Прогнозирование роста приповерхностных усталостных трещин тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.02.06, кандидат технических наук Бабкин, Артем Александрович

• Бабкин, Артем Александрович
• кандидат технических наук
• 2000

Оглавление диссертации кандидат технических наук Бабкин, Артем Александрович

Предисловие.

1. Введение

1.1. Надежность механических систем при наличии усталостных трещин.

1.2. Оценка надежности при наличии трещин. Методы прогнозирования роста поверхностных трещин.

1.3. Поверхностные трещины в трубопроводах, сосудах давления и турбомашинах.

1.4. Теория роста усталостных трещин В.В.Болотина.

1.5. Цель диссертации.

2. Распределение напряжений в окрестности поверхностных трещин

2.1. Аналитическая формулировка задачи,.

2.2. Аналогия между коэффициентами интенсивности и коэффициентами концентрации напряжений.

2.3. Применение аналогии для анализа напряжений в трехмерных задачах.

2.4. Конечно-элементное моделирование.

3. Прогнозирование роста поверхностных полуэллиптических трещин

3.1. Применение теории В.В.Болотина к моделированию двухпараметрических усталостных трещин.

3.2. Алгоритм вычислений. Выбор параметров модели.

3.3. Влияние начальных размеров трещины.

3.4. Диаграммы роста трещин.

3.5. Влияние трещиностойкости материала и сопротивления материала накоплению повреждений.

3.6. Сопоставление с результатами стандартного расчета.

3.7. Обсуждение результатов. Сопоставление с экспериментальными данными.

4. Рост полуэллиптической трещины на продолжении полуэллиптического выреза

4.1. Учет концентрации напряжений.

4.2. Влияние размеров выреза.

4.3. Диаграммы роста трещин.

4.4. Соотношение размеров трещины.

5. Распространение угловых четвертьэллиптических трещин, выходящих на поверхность кругового отверстия

5.1. Учет эффектов концентрации напряжений.

5.2. Влияние начальных размеров трещины.

5.3. Диаграммы скорости роста усталостных трещин.

5.4. Влияние размеров отверстия на число циклов до разрушения и соотношение между размерами трещины.

5.5. Сопоставление с экспериментальными данными.

6. Сводка результатов и выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Прогнозирование роста приповерхностных усталостных трещин»

Проблема надежности механических систем является одной из важнейших в современной науке. Человека окружает огромное количество различных конструкций и механизмов, от надежности которых зависит его благосостояние, здоровье и жизнь. Когда ответственное оборудование находится в достаточно изношенном состоянии, определение показателей надежности и остаточного ресурса данного оборудования является приоритетной задачей, для решения которой необходимы эффективные методы расчета.

Одной из основных причин отказов и предельных состояний механических систем, находящихся под воздействием циклических нагрузок, является рост усталостных трещин в результате постепенного накопления повреждений. Настоящая диссертация посвящена разработке метода прогнозирования роста приповерхностных усталостных трещин, который может применяться для оценки параметров надежности механических систем, имеющих такие трещины.

Существующие методы прогнозирования роста усталостных трещин основаны на эмпирических уравнениях типа уравнений Пэриса, не учитывающих реальной картины в окрестности трещины. Разработанный метод основан на теории усталостного разрушения, являющейся синтезом механики разрушения и континуальной механики накопления рассеянных повреждений. Учитывается изменение свойств материала вследствие накопления повреждений и изменение морфологии фронта трещины. С его помощью в диссертации произведено прогнозирование роста приповерхностных усталостных трещин различных конфигураций под воздействием циклического нагружения, выполнены параметрический анализ и сравнение полученных результатов с опытными данными.

Использование разработанного метода при анализе трещин в реальных конструкциях позволит в некоторых случаях продлить срок их службы. С помощью статистического моделирования на основе разработанного метода можно делать выводы о способах статистической обработки результатов натурных испытаний, количестве экспериментальных образцов. Прогнозирование на основе развитого метода дает возможность по-новому оценить имеющиеся экспериментальные данные по росту усталостных трещин.

