Содержание к диссертации
Введение
1 Предпосылки к исследованию и постановка задач 8
1.2 Хрупкие разрушения металлических конструкций машин 8
1.3 Факторы, способствующие возникновению хрупких разрушений 13
1.4 Методы прогнозирования поведения конструкций при низких температурах 22
1.5 Теория и модели вязко-хрупкого перехода в стальных конструкциях 26
1.6 Постановка задачи, цель и программа исследования 31
2 Методика прогнозирования прочности элементов конструкций 32
2.1 Диаграмма разрушения элемента конструкции 32
2.2 Экспериментальное подтверждение диаграммы деформирования стали 42
3 Экспериментально-расчетное определение параметров диаграммы разрушения для сварных узлов 50
3.1 Методика экспериментально-расчетного определения параметров диаграммы разрушения для сварных узлов 50
3.2 Экспериментально-расчетное исследование диаграммы разрушения на образцах из конструкционных сталей 54
4 Методика оценки пластических деформаций в узлах сварных металлических конструкций машин 80
4.1 Аналитическая оценка пластических деформаций в элементе конструкции по данным упругого расчета 80
4.2 Численный анализ напряженно-деформированного состояния узлов металлических конструкций машин 83
4.3 Анализ результатов расчетов 98
5 Оценка хладостойкости сварных конструкций 101
5.1 Методика прогнозирования хладостойкости металлических конструкций101
5.2 Проверочный расчет металлической конструкции портального крана на хладостокость 104
Заключение 110
Список литературы 112
- Методы прогнозирования поведения конструкций при низких температурах
- Экспериментальное подтверждение диаграммы деформирования стали
- Экспериментально-расчетное исследование диаграммы разрушения на образцах из конструкционных сталей
- Численный анализ напряженно-деформированного состояния узлов металлических конструкций машин
Введение к работе
Актуальность работы. Диссертационная работа посвящена совершенствованию методов расчета на прочность металлических конструкций машин (грузоподъемных кранов, экскаваторов, погрузчиков, трейлеров и пр.), эксплуатируемых в условиях низких климатических температур. Актуальность работы для отечественного машиностроения обусловлена расширением хозяйственной деятельности в северных районах России. В указанных районах минимальные температуры в зимний период могут достигать отметок минус 40, минус 60оС и ниже. Как следствие стальные сварные конструкции машин и оборудования, предназначенных для эксплуатации на открытом воздухе должны проектироваться с учетом возможности возникновения хрупкого разрушения. Особая опасность хрупкого разрушения связана с тем, что оно в большинстве случаев сопровождается потерей несущей способности детали или конструкции.
Дополнительным фактором актуальности данной проблемы является противоречие, возникшее между современными методами анализа напряженного состояния конструкций с помощью метода конечных элементов и традиционным условием прочности, сформулированным в номинальных напряжениях. Метод конечных элементов в отличие от классических методов сопротивления материалов дает более полную картину напряженного состояния с учетом местных напряжений в зонах геометрической концентрации и локального приложения нагрузок. Опыт эксплуатации конструкций показал, что в условиях положительных температур эти особенности действительно можно игнорировать в прочностных расчетах. Однако при работе конструкции при низких температурах места концентрации напряжений могут стать очагом хрупкого разрушения.
Объект исследования. Прочность сварных стальных конструкций машин в условиях низких климатических температур.
Предмет исследования. Методы прогнозирования прочности сварных стальных конструкций машин в условиях низких климатических температур.
Целью работы является методика расчета сварных стальных конструкций машин на прочность с учетом низких климатических температур.
Научная новизна работы:
1. Диаграмма разрушения элемента стальной конструкции с концентра
тором напряжений, отражающая влияние характера напряженно-
деформированного состояния и условий нагружения, а также результаты ана
лиза ее параметров для типичных конструктивных концентраторов.
2. Методика экспериментально-расчетного определения параметров
диаграммы разрушения сварных узлов стальных конструкций машин с уче
том комплексного воздействия конструктивно-технологических факторов и
температуры.
3. Результаты экспериментально-расчетного исследования параметров
диаграммы разрушения сварных узлов из конструкционных сталей, подтвер
дившие адекватность предложенной диаграммы разрушения.
4. Результаты конечно-элементного анализа напряженно-
деформированного состояния узлов сварных стальных конструкций машин,
содержащие оценки параметров концентрации напряжений, необходимые
для прогнозирования их прочности при низкой температуре.
