Введение к работе
Актуальность работы. Проведение расчетов на трещиностоикость сварных конструкций с учетом особенностей напряженно-деформированного состояния сварных соединений с трещиноподобными дефектами является одной из наиболее сложных задач механики разрушения. Наличие остаточных сварочных напряжений и структурно-механической неоднородности приводит к существенным усложнениям процессов деформирования в области трещин. Как правило, эти процессы имеют ярко выраженную нелинейность, что указывает на необходимость использования нелинейных характеристик трещиностойкости при оценках опасности дефектов.
Особенности нелинейного деформирования структурно-неоднородных сварных соединений в основном рассматриваются с использованием моделей «мягких» или «твердых» прослоек, отражающих макронеоднородность сварных соединений. Указанные модели позволяют оценить опасность сквозных трещин, находящихся в однородной «твердой» или «мягкой» прослойке. Для поверхностных, внутренних и произвольно ориентированных дефектов, а также дефектов, находящихся на границе раздела указанных прослоек или пересекающих их, решение задачи о напряженно-деформированном состоянии и оценка опасности дефектов осуществляются, как правило, численными методами.
Практический интерес при проведении расчетов сварных конструкций на трещиностоикость представляет исследование влияния микроструктурной неоднородности металла на характеристики трещиностойкости сварных соединений, поскольку свойства металла при переходе от одной зоны к другой изменяются и имеют существенный статистический разброс.
В рамках диссертационной работы исследовано влияние структурно-механической неоднородности на характеристики трещиностойкости сварных соединений с использованием вероятностных моделей механики разрушения и теории надежности, а также сформулированы основные принципы и алгоритмы численного анализа трещиностойкости сварных соединений. Это позволило дать предложения по развитию методов расчета показателей трещиностойкости сварных конструкций, что определяет актуальность работы.
Основанием для выполнения диссертационной работы послужили:
проект III.20.3.4 «Методы анализа живучести и разрушений повреждаемых конструкций при аварийных нагрузках и критерии защищенности технических систем от тяжелых катастроф» программы фундаментальных исследований СО РАН III.20.3 «Исследование многоуровневых процессов деформирования и разрушения неоднородных материалов и конструкций, живучести и аварийных ситуаций технических систем»;
технические задания на выполнение НИОКР по хозяйственным договорам с ОАО «Красмаш» и ОАО «НПП СибЭРА».
Цель работы заключается в исследовании влияния структурно-механической неоднородности металла сварных соединений на характеристики трещиностойкости и развитии методов расчета сварных конструкций.
Задачи исследования:
-
Анализ известных моделей и методов оценки характеристик трещиностоикости сварных конструкций с учетом особенностей структуры сварных соединений.
-
Проведение экспериментальных статистических исследований особенностей структурно-механической неоднородности металла, характеристик механических свойств и трещиностоикости для различных зон сварных соединений.
-
Разработка численной конечно-элементной модели оценки характеристик трещиностоикости сварных соединений с учетом вариаций характеристик структурно-механической неоднородности.
-
Оценка влияния вариаций характеристик структурно-механической неоднородности на трещиностойкость типовых сварных соединений.
Методы исследований. Общая методология исследований базируется на использовании расчетно-экспериментальных методов механики деформирования и разрушения. При анализе напряженно-деформированного состояния и показателей трещиностоикости использовались методы теории упругости и механики разрушения, метод конечных элементов (МКЭ). Обработка экспериментальных данных осуществлялась статистическими методами теории вероятностей. Экспериментальные исследования включали методы механических испытаний металлов для определения характеристик механических свойств и трещиностоикости сварных соединений, металлографический анализ структуры исследованных сталей.
Научная новизна работы заключается в определении статистических
вариаций и особенностей влияния структурно-механической неоднородности
металла на характеристики трещиностоикости сварных соединений,
обеспечивающих дальнейшее совершенствование методов расчета на
трещиностойкость сварных конструкций.
