Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Технические науки
Проектирование и конструкция судов

Диссертационная работа:

Петинов Сергей Владимирович. Обоснование расчетного проектирования судовых конструкций с учетом усталости : ил РГБ ОД 71:85-5/7

смотреть содержание
смотреть введение
Содержание к работе:
  1. ВВВДЕНИЕ 5

  2. ГЛАВА I. ДЕФОРМАЦИОННЫЙ ПОДХОД К ОПИСАНИЮ И ОЦЕНКЕ

УСТАЛОСТИ МАТЕРИАЛОВ И КОНСТРУКЦИЙ

СУДОВОГО КОРПУСА 15

  1. I.I. Введение 15

  2. 1.2. Элементы деформационного подхода 26

5. I.2.I. Критерии разрушения материала при

переменном нагружении 27

6. 1.2.2. Диаграммы циклического деформирования . . 41

  1. 1.3. Исследование влияния анизотропии и коррозии ... 48

  2. 1.4. Сопротивление судокорпусных сталей деформированию

при нерегулярном нагружении . 53

9. 1.5. Заключение 60

10. ГЛАВА П. ОЦЕНКА СОПРОТИВЛЕНИЯ КОНСТРУКЦИЙ ПЕРЕМЕННОМУ

НАГРУЖЕНИЮ ПО ВЫХОДУ ТРЕЩИНЫ УСТАЛОСТИ 62

  1. 2.1. Факторы конструкции и нагружения 62

  2. 2.2. Исследования концентрации напряжений

в типичных узлах судового корпуса 66

13. 2.3. Инженерные методы определения деформаций

в зоне концентрации напряжений 114

14. 2.4. Влияние средних напряжений на циклические

деформации в зоне концентрации напряжений. . . . 121

15. 2.5. Содержание средних напряжений и их значение

для инкубационной стадии усталости 130

16. 2.6. Общая характеристика деформационного метода

анализа инкубационной стадии усталости

материала в конструкции 136

_ 4 -

32. 4.3. Роль остаточных напряжений в течении процесса

разрушения сварных конструкций от усталости . . 249

33. 4.4. Расчетно-экспериментальное исследование

распространения трещин усталости под

влиянием остаточных сварочных напряжений . . .253

34. 4.5. Общая схема расчета усталостной долговечности

сварных конструкций судового корпуса на стадии
подрастания трещины 263

35. 4.6. Методика расчета допустимых коэффициентов

концентрации напряжений для стадии подрастания
трещины 269

  1. 4.7. Оценка начальной длины трещины 278

  2. 4.8. Заключение 282

  1. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ 284

  2. ЛИТЕРАТУРА 289

Введение к работе:

Явление усталости материалов и конструкций, изучаемое уже около 150 лет, привлекало и будет привлекать внимание многих исследователей и инженеров тем значением, которое оно имеет для техники.

Несмотря на повсеместно прилагаемые значительные усилия к совершенствованию методов исследования, проектирования и изготовления конструкций, немногочисленные обзоры ближайших лет, в которых рассматриваются разрушения конструкций судовых корпусов и морских сооружений, показывают, что исключить возможность появления разрушений от усталости не удается. Нет оснований также считать, что в будущем удастся создавать конструкции с полной гарантией от усталостных повреждений на протяжении всего времени их эксплуатации, так как процесс накопления повреждений материалов при переменном нагружении управляется столь значительным числом взаимосвязанных факторов, что перспектива построения методов расчета усталостной долговечности в абсолютном понимании этого термина представляется неопределенной.

Между тем появляющиеся в конструкции трещины усталости являются очевидным признаком недостаточной прочности в общем, или чаще всего, местном масштабе сооружения. При условии, что распространение трещин происходит медленно по отношению к периодам времени между осмотрами конструкции, и что обнаружению трещины объективными средствами контроля не может предшествовать нестабильное разрушение, выход трещины определенной протяженности может рассматриваться как физическая основа для формулировки критерия прочности при переменном нагружении.