Практическая ценность работы:
-
Инженерная методика расчета сварных стальных конструкций машин и оборудования на прочность, учитывающая их конструктивно-технологические характеристики и низкие климатические температуры эксплуатации.
-
Методика приближенной оценки местных пластических деформаций в узлах стальных конструкций машин на основе результатов линейного конечно-элементного анализа.
Достоверность научных положений и выводов, содержащихся в диссертации, подтверждена натурным и численным экспериментами, корректным использованием методов математического анализа и аналитической механики.
Апробация работы:
Результаты исследований докладывались на международных научно-практических и научно-технических конференциях. Имеются акт о внедрении результатов диссертационной работы и справка об использовании результатов диссертационной работы.
Публикации:
По теме диссертации опубликовано 4 работы в научных журналах и сборниках трудов Международных и Российских конференций и семинаров, в том числе 2 статьи в реферируемых изданиях из перечня ВАК РФ.
Методы прогнозирования поведения конструкций при низких температурах
В ряде работ [3, 45, 46, 47] предложены различные модели, описывающие изменение механических характеристик сталей в зависимости от температуры. Все модели основаны на аппроксимации результатов многочисленных экспериментов, однако, ввиду вероятностной природы механических характеристик эти модели носят приближенный характер. На основании обобщения этих данных в настоящей работе для описания зависимости предела текучести от температуры использовано уравнение, предложенное Н.А. Махутовым [47].
В ряде работ исследовалось влияние скорости приложения нагрузки на механические свойства сталей [48 - 53]. В работе [48] было показано, что при испытаниях на ударную вязкость, при нормальной температуре, увеличение скорости удара от 5 до 15 м/с приводит к переходу аналога стали Ст3 из вязкого состояния в хрупкое из-за значительного превышения скоростью деформации предельной скорости развития пластических деформаций.
В конструкциях современных машин широко применяются сварные соединения, которые обладают специфическими свойствами, оказывающими существенное влияние на прочность конструкции. Процесс сварки оказывает сложное воздействие на металл, результаты которого зависят от химического состава металла, технологии сварки, геометрических характеристик сварного соединения и остаточных деформаций, возникающих в конструкции при остывании сварного шва. Влияние сварки на механические свойства стали проанализировано во многих работах, например [54, 55, 56] .
Применение сварки приводит к тому что: – образуется зона термического влияния сварного шва с пониженными характеристиками пластичности по сравнению с основным металлом [57, 58]; – в результате неравномерного нагрева и охлаждения возникает поле остаточных напряжений, которое в элементах достаточно большой толщины является объемным; – термопластический цикл сварки создает пластическую деформацию металла в районе шва, что снижает его остаточную пластичность [59]; – сварной шов создает геометрическую концентрацию напряжений за счет его общей конфигурации и возможных внутренних дефектов, при этом параметры этой концентрации являются случайными величинами.
Многими исследователями отмечается, что природа сварного узла такова, что разделить влияние указанных факторов на его свойства, и в частности прочность при низких температурах, практически не возможно. Поэтому только испытания натурных образцов дают комплексную картину с учетом всех факторов. Это затрудняет построение расчетных моделей.
В работе [4] произведен анализ влияния факторов снижения пластичности стали при сварке на ее склонность к хрупкому разрушению. Производились испытания образцов из стали Ст3 на статический изгиб по методу Кинцеля с наплавкой и без неё при температурах до -60оС. В образцах с наплавкой надрез пересекал все характерные участки сварного соединения (зона термического влияния, основной металл, наплавленный металл). Результаты испытаний и вид образца представлены на рисунке 1.5.
Из представленного на рисунке 1.5 графика следует, что порог хладноломкости образцов толщиной более 7 мм, изготовленных с применением сварки значительно ниже, чем у образцов без наплавки. Кроме того данные испытания иллюстрируют масштабный эффект: с увеличением толщины испытываемого образца температура порога хладноломкости повышается.
В работе [60] показано исследование сварных крупноразмерных образцов с целью выявить наиболее опасное сварное соединение с точки зрения хрупкой прочности. Согласно результатам данного исследования наиболее опасным представляется сварное соединение двух пластин при помощи односторонней накладки. Наиболее безопасным и рекомендуемым к применению в хладостойких конструкциях являются стыковые соединения, создающие минимальную концентрацию напряжений.
Экспериментальное подтверждение диаграммы деформирования стали
При повышении коэффициента жесткости напряженного состояния, разница между верхней и нижней границами значений коэффициента снижения предельной пластической деформации уменьшается.