Основные положения, выносимые на защиту:
численная конечно-элементная модель расчета характеристик трещиностоикости на основе концепции J-интеграла для сварных соединений с учетом случайного характера распределения механических свойств металла в сварном шве;
алгоритм и программа на языке Ansys Parametric Design Language (APDL) для расчета на трещиностойкость с учетом случайного распределения предела текучести в различных зонах сварных соединений;
экспериментальные данные о распределении механических свойств и характеристики трещиностоикости Jc для стыковых сварных соединений из сталей 09Г2С и 12Х18Н10Т;
расчетные оценки трещиностоикости сварных соединений элементов конструкций с учетом структурно-механической неоднородности.
Практическая значимость работы заключается в том, что полученные экспериментальные данные о распределении механических свойств и параметра трещиностоикости Jс в сварных соединениях сталей 09Г2С и 12Х18Н10Т и разработанная конечно-элементная модель расчета на трещиностойкость
позволяют проводить уточненные расчеты прочности, ресурса и надежности сварных конструкций с учетом влияния структурно-механической неоднородности сварных соединений.
Внедрение результатов исследований осуществлено в ОАО «Научно-производственное предприятие «СибЭРА» при оценках предельных состояний тонкостенных сосудов давления, в учебном процессе при чтении лекций для студентов специальности «Динамика и прочность машин» Политехнического института ФГАОУ ВПО «Сибирский федеральный университет», а также в ОАО «Красноярский машиностроительный завод» в рамках научно-исследовательской работы, выполненной СКТБ «Наука» КНЦ СО РАН, что подтверждается актами внедрения.
Достоверность научных положений, результатов и выводов обеспечивается: применением методологии исследований, основанной на трудах зарубежных и отечественных ученых; использованием нормативных документов в области расчетов и испытаний на прочность и трещиностойкость; использованием статистических данных по характеристикам механических свойств и трещиностойкости конструкционных сталей; применением современных вычислительных технологий конечно-элементного моделирования; анализом результатов физического эксперимента.
Личный вклад автора заключается в постановке и реализации целей и задач данного исследования, разработке основных положений научной новизны и практической значимости, проведении испытаний и обработке экспериментальных данных, формулировке численной модели для анализа характеристик трещиностойкости сварных соединений с учетом структурно-механической неоднородности, проведении расчетов на трещиностойкость, обобщении и внедрении полученных результатов.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на: VII
Всероссийской конференции молодых ученых по математическому
моделированию и информационным технологиям (Красноярск, 2006 г.); IX
Всероссийской конференции «Современные методы математического
моделирования природных и антропогенных катастроф» (Барнаул, 2007 г.); I НТК
«Экспертиза промышленной безопасности опасных производственных объектов в
условиях Крайнего Севера» (Якутск, 2009 г.); VI Всероссийской конференции
«Механика микронеоднородных материалов и разрушение» (Екатеринбург, 2010
г.); II Всероссийской конференции «Деформирование и разрушение структурно-
неоднородных сред и конструкций» (Новосибирск, 2011 г.); 19th European
Conference on Fracture (Казань, 2012 г.); IV Всероссийской конференции
«Безопасность и живучесть технических систем» (Красноярск, 2012 г.);
Международной конференции «Живучесть и конструкционное
материаловедение» (Москва, 2012 г.); 7th International Conference on Materials Structure & Micromechanics of Fracture (Чехия, 2013 г.); объединенном семинаре кафедр «Динамика и прочность машин» и «Диагностика и безопасность технических систем» СФУ (Красноярск, 2012 г.), на семинаре «Проблемы природно-техногенной безопасности» СКТБ «Наука» КНЦ СО РАН, семинаре
отдела механики деформируемого твердого тела Института гидродинамики им. М.А. Лаврентьева СО РАН (Новосибирск, 2013 г.).
Публикации. Основное содержание работы отражено в 15 научных публикациях, в том числе в 6 статьях в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК РФ для опубликования результатов научных исследований, 8 тезисах докладов конференций, а также в отчетах по проектам и договорам НИОКР. Получено 1 свидетельство о регистрации программы для ЭВМ в Фонде алгоритмов и программ СО РАН.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка использованных источников и приложений. Основное содержание работы изложено на 92 страницах. Общий объем работы с приложениями - 102 страницы. Работа содержит 8 таблиц и 41 рисунок. Список использованных источников включает 108 наименований.