Автор выражает благодарность научному руководителю д.т.н. проф. В.В. Болотину за помощь в выборе темы диссертации, а также за ценные советы и замечания в ходе выполнении работы.

1. ВВЕДЕНИЕ

Заключение диссертации по теме «Динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры», Бабкин, Артем Александрович

6. СВОДКА РЕЗУЛЬТАТОВ И ВЫВОДЫ

Разработан алгоритм для численного моделирования роста двухпарамет-рических усталостных трещин на основе синтеза механики разрушения и механики накопления рассеянных повреждений. При этом учитывается изменение параметров трещиностойкости материала и морфологии фронта трещины. Разработан метод, позволяющий использовать информацию о коэффициентах интенсивности напряжений для анализа распределения напряжений в окрестности трещиноподобных дефектов в телах со сложной геометрией. Рассмотрены часто встречающиеся на практике конфигурации трещин, в частности приповерхностная полуэллиптическая трещина, трещина на продолжении полуэллиптического выреза, угловые трещины, выходящие на поверхность отверстия.

Исследовано влияние начальных размеров трещин, размеров концентраторов, параметров модели и параметров трещиностойкости материала на размеры трещин, диаграммы усталостного разрушения и изменение условий на фронте трещины. На основании полученных результатов сделаны выводы о влиянии рассеянных повреждений на рост трещины, в частности стадия Пэриса контролируется в основном повреждениями на фронте трещины, угол наклона диаграмм усталостного разрушения определяется параметром уравнения накопления повреждений.

По сравнению с методами, основанными на интегрировании уравнений Пэриса-Эрдогана, метод и модель включают все стадии распространения усталостных трещин: зарождение, устойчивый рост и финальное разрушение и имеют более широкую область применения. Представленные графики качественно согласуются с результатами конечно-элементного моделирования, описанными в литературе, и с экспериментальными данными.

Использование численного моделирования для планирования экспериментальных исследований и определения методов их статистической обработки является перспективным и экономически эффективным. С помощью статистического моделирования можно определить число образцов для натурных испытаний, проанализировать применимость статистических гипотез. Более продуманные эксперименты приведут к уточнению теории и возможности количественной, а не только качественной оценки ее параметров.

Математическое моделирование на основе развитого метода может быть использовано для уточнения теории, проверки различных гипотез, моделей изменения свойств или характеристик материалов, например моделей накопления повреждений, изменения характеристик трещиностойкости с накоплением повреждений, влияния данных характеристик на рост трещины на различных этапах.

С помощью разработанной модели возможно прогнозирование роста трещин в реальных конструкциях, что позволит сделать выводы о возможности продления их срока службы. Для расширения спектра применения метода необходимо иметь данные о распределении напряжений в окрестности трещин в реальных конструкциях, где часто встречаются разнообразные концентраторы напряжений.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Бабкин, Артем Александрович, 2000 год

1. Бабкин A.A., Белоусов И.Л. Прогнозирование роста приповерхностных усталостных трещин // Проблемы машиностроения и надежности машин. 1999. -№3.-С. 109-116.

2. Бабкин A.A. Рост поверхностных усталостных трещин от концентраторов напряжений // Проблемы машиностроения и надежности машин. 2000. - № 5. -С. 35-41.

3. Болотин В.В. Об обобщенных силах в аналитической механике разрушения // Новожиловский сборник (Под ред. Н.С.Соломенко). Санкт-Петербург: Судостроение, 1992. - С. 161 - 170.

4. Болотин В.В. Объединенные модели в механике разрушения // Изв. АН СССР. Механика твердого тела. 1985. - № 3. - С. 127 - 137.

5. Болотин В.В. Ресурс машин и конструкций. Москва: Машиностроение, 1990. - 448 с.

