибе // Заводская лаборатория. -1971. -№6. -С. 730-732.

45. Лукьянов В.Ф., Людмирский Ю.Г., Напрасников В.В. Испытания элементов корпусных конструкций при двухосном напряженном состоянии // Заводская лаборатория. -1986. -№ 7. -С. 59-62.

46. Куркин С.А., Новицкий В.П., Родионов С.С. Методика испытаний плоских толстолистовых образцов с поверхностной трещиной // Заводская лаборатория. 1984. -№5. - С. 73-76.

47. Копельман Л.А. Сопротивляемость сварных узлов хрупкому разрушению. -Л.: Машиностроение, 1978. -232 с.

48. Куркин С.А., Родионов С.С. Определение трещиностойкости сварных соединений сплава АМгб по моменту страгивания трещины //Известия ВУЗов. Машиностроение. 1984. -№2. - С. 136-140.

49. Куркин С.А., Родионов С.С., Тарасов С.И. Трещиностойкость стыковых сварных соединений мартенситно-стареющей стали03Х11Н10М2Т при статическом нагружении // Сварочное производство. 1985. -№6. -С. 9-11.

50. Сварные конструкции. Механика разрушения и критерии работоспособности / В.А. Винокуров, С.А. Куркин, Г.А. Николаев; Под ред. Б.Е. Патона М.: Машиностроение, 1996. -675 с.

51. Griffith A.A. The Phenomena of Rupture and Flow in Solids // Philos. Trans. Roy. Soc. -1921. -№ 221. P. 163-198.

52. Лебедев A.A., Чаусов Н.Г. Установка для испытания материалов с построением полностью равновесных диаграмм деформирования //Проблемы прочности. 1981. - №12. - С. 104-106.

53. Исследование кинетики разрушения пластичных материалов на заключительной стадии деформирования/ A.A. Лебедев, О.И. Мару-сий, Н.Г. Чаусов и др.// Проблемы прочности. 1982. - №1. -С. 1218.

54. Кинетика разрушения листовой аустенитной стали на заключительной стадии деформирования /A.A. Лебедев, Н.Г. Чаусов, О.И. Мару-сий и др. // Проблемы прочности. 1988. №3. -С. 16-21.

55. Лебедев A.A., Чаусов Н.Г., Евецкий Ю.Л. Определение параметров поврежденности пластичных материалов на стадии разупрочнения //Проблемы прочности. -1988. -№9. -С. 14-18.

56. Кинетика разрушения листового пластичного материала на заключительной стадии деформирования / A.A. Лебедев, Н.Г. Чаусов, О.И. Марусий и др.// Проблемы прочности. -1988. № 12. -С. 18-25.

57. Чаусов Н.Г., Марусий О.И., Лебедев A.A. Влияние вида напряженного состояния на микромеханизмы разрушения мартенситно-стареющей стали в условиях равновесного состояния //Проблемы прочности. 1991.-№3. -С.74-79.

58. Лебедев A.A., Н.Г. Чаусов, Л.В. Зайцева. Влияние вида напряженного состояния на кинетику разрушения и трещиностойкость мар-тенситно-стареющей стали. Сообщение 1. Исследование стадийности процесса разрушения // Проблемы прочности. 1991. -№8. - С. 3-12.

59. Лебедев A.A., Н.Г. Чаусов, Л.В. Зайцева. Влияние вида напряженного состояния на кинетику разрушения и трещиностойкость мар-тенситно-стареющей стали. Сообщение 2. Оценка трещиностойко-сти стали // Проблемы прочности. 1991. - №8. - С. 14-18.

60. Болотин В.В. Методы теории вероятностей и теории надежности в расчетах сооружений. -М.: Стройиздат, 1982.- 351 с.

61. Богданофф Дж., Козин Ф. Вероятностные модели накопления повреждений. -М.: Мир, 1989. -344 с.

62. Качанов Л.М. Основы механики разрушения. М.: Наука, 1974. -312 с.

63. Колмогоров В.Л., Мигачев Б.А., Бурдуковский В.Г. Феноменологическая модель накопления повреждений при различных условиях нагружения / УПИ. Екатеринбург, 1994. - 105 с.

64. Надаи А. Пластичность и разрушение твердых тел. М.: ИЛ, 1954. -648 с.

65. Малинин H.H. Прикладная теория пластичности и ползучести. М.: Машиностроение, 1975. - 400 с.

66. Галагер Р. Метод конечных элементов. Основы. М.: Мир, 1984. -428 с.

67. Вычислительные методы в механике разрушения: Пер. с англ. / Под ред. С. Атлури. М.: Мир, 1990. - 392 с.

68. Физические величины: Справочник / А.П. Бабичев, H.A. Бабушкина, A.M. Братковский и др.- М.: Энергоатомиздат, 1991. -1232.с

69. Огородников В.А. Оценка деформируемости металлов при обработке давлением. -Киев: Вища школа, 1983. -175 с.

70. П. Бриджмен Исследование больших пластических деформаций и разрыва: Пер. с англ. -М.: Изд-во иностр. лит., 1955. -444 с.

71. Куркин С.А. Прочность сварных тонкостенных сосудов, работающих под давлением. -М.: Машиностроение, 1976. 1-84 с.

72. ГОСТ 25.506-85. -М.: Изд-во стандартов, 1985. 47 с.

73. Куркин A.C., Жохов А.Г., Буранов A.M. Использование характеристик деформирования и пластичности материалов для моделирования процесса разрушения конструкций // Заводская лаборатория. -1997.-Т. 63, № 11.-С. 48-51.

74. Программно-методическое обеспечение и расчет напряженно-деформированного состояния сложных сварных конструкций / С.Н. Киселев, Ю.Н. Аксенов, В.Ю. Смирнов и др. // Сварочное производство. -1995. -№3. -С.26-30.

75. Sih G.C. Strain Energy Density Factor Applied to Mixed Mode Crack Problems // Int. J. of Fracture. 1974. - V.10, № 3. - P. 305-321.

76. Браун У., Сроули Дж. Испытания высокопрочных металлических материалов на вязкость разрушения при плоской деформации. -М.: Мир, 1972. -248 с.

77. Raju I.S. and Newman J.C. Tr. Sress-Intensity Factor for a wide range of semi-elliptical surface cracks in finite-thickness plates// Eng. Frack. Mechanics. -1979. -V.l 1. -P.817-829.

78. Бакши O.A. Механическая неоднородность сварных соединений. Текст лекций по курсу «Специальные главы прочности сварных конструкций»/ ЧПИ. -Челябинск, 1983. 56 с.

79. Бакши O.A., Шрон Р.З. Прочность при статическом растяжении сварных соединений с мягкой прослойкой // Сварочное производство. -1962. -№5. -С. 6-10.

80. Влияние степени механической неоднородности на статическую прочность сварных соединений / О. А. Бакши, В.В. Ерофеев, М.В. Шахматов и др. // Сварочное производство. -1988. -№ 4. -С. 1-4.

81. Овешников A.B. Разработка расчетно-экспериментальной оценки методики оценки высокотемпературной прочности металла шва в процессе электрошлаковой сварки: Дис. . канд. техн. наук. -М., 1992. -208 с.