Необходимость учитывать специфику сопротивления конструкций переменному нагружению показал еще в начале столетия И.Г.

- б -

Бубнов. В дальнейшем вопросы сопротивления материалов и конструкций переменному нагружению и основные принципы метода расчетной оценки усталостной долговечности разрабатывались усилиями многих отечественных и зарубежных исследователей: В.Л.Кирпи-чева, Н.Н.Давиденкова, И.А.Одинга, Х.Гафа, А.Пальмгрена, Р.Пе-терсона, С.В.Сереноєна, Е.Гасснера, Н.Н.Афанасьева, В.С.Ивановой, В.П.Когаева, Н.Фроста, В.В.Болотина, Л.А.Гликмана, Т.Иоко-бори, Т.Герни, К.Иида, Дж.Морроу, Л.Коффина, В.А.Быкова, Е.М.Ше-вандина, С.Мэнсона, Т.Каназава, В.М.Волкова, Г.П.Карзова, Т.Да-гена и многих, многих других.

Общая схема оценки усталостной долговечности судовых конструкций при нерегулярном нагружении была установлена В.В.Еки-мовым и в последующем развита в работах А.А.Е^ФДШова, Г.С.Чу-виковского, Г.О.Таубина, А.Й.Максимаджи, Я.И.Короткина, Г.В.Бой-цова, В.В.Козлякова, Н.Колдуэла, М.Эль-Гаммаля и других авторов. Около 15 лет назад В.В.Козляковым и Г.В.Бойцовым в сходной форме сформулированы критерии усталостной прочности судовых конструкций, позволившие решить задачу определения момента сопротивления для частей судового корпуса при заданном ресурсе сооружения. В дальнейшем исследования были направлены на накопление фактических данных о сопротивлении переменному нагружению судокорпус-ных материалов и конструкций, что позволило вносить определенные усовершенствования в положения, на которых строился критерий прочности.

Однако имеющиеся критерии, способствовавшие значительному прогрессу в нормировании прочности судовых конструкций и в целом безусловно достоверно отражающие основные физические стороны процесса накопления повреждений при переменном нагружении, несут в себе ряд положений, сложившихся более 50 лет назад и относящихся в основном к учету эффектов концентрации напряжений,

принятому в машиностроении. Определенным недостатком традиционного "машиностроительного" подхода, попытки преодолеть который делаются только в наше время, является неясная трактовка стадии усталостного повреждения, по которой следует оценивать долговечность. Силовой критерий усталости, распространенный на течение всего явления, безоговорочно принятый стереотип эффективной концентрации напряжений также .можно отнести к недочетам в базисе критерия, обусловленным скорее организационно-методическими особенностями исследования прочности конструкций морских сооружений и судовых корпусов при переменном нагружении, влиянием сложившихся традиций.

Все более очевидной становится необходимость процесс развития усталостных повреждений в конструкции разделить на две стадии - подготовку трещины усталости и стадию ее распространения. Несмотря на общие микромеханизмы явления в целом, такое подразделение в настоящее время представляется необходимым, так как уже имеются достаточно разработанные для практического применения методы расчета повреждения в рамках каждой из стадий. Это произошло благодаря быстрому развитию в последние два десятилетия механики разрушения, обязанному вкладу многих исследователей, в том числе С.Мэнсона, Дж.Ирвина, С.В.Серенсена, Г.П.Черепанова, Ю.Н.Работнова, Г.Либовица, А.Фреденталя, В.С.Ивановой, В.В.Новожилова, Г.В.Колосова, В.В.Панасюка, Дж.Си, Х.Тада, А.Ко-баяши, Л.И.Седова, П.Пэриса, Дж.Морроу, Н.Фроста, Н.А.Махутова, К.Иида, Т.Иокобори и других.