Для того чтобы определить каким значениям коэффициента De (рисунок 2.3) соответствует напряженное состояние в зоне концентратора напряжений и каковы характерные значения коэффициента жесткости напряженного состояния было выполнено исследование упругого напряженно-деформированного состояния ряда сварных узлов, встречающихся в тонкостенных машиностроительных конструкциях. Более подробно данное исследование описано в главе 4. Модели исследованных сварных узлов представлены на рисунке 2.4, а. В ходе исследования рассматривались соединения как без непроваров, так и с непроварами размером a = 0,25t, где t - толщина листа.
Из результатов расчета следует, что соотношение компонентов напряженного состояния в зоне концентрации таково, что дает значения коэффициента De, близкие к верхней границе (рисунок 2.4, б). Кроме того установлено, что в сварных соединениях без непроваров, в которых концентрация напряжений создается формой сварного шва, коэффициент жесткости лежит в интервале от 1,2 до 1,4. В зоне концентрации напряжений у непровара коэффициент жесткости имеет значения от 1,8 до 2,1.
Рассмотрим влияние температуры на смещение точки b на диаграмме (рисунок 2.1). В [47] описана зависимость предела текучести стали от температуры: где JТ - предел текучести стали при температуре испытания; аТо - предел текучести стали при температуре 293К (20оС), 3Г - коэффициент, зависящий от предела текучести стали (3Г=120К для стали Ст3 с пределом текучести 270МПа [47]); t0 = 293 К; t - температура испытания.
На рисунке 2.5 показана зависимость предела текучести стали Ст 3 от температуры испытания. Как следует из графика, с понижением температуры предел текучести возрастает. Так для стали Ст 3 при температуре 293 К предел текучести составляет аТ =270МПа, а при температуре 233 К аТ =314МПа. Таким образом, при понижении температуры испытания на 80 К предел текучести стали Ст 3 изменится на 17%.
Диаграмма снижения пластичности материала детали в условиях сложного напряженного состояния предложенная Н.А. Махутовым, подтверждена его экспериментами, в которых пластические деформации определялись физическими методами. В данном разделе приведены результаты подтверждения той же диаграммы путем использования численных методов расчета пластических деформаций. Для этого использованы результаты испытания серии образцов с концентраторами напряжений различной формы на разрыв, представленные в работе [49]. Достоинство этого исследования заключается в том, что даны достаточно подробные данные о материале и приведены графики деформирования. Л. Прандтль произвел испытания цилиндрических образцов выполненных из стали на статическое растяжение. Чертежи образцов представлены на рисунке. 1.6. В результате каждого испытания фиксировались временное сопротивление, относительное удлинение при разрыве образца, и относительное сужение шейки образца. Результаты испытаний приведены в таблице 2.1.
Предложенная диаграмма деформирования строится по локальным характеристикам напряженного состояния, к которым относятся жесткость напряженного состояния в вершине концентратора, величина пластической деформации при разрушении, значение максимального главного напряжения при разрушении. Для построения этой диаграммы локальные характеристики напряженно-деформированного состояния образцов были определены путем численного моделирования процесса деформирования этих образцов до максимального удлинения при разрыве, значение которого дано в таблице 2.1. Для построения расчетной модели использовалось программное обеспечение Femap, решение производилось средствами NX Nastran.
Для моделирования механических свойств стали использовалась модель материала с билинейной характеристикой, заданной в координатах истинное напряжение – истинная деформация. Характеристики материала необходимые для рас 44 чета были получены из результатов испытаний образца «а» с помощью преобразований Бриджмена [3] следующим образом: - предел текучести определяется по диаграмме растяжения гладкого цилиндрического образца; - точки, относящиеся к площадке текучести, исключаются из построения; - истинная деформация определяются как eiпл=2 In (dQ I dmin), где ei - истинная» интенсивность пластической деформации при разрушении, do - начальный диаметр рабочей части образца, imin - минимальный диаметр образца в момент разрушения. - истинная интенсивность напряжений разрушения рассчитывается по решению Бриджмена:
Экспериментально-расчетное исследование диаграммы разрушения на образцах из конструкционных сталей
Для того чтобы получить данные о локальных процессах деформирования в вершине концентратора был выполнен анализ напряженно-деформированного состояния образцов методом конечных элементов. Расчет выполнялся средствами ПО Femap с решателем NX Nastran.
