Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ. Одной из основных задач в строительстве и машиностроении является повышение качества машин, зданий и сооружений и обеспечение их надежности. В последние годы участились аварии магистральных нефте- и газопроводов, водоводов, обострилась проблема обеспечения надежности металлоконструкций на предприятиях нефтехимической и энергетической промышленности.
Эффективным средством обеспечения надежности объектов строительства и машиностроения является пооперационный контроль качества изделий, при котором на каждой стадии технологического процесса устанавливается строгое соответствие характеристик материалов требованиям нормативных докумеїггов.
Однако существующие методы оценки механического состояния материалов, базирующиеся на эмпирических данных, не отвечают современным требованиям контроля качества реальных конструкций по точности и диапазону применимости, что приводит к необходимости изготоатения образцов и проведення испытаний в лабораторных условиях.
На наш взгляд, одним из перспективных подходов в этом направлении является способ определения механических свойств ударным вдавливанием индентора. Ударные методы обладают рядом достоинств, например, при меньших габаритах может быть развита большая контактная сила, регистрируется больше информации о реакции материала на динамнчесгое воздействие и другие.
В последние годы широкое распространение получили техпологические
методы повышения надежности конструкций, основанные на нанесении
покрытий, пленок, химико-термической и механической обработки и др.
Использование в этих случаях эмпирических методик связано с чрезмерно
большим объемом экспериментальных исследований, требует дополнительного
обоснования полученных результатов. Изложенное определяет
целесообразность проведения теоретических исследований процесса упругоштастического соударения индентора с испытываемой поверхностью. Исследования в этой области сопряжены с решением сложных нестационарных краевых задач механики сплошной среды, моделирующих процесс ударного взаимодействия индентора с упругопластическими средами. Для решения этих задач в настоящее время применяет в основном численные схемы. Использование аналитических подходов возможно при введении ряда предположений и гипогез, достаточно физичных при малых и средних скоростях удара.
Сопротивление материалов действию внешних факторов характеризуется комшіексом механических свойств. В настоящей работе к этому комплексу мы огнесли наиболее часто применяемые свойства: пределы текучести и прочности, относительное удлинение, ударную вязкость и твердость Эти характеристики необходимо знать и уметь измерять непосредственно на объекте. Из этого следует, что задача разработки теоретических основ, методов и технических средств для определения свойств материалов, позволяющих быстро и точно
измерять требуемые показатели в любой точке реальной конструкции, является актуальной проблемой и представляет значительный практический интерес.
ЦЕЛЬ РАБОТЫ . разработка и обоснование метода испытаний конструкционных сталей ударным вдавливанием индентора для определения их механических свойств и организации контроля качества на всех стадиях жизненного цикла изделия .
Для достижения поставленной цели были поставлены и решены следующие задачи:
-
Разработать математические модели статического и ударного взаимодействия инденторов различной формы (конус, усеченный конус) с упругоплзстнческими средами в квазистатической постановке и установить степень влияния механических свойств объекта на характеристики вдавливания.
-
Разработать математические модели ударного взаимодействия инденторов со слоистыми структурами при утфугопластическом деформировании в динамической постановке и установить влияние динамических эффектов на регистрируемые характеристики.
-
На основе полученных моделей исследовать информативность регистрируемых параметров ударного вдавливания индентора и обосновать их связь с механическими свойствами испытываемого объекта.
-
Разработать лабораторную установку, а затем макетный образец прибора для одновременного измерения комплекса механических свойств конструкционных сталей.
5. Экспериментально исследовать закономерности динамического
контактного упругопластического деформироваїшя конструкционных сталей
при воздействии индентора и возможности измерения характеристик удара для
реализации предлагаемого метода.
-
Исследовать стохастические закономерности механических свойств конструкционных сталей во всей цепочке: металлопрокат - изготовленный элемент - элемент во время эксплуатации.
-
Для обеспечения высокого качества материалов при производстве металлических конструкций разработать метод контроля качества с учетом основных особенностей механических свойств сталей
НА УЧИ А Я НОВИЗНА работы заключается в следующем:
-
предложен метод определения механических свойств конструкционных сгалей основанный на ударном вдавливании инденторов и регистрации комплекса кинематических характеристик его погружения: временных зависимостей перемещения, скорости и ускорения при ударе (новизна метода подтверждена решением на выдачу патента № 94-023277/28);
-
разработаны теоретические модели ударного внедрения штампов различной формы (конус, усеченный конус) в однородные и слоистые полуограниченные среды при упр)топластическом деформировании в квазистатической и динамической постановках.