Исследования прочности элементов энергетического оборудования, развернутые около 30 лет назад, привели к созданию критериев прочности материалов при переменном нагружении, сопровождающемся пластическим деформированием. В.С.Ивановой, Дж.Морроу, П.Джилису и другим удалось показать связь критериев Коффина-Мэн-

сона и событий на микроскопическом уровне, накопления плотности дислокаций до критической, а В.В.Новожилов и О.Г.Рыбакина обобщили критерий Коффина на произвольное напряженное состояние и нагружение. В конце 60-х гг. благодаря работам С.В.Серенсена, Р.М.Шнейдеровича, В.Т.Трощенко, Х.Нейбера, А.П.Гусенкова, Н.А. Махутова, Д.Д.Морроу, Е.Стоуэла, Т.Топпера и других сформировались основы деформационного метода расчета инкубационной стадии усталости конструкций, применявшегося вначале для оценки прочности сосудов давления при переменном нагружении и послужившего для разработки норм прочности таких объектов. В то же время В.В. Козляковым и автором деформационный метод стал применяться для анализа усталости конструкций судового корпуса, а позднее он использовался и для оценок прочности конструкций плавучих буровых установок.

Развитию деформационного метода способствовало применение численных методов и, в частности, метода конечных элементов для решения задач упругопластического деформирования материала в областях концентрации напряжений при переменном нагружении, продемонстрированное в работах В.А.Постнова, Д.Аргириса, Дж.Айзексона и других. В результате использования в рамках деформационного метода гипотезы линейного суммирования повреждений удалось разработать для циклически стабильных материалов сравнительно простой и удобный аппарат, позволивший обратиться к анализу прочности конструкций при переменном нагружении [1613,[179].

Однако деформационному методу присущ ряд недостатков. Некоторые из них, по-видимому, могут быть устранены при дальнейшем развитии этого метода. Основным недостатком в положениях, на которые опирается метод, является неопределенность масштабов события, которым характеризуется разрушение материала в конструкции, - трещины усталости, появляющейся в конце инкубационной

стадии. При циклическом нагружении, сопровождающемся формированием устойчивой зоны пластических деформаций в основании концентратора, признаком окончания стадии подготовки трещины, которая рассчитывается с помощью деформационного метода, может служить трещина, распространившаяся на всю глубину зоны. Но в конструкции, находящейся под действием случайного нагружения, указать такую протяженность пока невозможно. Затем метод переоценивает повреждение, вносимое при напряжениях порядка предела усталости материала; имеются и другие уязвимые места у деформационного метода, присущие в равной мере традиционному силовому подходу.Поэтому несмотря на то, что метод позволяет учесть при анализе усталости конструкции почти все основные факторы, определяющие явление, и то, что имеются примеры расчетных оценок долговечности, практически совпадающих с опытными данными [117],[163], необходимы дальнейшие исследования, чтобы вывести применение метода за рамки сопоставления.

Существенно расширились возможности анализа усталости судовых конструкций благодаря развитию методов механики разрушения, особенно интенсивно происходившему на протяжении прошедшего десятилетия. Берущая начало от работ А.Гриффита, развитая Е.Орова-ном, Дж.Тейлором, а затем Дж.Ирвином, Г.П.Черепановым, Дж.Рай-сом, Г.И.Баренблаттом, М.Я.Леоновым, В.В.Панасюком, Дж.Си, П.Пэ-рисом и многими другими, механика разрушения, содержание которой составляет анализ условий распространения трещин, дает определенные возможности для решения инженерных задач, связанных с оценкой прочности конструкций при переменном нагружении.