Геометрическая форма сварного образца позволяет воспользоваться свойствами симметрии и построить конечно-элементную модель только четверти образца (рисунок 3.9), реализуя свойство симметрии с помощью граничных условий (на плоскости YZ: перемещение Ux=0, на плоскости XY перемещение Uz=0). В связи с тем, что поле напряжений и деформаций в зоне концентратора имеет весьма значительные градиенты, достоверность результатов расчета существенно зависит от качества конечно-элементной сетки. Поэтому разбивка была выполнена таким образом, чтобы в вершине трещиноподобного концентратора обеспечивалась регулярная сетка и размер элемента, не больший чем 0,02L (где L - характерный размер трещины, в данном случае равный толщине листа 20 мм). Для построения модели использовались линейные элементы типа SOLID (CHEXA) с 8 узлами.
Моделирование влияния захватов осуществлялось с помощью граничных условий, обеспечивавших поступательное перемещение захватной части образца (Uy=0, Uz=0 на поверхностях, контактирующих с захватами). При этом захваты и элементы разрывной машины, связывающие их с датчиком перемещений, предполагались абсолютно жесткими. Нагружение модели было кинематическим, то есть задавалось монотонное перемещение, и вычислялась требуемая сила.
Для моделирования механических свойств стали использовалась модель материала с билинейной характеристикой, заданной в координатах «истинное напряжение - истинная деформация», которая была получена с помощью преобразований Бриджмена [3] (см. 2.2).
В зоне термического влияния сварного шва происходит повышение предела текучести по сравнению с основным металлом. Изменение предела текучести для стали Ст3пс составляет ат зтв = 1,2ат ом, для стали 09Г2С ат зтв = 1,3ат ом.
С понижением температуры происходит повышение предела текучести. В данном расчете использована зависимость, представленная работах Н.А. Махуто-ва, согласно которой зависимость предела текучести стали от температуры имеет вид [47] aT(t) = о-тоехр(/? р), где t - температура испытания, К, ато - предел текучести основного металла при комнатной температуре, /?- коэффициент зависящий от предела текучести (для стали Ст3 (3 = 120К; для стали 09Г2С - (3 = 75К). В результате моделирования сварочного процесса получились значения остаточных сварочных напряжений в зоне концентрации 239 МПа, что составляет 80% от предела текучести основного металла. а) общий вид; б) конечно-элементная сетка в зоне вершины концентратора
Моделирование процесса испытания образца производилось по стандартному алгоритму расширенного нелинейного статического анализа SOL600 в NX Nastran. Предполагается, что предельным состоянием для образца является момент возникновения надрывов материала в сечении А-А. В качестве локальных характеристик разрушения в данной работе были приняты значение предельной интенсивности пластической деформации epl и значение коэффициента жесткости напряженного состояния в вершине концентратора, усредненные по объему структурного элемента. В результате численного анализа получен график «перемещение захватов – нагрузка», который сопоставлен с экспериментальным (рисунок 3.9, а). Как видно из графиков, общая картина процесса деформирования образца удовлетворительно описывается численным расчетом. Имеется расхождение графиков в области малых деформаций. Это можно объяснить влиянием неточность задания параметров материала, упругих деформаций захватов, отсутствием учета развития микротрещин в материале, а также особенностей алгоритма нелинейного анализа.
Результаты МКЭ расчета локальных характеристик напряженного состояния невозможно сравнить с результатами эксперимента, так как получить их в ходе натурного эксперимента не представлялось возможным. Аналитического решения данной задачи также не существует. Следовательно, точности вычисления данных показателей можно проверить лишь косвенным образом, путем анализа сходимости решения (рисунок 3.9, б). Для оценки предельной пластической деформации в сечении А-А (рисунок 3.9, в) был проведен анализ трех моделей с минимальными размерами элементов: 0,25 мм, 0,5 мм, 1 мм.
По результатам этих расчетов построена зависимость максимальных пластических деформаций от размера элемента. Как видно из графика на рисунке 3.9, б, расчетный процесс устойчив и хорошо сходится. Величина пластических деформаций определялась с помощью экстраполяции на случай размера элемента, стремящегося к нулю. Пример расчета образца А1 приведен на рисунке 3.10.
Результаты расчета моделей всех образцов (приведены в таблице 3.3) не противоречат заключению о характере разрушений образцов: с понижением температуры испытаний от +20оС до минус 60оС для образцов всех серий наблюдается значительное снижение значений предельной интенсивности пластической деформации. Полученные результаты использованы для подтверждения структуры и определения параметров диаграммы разрушения, представленной в 2.1.
