Введение к работе
Актуальность работы. Многие элементы конструкции содержат конструктивные и технологические концентраторы напряжений, которые при эксплутационных условиях нагружения обуславливают накопление, образование и развитие повреждений. Одними из самых распространенных дефектов, ограничивающих сроки безопасной эксплуатации изделий, являются поверхностные несквозные трещины различной формы в плане и ориентации. Двухосность нагружения, возникающая в элементах обшивки самолетов, роторах паровых турбин, трубопроводах, сосудах давления и т.п. приводит к образованию трещин, плоскость расположения которых произвольно ориентирована в пространстве. В этой связи в последнее время специалисты уделяют особое внимание подобным задачам, которые в механике разрушения относятся к разделу смешанных форм деформирования. Для описания поведения объектов содержащих произвольно ориентированные поверхностные дефекты необходимо учитывать в модельном представлении совокупность влияния таких факторов как двухосность нагружения, ориентацию дефекта в пространстве, положение сечети вдоль фронта трещины и форму дефекта в плане. Традиционные критерии, модели состояния и параметры механики трещин должным образом не учитывают специфику смешанных форм деформирования при решении упругих и упруго-пластических задач. Более того, особенности поведения поверхностных дефектов при смешанных формах разрушения находятся за пределами нормативных документов в виду сложностей методического, вычислительного и экспериментального плана.
Целью работы является разработка и обоснование упругих и пластических параметров состояния полуэллиптических трещин при двухосном нагружении произвольного направления.
Цель исследования определяет следующие задачи:
- обосновать расчетную модель пластины с поверхностной трещиной;
- разработать методику интерпретации результатов и провести анализ
напряженно-деформированного состояния пластины с полуэллиптической
трещиной с вариацией двухосности нагружения, формы трещины в плане и
исходного угла ориентации дефекта;
ввести и обосновать упругие и пластические параметры состояния области вершины несквозной полуэллиптической трещины;
выполнить экспериментальные исследования направления и скорости развили полуэллиптических трещин при растяжении и изгибе.
Научная новизна работы состоит в:
установленных закономерностях совместного влияния вида нагружения, ориентации и формы дефекта на изменение параметров напряженно-деформированного состояния вдоль фронта трещины;
расчете параметров сингулярности для основных форм деформирования несквозного дефекта;
введении и обосновании параметров смешанных форм деформирования для полуэллиптических дефектов;
разработке упругого критерия направления роста поверхностных трещин;
установленных различиях процессов развития полуэллиптических трещин при циклическом растяжении и изгибе.
На защиту выносятся:
- установленные закономерности совместного влияния на напряженно-
деформированное состояние двухосности нагружения, угла ориентации, по
ложения по фронту трещины и формы дефекта в плане;
упругий критерий направления роста поверхностных трещин;
упругие и пластические параметры смешанных форм разрушения;
- экспериментально установленные особенности развития полуэллиптиче
ских трещин при растяжении и изгибе.
Практическая значимость:
Экспериментально полученные характеристики развития полуэллиптических трещин совместно с численными результатами могут быть введены в расчетные комплексы прогнозирования остаточного ресурса элементов конструкций с поверхностными дефектами различной формы в плане при двухосном нагружении произвольного направления.
Методы исследований. Аналитические и численные исследования выполнялись на основе теории упругости, деформационной теории пластичности, метода конечных элементов, методов математического и компьютерного моделирования и программирования. Экспериментальные исследования проведены на современном испытательном оборудовании с автоматизацией измерений.
Достоверность полученных результатов подтверждается установленным совпадением частных численных и аналитических решений с аналитическими и экспериментальными данными других авторов, а так же с экспериментом, поставленным в рамках данной работы. Точность аналитических расчетов обеспечивалась строгими математическими постановками.
Реализация работы. Результаты работы представлены в тематике научных исследований лаборатории Вычислительной механики деформирования и разрушения Исследовательского центра проблем энергетики КазНЦ РАН. Работа в течение трех лет поддерживалась грантом ФАНИ № 02.740.11.0205, гос.контрактами №П2454 и №16.740.11.0432 при выполнении работ по ФЦП "Научные и научно-педагогические кадры инновационной России в 2009-2011гт.".
Апробация работы. Результаты работы представлялись на аспирантских научных семинарах (Казань, ИЦПЭ КазНЦ РАН, 2008-2011 гг.), на итоговых научных конференциях КазНЦ РАН (Казань, 2008-2011 гг.); на VI и VII школах-семинарах молодых ученых и специалистов академика РАН В.Е. Алемасова (Казань, ИЦПЭ КазНЦ РАН, 2008, 2010 гг.); XX Всероссийской межвузовской научно-технической конференции КазВАКУ (Казань, 2008); Второй международной конференции по проблемам нелинейной механики деформируемого твердого тела (Казань, 2009г.); the 9-th International Confer-
ence on Multiaxial Fatigue & Fracture (Italy, Parma, 2010); the 18-th European Conference on Fracture (Germany, Dresden, 2010); the 11-th International Conference on the Mechanical Behavior of Materials (Italy, Como Lake, 2011).
В полном объеме диссертация докладывалась в Исследовательском центре проблем энергетики КазНЦ РАН, в Институте машиноведения РАН им.А.А.Благонравова.
Публикации. Результаты исследований по теме диссертации опубликованы в 23 печатных работах.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов и списка использованной литературы. Материал изложен на 150 страницах и содержит 66 рисунков.