-
установлены теоретические и эмпирические закономерности, раскрывающие взаимосвязь показателей ударного вдавливания индентора с механическими свойствами испытываемых материалов;
-
на основе проведенных теоретических и экспериментальных исследований разработаны новые переносные приборы ударного действия для определения основных механических свойств конструкционных сталей: твердости, пределов текучести и прочности, относительного удлинения и ударной вязкости,
-
исследованы стохастические закономерности и выявлены основные вероятностные законы распределения случайных величин механических свойств конструкционных сталей;
-
предложен метод статистического контроля качества конструкционных сталей, основанный на использовании априорной информации о распределении механических свойств данной марки стали с применением теорий экстремальных членов выборки н байесовского статистического оценивания.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ работы заключается в создании прикладных механико-математических моделей динамического взаимодействия индеиторов конической формы с однородными и слоистыми структурами при упрутопластическом деформировании. На этой основе разработан метод неразрушающего коїггроля механических свойств конструкционных сталей и приборы для его реализации. Разработаны методики статистического контроля качества продукции с учетом априорной информации о распределении механических свойств сталей. Полученные результаты нашли применение в виде методик, технических и программных средств для их осуществления на предприятиях Южтрубопроводстрой, Ростсельмаш, Конорд, завод газовой аппаратуры.
ДОСТОВЕРНОСТЬ результатов обусловлена применением современных методов решения динамических контактных задач и подтверждается хорошим качественным и количественным совпадением данных, полученных аналитическими методами, на основе численных схем и экспериментшгьно. Расхождение данных, полученных теоретически и экспериментально, составляет 7...8% при доверительной вероятности 0,95.
(.Метод определения мехшшческих свойств конструкционных сталей путем ударного вдавливания индеиторов, регистрации и обработки комплекса кинематических характеристик его погружения: временных зависимостей перемещения, скорости и ускорения при ударе.
2.Теоретическне модели ударного внедрения штампов конической формы (конус, усеченный конус) в однородные и слоистые полуограниченные среды при упругопласгическом деформировании
3.Результаты теоретических и экспериментальных исследований по обоснованию связи показателей ударного вдавливания индентора с механическими свойствами испытываемых материалов.
4.Новые конструкции приборов ударного действия для определения основных механических свойств конструкционных статей: твердости, пределов текучести и прочности, относительного удлинения и ударной вязкости.
5.Метод статистического контроля качества конструкционных сталей, основанный на использовании априорной информации о распределении механических свойств данной марки стати с применением теорий экстремальных членов выборки и байесовского статистического оценивший.
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные результаты работы обсуждались на научно-техническом семинаре Всероссийского научно-исследовательского института физико-технических и радиотехннчесюігх измерений! (г. Москва, ВІШИФТРИ, 1997 г.); в Институте проблем механи;ш РАН (г. Москва, 1997 г.); ежегодных конференциях Ростоаской-на-Дону государственной академии строительства в период 1986 - 1997 гг.; 1-й и 2-й мелсдународыьгх конференциях "Современные проблемы механики сплошных сред", Ростов-ва-Доігу, РГУ, 1995, 1996 гг.; Международной конференции "Надежность машин и технологического оборудования", Ростов-на-Дону, ДГТУ, 1994 г.; научно-техническом семинаре "Динамика и прочность машин, приборов и аппаратуры", Ростов-на-Доігу, ДГТУ, 1994 г.; объединенном семинаре кафедр Московского института стали и сплавов, 1993 г.; научно-техническом семинаре ВНИИ ЧЕРМЕТ им. Байкова, 1992, 1993 г.; объединенной семинаре кафедр РГАС, 1993, 1994 гг.
СТРУКТУРА РАБОТЫ. Диссертация состоит из введения, восьми глав, заключения, списка литературы, включающего 251 наименований н приложений. Полный объем диссертации 333 стр., включая 90 рисунков и 13 таблиц.