Численный анализ напряженно-деформированного состояния узлов металлических конструкций машин
Предложенная диаграмма разрушения, подтвержденная результатами экспериментально-расчетного анализа, выполненного на цельных и сварных образцах, позволяет построить методику прогнозирования прочности сварных металлических конструкций, эксплуатируемых в условиях низких климатических температур. Эта методика включает комплекс экспериментальных и расчетных мероприятий, которые могут быть направлены на прогнозирование прочности определенной конструкции с известными параметрами или на подтверждение применимости определенной марки стали для конструкций заданного типа в виде проката определенных толщин с использованием заданной технологии сварки. Далее приводится последовательность решения данной задачи.
Механические свойства стали определяются путем проведения механических испытаний образцов с номинальным диаметром рабочей части 6 мм по ГОСТ 1497. Рекомендуется использовать для испытаний не менее двух образцов. Если образцы вырезаются из листового проката с известным направлением прокатки, то образцы следует вырезать поперек направления проката. Испытания следует проводить по методике рекомендованной в ГОСТ 1497. В результате испытаний определяются следующие параметры: - условный предел текучести; - временное сопротивление; - относительное сужение шейки образца. На основе полученных данных, используя преобразования Бриджмена, строится билинейная диаграмма деформирования в «истинных» координатах, а также вычисляется предел текучести при пониженной температуре по методике [6] (см. 2.2).
Сварные образцы изготавливаются по чертежам, приведенным в главе 3, из листового металла наибольших толщин, используемых в конструкции. Рекомендуется при каждой температуре испытывать не меньше двух образцов с плотным стыком (рисунок 3.1) и столько же образцов с фрезерованным пазом шириной 0,1 Л
Для получения более полной картины испытания следует провести при температурах минус 20, 40 и 60 градусов. В результате испытаний фиксируется максимальное перемещение захватов при образовании локальных разрывов материала или при полном разрушении образца.
Конечно-элементный расчет образцов производится с использованием нелинейного статического анализа и параметров модели указанных в главе 3. Исходными данными расчета являются: - билинейная диаграмма деформирования материала; - максимальное перемещение захватов при испытаниях образцов Определяются значения предельных пластических деформаций на объеме в виде куба со стороной 5 мм, расположенного в зоне максимальной концентрации деформаций.
Для построения кривых предельных деформаций для каждой температуры испытаний подбирается значение показателя и(Т) таким образом, чтобы кривая е ,(г\,Т проходила наилучшим образом через экспериментальные точки, полученные при данной температуре на образцах с плотным стыком и с зазором. конструкции
Расчет конструкции при действии максимальных эксплуатационных нагрузок производится методом конечных элементов по упругой модели.
Значение коэффициента жесткости напряженного состояния определяется по результатам упругого расчета, если использовалась твердотельная модель (5.1.5) или по рекомендациям 2.1.1. То есть для качественных конструкций, не содержащих непроваров, расположенных поперек силового потока, можно принимать г = 1,3. В конструкциях с непроварами (что недопустимо для конструкций, эксплуатируемых в условиях отрицательных температур), следует считать г = 2,0. Максимальная пластическая деформация, вычисляется по формуле (4.4.)
При этом значение предела текучести стали принимаются с учетом минимальной температуры эксплуатации, коэффициент локальных пластических деформаций выбирается согласно рекомендациям, предложенным в главе 4.
Проверка прочности элемента конструкции выполняется по условию Выполнение этого условия означает, что металлическая конструкция будет способна воспринимать максимальные эксплуатационные нагрузки при тех температурах, при которых были выполнены испытания, без возникновения хрупкого разрушения в зоне концентрации напряжений, если она изготовлена из того же проката и по той же технологии сварки, что и сварные образцы и имеет не большие толщины, чем эти образцы.
Следует отметить, что для распространения результатов такого анализа на определенную марку стали требуется статистическое исследование, выполняемое на достаточно обширном экспериментальном материале, что выходит за рамки данной работы.
Применение методики оценки хладостойкости сварных металлических конструкций в данной работе продемонстрировано на примере расчета металлической конструкции портального крана. Портальный кран это полноповоротный стреловой кран, металлическая конструкция которого состоит из шарнирно-сочлененного стрелового устройства, закрепленного на колонне, которая опирается на портал через опорно-поворотное устройство.