6. Болотин В.В. Уравнения роста усталостных трещин И Изв. АН СССР. Механика твердого тела. 1983. - № 4. - С. 153 - 160.

7. Болотин В.В., Болотина К.С., Радин В.П., Щугорев В.Н. Характеристики тер-щиностойкости слоистых композитов // Механика композитных материалов. -1996.-Т. 32.-№ 1.-С. 21-31.

8. Болотин В.В., Ковех В.М. Численное моделирование роста усталостных трещин в среде с микроповреждениями // Изв. РАН. Механика твердого тела. -1993.-№ 2.-С. 132-142.

9. Болотин В.В., Лебедев В.Л. Механика роста усталостных трещин в среде с микроповреждениями. // Прикладная математика и механика. 1995. - Т. 59. -№2.-С. 307-317.

10. Болотин В.В., Минаков Б.В., Чирков В.П. Влияние начальных условий на страгивание и распространение усталостных трещин // Изв. РАН. Механика твердого тела. 1994. - № 1. - С. 73- 79.

11. П.Варфоломеев И.В., Вайншток В.А., Красовский А.Я. Устойчивые формы и критерии роста несквозных трещин при циклическом нагружении. Сообщение 1 // Проблемы прочности. 1990. - № 8. - С. 3 - 10.

12. Голуб В.П., Крижановский В.И. Об одном подходе к расчету сопротивления усталости в условиях концентрации напряжений при асимметричном многоцикловом нагружении // Проблемы прочности. 1997. - № 6. - С. 41 - 52.

13. Гольдштейн Р.В., Ентов В.М. Качественные методы в механике сплошных сред. Москва: Наука, 1989. - 224 с.

14. Гольдштейн Р.В. Некоторые вопросы механики разрушения крупногабаритных конструкций. // Механика разрушения. Разрушение конструкций. Москва: Мир, 1980.-С. 228-255.

15. Ковех В.М. Взаимодействие усталостных трещин // Изв. АН СССР. Механика твердого тела. 1987. - № 2. - С. 155 - 158.

16. Когаев В.П. Расчеты на прочность при напряжениях, переменных во времени. Москва: Машиностроение, 1977. - 232 с.

17. Лепихин А.М., Махутов H.A., Москвичев В.В., Доронин C.B. Вероятностное моделирование докритического роста трещин и оценка ресурса конструкций // Проблемы машиностроения и надежности машин. 1999. - № 5. - С. 117 -123.

18. Лурье А.И. Теория упругости. Москва: Наука, 1970. - 940 с.

19. Матвеев В.В. К обоснованию энергетических критериев многоциклового усталостного разрушения металлов // Проблемы прочности. 1995. - № 5. -С. 18-28.

20. Махутов H.A., Бурак М.И., Кайдалов В.Б., Ларионов В.В., Гишкевич В.М. Исследование и анализ разгерметизации сосуда, нагруженного внутренним циклическим давлением жидкости // Проблемы прочности. 1990. - № 9. - С. 1721.

21. Махутов H.A., Кошкаров И.И., Лепихин А.М. Применение численных методов расчета показателей надежности энергетических конструкций с повреждениями // Проблемы прочности. 1991. - № 5. - С. 3 - 8.

22. Методические указания. Расчеты и испытания на прочность в машиностроении. Планирование механических испытаний и статистическая обработка результатов. РД 50 398 - 83. - Москва: Издательство стандартов, 1984. - 199 с.

23. Механика разрушения и прочность материалов. Т. 2. Коэффициенты интенсивности напряжений. Под ред. В.В.Панасюка. Киев: Наукова думка, 1988. -426 с.

24. Механика разрушения и прочность материалов. Т. 4. Механика усталостного разрушения. Под ред. В.В.Панасюка. Киев: Наукова думка, 1988. - 387 с.