Анализ показывает, что при умеренной номинальной напряженности конструкций судового корпуса имеется перспектива решения многих практических задач, связанных с оценкой надежности, с помощью аппарата линейной механики разрушения. Фундаментальным

в линейной механике является понятие коэффициента интенсивности напряжений, предложенное Д.Ирвином в 1957, который характеризует напряженное состояние у вершины трещины в линейно-упругом материале. Было показано, что с коэффициентом интенсивности можно связывать скорость подрастания трещин усталости, и что при определенных условиях по величине этого коэффициента можно судить о способности конструкции сопротивляться внезапному разрушению.

Оценки прочности и технической эффективности конструкций должны основываться на четких физических признаках состояния, например, при обсуждении роли переменного нагружения, - трещине определенных размеров. Конечно, такой признак можно принять только при выполнении некоторых условий: трещина распространяется медленно и до ее перехода в фазу нестабильного развития или до создания критической ситуации в отношении технических требований, предъявляемых к конструкции, имеются возможности предотвратить выход конструкции из строя. Это условие в подавляющем большинстве примеров повреждений и разрушений судовых конструкций, связанных с усталостью, соответствует природе явления. Проблемой, по-видимому, является осуществление надежной системы контроля состояния конструкции на протяжении срока ее эксплуатации.

Поскольку механика разрушения дает в принципе аппарат для определения длины или углубления распространяющейся трещины, на современном уровне развития представлений о сопротивлении материалов и конструкций переменному нагружению необходимо использовать эту возможность для анализа экспериментальных данных, опыта эксплуатации и оценок прочности конструкций. Серьезным препятствием на этом пути является влияние остаточных сварочных напряжений, накладывающее существенное ограничение на масштабы рассчитываемого усталостного разрушения современными средствами. Такие оценки в ближайшей перспективе применения разработок и ме-

тодов механики разрутпения, по-видимому, осуществимы с некоторыми пока неизбежными оговорками, относящимися к определению анализируемой длины трещины.

Рассмотренные выше соображения определяют актуальность проблемы, являющейся предметом настоящей работы.

Продолжительная работа автора, связанная с изучением усталости судокорпусных материалов и конструкций, знакомство с исследованиями этих вопросов в ведущих организациях, решающих задачи судостроения, - в ЦНИИ им.А.Н.Крылова, ЦНЙИМ? и других, а также в ряде высших учебных заведений, позволили выделить круг вопросов, представивших первоочередную важность в решении проблемы усталости судовых конструкций, и определить задачи настоящей работы.

Цель работы; диссертационная работа посвящена разработке инженерных методов расчетной оценки усталостной долговечности конструкций судового корпуса и морских сооружений, включающей обе стадии развития повреждения. Для достижения этой цели потребовалось решить следующие задачи:

развить деформационный метод исследования усталостной долговечности элементов конструкции для стадии зарождения трещины с возможно полным учетом основных факторов, определяющих развитие усталостного повреждения;

развить приемы линейной механики разрушения для описания в возможно простой и достоверной форме распространения трещин усталости в конструкции с учетом влияния местного повышения напряжений в зонах концентрации, пластичности материала, наличия сварочных остаточных напряжений и других факторов;

разработать методы расчетной оценки усталостной долговечности конструкций в фазе зарождения и фазе распространения трещины на основе единой методологии и определить наиболее эффек-

тивные направления практического применения этих методов в судостроении - создание основы для расчетного проектирования узлов конструкций, нормирования местной прочности по признакам усталостного повреждения, определение задач экспериментальных исследований и решение методических вопросов анализа их результатов.