25. Мокеева Г.И. Моделирование развития трещин усталости при нагружении смешанного типа // Проблемы машиностроения и надежности машин. 1997. -№ 6. - С. 53 - 58.

26. Морозов Е.М., Сапунов В.Т. некоторые методы расчета траектории трещины. // В книге: Физика и механика деформации и разрушения. Выпуск 8. Москва: Атомиздат, 1980. - С. 62-71.

27. Нахамкин М.Ш. Закономерности развития усталостных трещин в лопатках ГТД // Проблемы машиностроения и надежности машин. 1996. - № 5. -С. 59-62.

28. Нейбер Н. Концентрация напряжений. Москва: Гостехиздат, 1947. - 202 с.

29. Нормы расчета на прочность оборудования и трубопроводов атомных энергетических установок (ПНАЭ Г-2-002-86) / Госатомэнергонадзор СССР. Москва: Энергоатомиздат, 1989. - 525 с.

30. Панасюк В.В., Ярема СЛ. Общие закономерности диаграмм усталостного разрушения металлов // Проблемы прочности. 1996. - № 1.-С. 17-34.

31. Партон В.З., Морозов Е.М. Механика упругопластического разрушения. Москва: Наука, 1985. - 504 с.

32. Покровский В.В., Трощенко В.Т., Цейтлин В.И., Ежов В.Н., Замотаев B.C., Сидяченко В.Г., Самулеев В.В. К оценке ресурса дисков АГТД на стадии развития усталостной трещины. Сообщение 2 // Проблемы прочности. 1994. -№ 12.-С. 3- 15.

33. Полилов А.Н. Сопротивление расслаиванию однонаправленных волокнистных композитов // Проблемы машиностроения и надежности машин. 1978. - № 5. -С. 13-16.

34. Полилов А. H. Условие хрупкого разрушения как результат дискретного накопления повреждений // Проблемы машиностроения и надежности машин. -1999. -№ 6. С. 55 -61.

35. Поляков В.Н. Катастрофы трубопроводов большого диаметра // Проблемы прочности. 1995. - № 1 - 2. - С. 137 - 146.

36. Прокопенко A.B., Хутиз A.M., Крымсин Л.Г., Степков В.М. Связь между диаграммой усталостного разрушения и кривой усталости //Проблемы прочности. 1991.-№ 11.-С. 38-44.

37. Разрушение. Т. 2. Математические основы теории разрушения. Ред. Г.Либовиц. Москва: Мир, 1975. - 598 с.

38. Серенсен C.B., Степнов М.Н., Бородин H.A. Планирование и статистическая обработка результатов усталостных испытаний. Москва: Машиностроение, 1978.-112 с.

39. Справочник по коэффициентам интенсивности напряжений. В 2-х томах. Пер. с англ. Под ред. Ю.Мураками. Москва: Мир, 1990. - Т.1 - 448 е., Т.2 - 1016 с.

40. Степнов М.Н. Статистические методы обработки результатов механических испытаний. Справочник. Москва: Мир, 1985. - 232 с.

41. Трощенко В.Т., Покровский В.В., Прокопенко A.B. Трещиностойкость металлов при циклическом нагружении. Киев: Наукова думка, 1987. - 256 с.

42. Трощенко В.Т., Прокопенко A.B., Ежов В.И., Торгов В.Н. Методика расчета предела выносливости и долговечности лопаток компрессора газовой турбины с учетом наличия трещин / АН УССР. Институт проблем прочности. Киев: 1987.-26 с.

43. Харионовский В.В., Курганова И.И., Иванцов О.М., Силкин В.М., Нефедов C.B. Прогнозирование показателей надежности конструкций газопроводов // Строительство трубопроводов. 1996. - № 6. - С. 7 - 10.

44. Berkovits A., Prinz D. Growth of parabolic fatigue cracks from flaws at fastener holes // In: Fracture Mechanics: Eighteenth Symposium. ASTM STP. - 1988. -No 945.-P. 1050-1069.

45. Bolotin V.V. A unified approach to damage accumulation and fatigue crack growth // Engineering Fracture Mechanics. 1985. - Vol. 22, No 3. - P. 387 - 398.

46. Bolotin V.V. Mechanics of fatigue cracks growth as a synthesis of micro and macromechanics of fracture // Handbook of Fatigue Crack Propagation in Metallic Structures (A.Carpinteri, ed.). - Amsterdam: Elsevier, 1994. - P. 883 - 911.

47. Bolotin V.V. Mechanics of fatigue. Boca Raton: CRC Press, 1999. - 363 p.

48. Bolotin V.V. On random fatigue crack propagation. / In: Structural Safety and Reliability (G.I.Schueller, M.Shinozuka, J.T.P.Yao, eds.). Balkema: Rotterdam, 1994.-P. 1053-1060.

49. Bolotin V.V. Stability Problems in Fracture Mechanics. New York: Wiley Interscience, 1996. - 188 p.

50. Bolotin V.V., Babkin A.A., Belousov I.L. Probabilistic model of early fatigue crack growth // Probabilistic Engineering Mechanics. 1998. - Vol. 13, No 3. - P. 227 -232.

51. Burande S., Sethuraman R. Computational simulation of fatigue crack growth and demonstration of leak before break criterion // International Journal of Pressure Vessels and Piping. 1999. - Vol. 76, No 5. - P. 331 - 338.

52. Carpinteri A. Propagation of surface cracks under cyclic loading. / Handbook of Fatigue Crack Propagation in Metallic Structures (A.Carpinteri, ed.). Amsterdam: Elsevier, 1994. - P. 653 - 688.

53. Cortie M.B., Garrett C.G. On the correlation between C and m in Paris equation for fatigue crack growth // Engineering Fracture Mechanics. 1988. - Vol. 30, No 1. -P. 49 - 58.

54. Craeger M., Paris P.C. Elastic field equation for blunt crack with reference to stress corrosion cracking // International Journal of Fracture Mechanics. 1967. -Vol. 3, No 4.-P. 247-252.

55. Fett T. Estimated stress intensity factors for semi-elliplical cracks in from of narrow circular notches. Technical note // Engineering Fracture Mechanics. 1999. - Vol. 64, No 8.-P. 357-362.

56. Grandt A. F. Jr., Macha D.E. Digitized measurements of the shape of corner cracks at fastener holes // Engineering Fracture Mechanics. 1983. - Vol. 17, No 1. - P. 63 -73.

57. Heckel J.B., Rudd J.L. Evaluation of analytical solutions for corner cracks at holes. // In: Fracture Mechanics: Sixteenth Symposium. ASTM STP. - 1985. - No 868. -P. 45 - 64.

58. Heinimann M.B., Doerfler M.T. and Grandt A.F., Jr. Analysis of cracks at deep notches // Engineering Fracture Mechanics. 1996. - Vol. 55, No 4. - P. 605 -616.

59. Hosseini A., Mahmoud M.A. Evaluation of stress intensity factors and fatigue growth of surface cracks in tension plates // Engineering Fracture Mechanics. -1985. Vol. 22, No 7. - P. 957 - 974.

60. Irwin G.R. Crack extension force for a part through crack in a plate. // J. Appl. Mech. Transactions AS ME, Ser. E. 1962. Vol. 29, No 12. - P. 651 - 654

61. Kujawski D. Estimation of stress intensity factors for small cracks at notches // Fatigue and Fracture of Engineering Materials and Structures. 1991. - Vol. 14. -P. 953 - 965.

62. Lin X.B., Smith R.A. Fatigue shape analysis for corner cracks at fastener holes // Engineering Fracture Mechanics. 1998. - Vol. 59, No 1. - P. 73 - 87.

63. Lin X.B., Smith R.A. Finite element modelling of fatigue crack growth of surface cracked plates Part II: crack shape changes // Engineering Fracture Mechanics. -1999. - Vol. 63, No 5. - P. 503 - 522.

64. Lin X.B., Smith R.A. Finite element modelling of fatigue crack growth of surface cracked plates — Part III: stress intensity factors and fatigue life // Engineering Fracture Mechanics. 1999. - Vol. 63, No 5. - P. 523 - 540.

65. Lin X.B., Smith R.A. Stress intensity factors for corner cracks emanating from fastener holes // Engineering Fracture Mechanics. 1998. - Vol. 62, No 6. - P. 535 -553.

66. Lin X.B., Smith R.A. Stress intensity factors for semi-elliptical surface cracks in semicircularly notched tension plates // The Journal of Strain Analysis for Engineering Design. 1997. Vol. 32, No 3. - P. 229 - 236.

67. Mahmoud M.A. Quantitative prediction of growth patterns of surface fatigue cracks in tension analysis // Engineering Fracture Mechanics. 1988. - Vol. 30, No 8. - P. 735 - 746.

68. Mura T. Micromechanics of Defects in Solids. Dordrecht: Martinus Nijhoff, 1987. -657 p.

69. Newman J.C. Jr. A review and assessment of the stress-intensity factors for surface cracks // Part-Through Crack Fatigue Life Prediction. J.B. Chang, Ed. ASTM STP. -1979. - No 687. - P. 16 - 42.

70. Newman J.C. Jr. and Raju I.S. Stress intensity factor equations for cracks in three dimensional finite bodies// In: Fracture Mechanics: Fourteenth Symposium. Vol. 1. ASTM STP. - 1983. - No 791. - P. 1-308 -1-326.

71. Newman J.C. Jr. Fracture mechanics parameters for small fatigue cracks // Small crack test methodes. ASTM STP. - 1990. - No 1149. - P. 36 - 45.

72. Part-Through Crack Fatigue Life Prediction. J.B. Chang, Ed. ASTM STP. - 1979. -No 687.-587 p.

73. Putra I.S., Schijve J. Crack opening stress measurements of surface cracks in 7075T6 aluminium alloy plate specimen through electron fractography // Fatigue and Fracture Engineering Materials and Structures. 1992. - Vol. 15, No 4. -P. 323 - 328.

74. Rooke D.P. Compounding stress intensity factors applications to engineering structures / Research Reports in Materials Science, P.E.Evans, Ed. - The Parthenon Press: England, 1986. - 254 p.

75. Schijve J. Comparison between empirical an calculated stress intensity factors of hole edge cracks // Engineering Fracture Mechanics. 1985. - Vol. 22, No 1. -P. 49-58.

76. Shin C.S. Fatigue crack growth from stress concentrations and fatigue life prediction in notched components / Handbook of Fatigue Crack Propagation in Metallic Structures (A.Carpinteri, ed.). Amsterdam: Elsevier, 1994. - P. 613-652.

77. Shin C.S., Man K.C., Wang C.M. A practical method to estimate the stress concentration of notches // International Journal of Fatigue. 1994. - Vol. 16, No 4.-P. 242-256.

78. Shivakumar K.N., Newman J.C. Jr. Stress intensity factors for large aspect ratio surface and corner cracks at a semi-circular notch in tension specimen // Engineering Fracture Mechanics. 1991. - Vol. 38, No 6. - P. 467 - 473.

79. Smith F.W., Kullgren T.E. Theoretical and Experimental Analysis of Surface Cracks Emanating from Fastener Holes // Air Force Flight Dynamics Laboratory. -1977. Test report No AFFDL - TR - 76 -104. - P. 3 - 17.

80. Smith R.A. Miller K.J. A new approach to SIF evaluation for cracks at notches // International Journal of Mechanical Science. 1977. - Vol. 19, No 1. - P. 11 - 21.