Научная новизна: для конструкций судовых корпусов и морских сооружений впервые с учетом двух стадий развития усталостных повреждений и на основе физических критериев состояния конструкции разработаны основные положения расчетного проектирования узлов и нормирования местной прочности. Для обеих стадий процесса решение задачи получено в рамках спектрального метода статистической динамики. Получена новая информация о напряженности и концентрации напряжений в характерных узлах конструкции судовых корпусов и морских сооружений. Выявлены закономерности распространения трещин усталости в зонах концентрации напряжений с учетом пластичности материала, под влиянием остаточных напряжений и пластических деформаций в результате перегрузок. Разработаны простые приемы учета этих факторов при расчетной оценке подрастания трещин. Разработаны приемы оценки допустимой по требованиям усталостной долговечности концентрации напряжений, которые в зависимости от значения трещины для прочности и эффективности сооружения позволяют спроектировать детали узлов судового корпуса как по критерию выхода трещины, так и по трещине расчетных размеров. Впервые обоснована необходимость введения в практику расчетного проектирования понятия трещины "расчетных" размеров, которые должны соответствовать современным возможностям расчета, а также обусловить требования к организации и техническим средствам контроля состояния конструкции.

Таким образом обеспечивается возможность узлы конструкции, потенциально 'слабые звенья" сооружения, многократно в нем пов-

- із -

торяемые и ответственные за надежность, сделать предметом расчетного проектирования и научно обосновать требования к контролю состояния конструкции.

Достоверность полученных результатов основана на достаточно строгой в физическом смысле постановке проблем и корректном их решении с помощью современных численных и экспериментальных методов. Основные положения методик подтверждены результатами экспериментальных исследований, в том числе и результатами испытаний натурных узлов судовых конструкций, выполненных другими авторами, но проанализированных на основании разработанных автором методик.

Практическая ценность работы состоит в том, что впервые на основе единой методологии и двухстадийного представления о развитии усталостных повреждений, а также на основе физически определенных критериев состояния конструкции разработаны приемы расчетного проектирования узлов судового корпуса и нормирования местной прочности, предназначенные для практического применения. Основные результаты диссертации использованы в учебном процессе на Кораблестроительном факультете ЛКй при разработке программы и постановке новой дисциплины "Механика разрушения материалов и конструкций", а также при подготовке соответствующего учебного пособия. Значительная часть исследований выполнена по заказам предприятий МОП СССР и их результаты внедрены при выполнении комплексных исследований для промышленности.

Апробация работы: основные результаты диссертационной работы сообщались на научно-технических конференциях НТО СП, посвященных памяти П.Ф.Папковича и Ю.А.Шиманского, в 1972, 1979 и 1982, на ВС НТК по повреждениям и надежности судовых конструкций во Владивостоке в 1978 и 1981, на Международном симпозиуме по судостроению в Ростоке, ГДР, в 1980, на научно-технических

конференциях ЛКЙ.

Публикации: основное содержание диссертации опубликовано в 30 научных статьях и в 7 отчетах по госбвджетным и хоздоговорным работам за период с 1971 по 1982.

Большую помощь в разработке тематических разделов работы автору оказывали сотрудники кафедры строительной механики корабля и лаборатории С.И.Репин, Г.З.Марголин, В.А.Ильин; многое сделано с участием Т.И.Летовой, С.А.Дмитриева, К.0сжигитова, А.А. Бабаева, А.Л.Поташа, С.Берге, Н.С.Яковлевой и других сотрудников кафедры и лаборатории, а также студентов-прочнистов. Автор многим обязан В.В.Козлякову, О.Г.Рыбакиной, Г.В.Бойцову, П.А.Павлову, И.Н.Галахову, Г.П.Карзову, В.А.Быкову, Э.Н.Гарину за помощь и советы при проведении ряда исследований. На протяжении многих лет неоценимой была поддержка, оказывавшаяся автору коллегами по кафедре и в особенности заведующим кафедрой строительной механики корабля ЛКИ В.А.Постновым.

Подобные работы
Николаев Владимир Александрович
Обоснование методики оптимизационного проектирования скоростных пассажирских катамаранов
Тряскин Владимир Николаевич
Методология автоматизированного проектирования конструкций корпуса судна
Нан Вай
Расчетное проектирование конструкций машинного отделения по условиям вынужденной вибрации и металлоемкости
Доан Ким Тхай
Определение расчетных волновых нагрузок при проектировании конструкций корпуса судна
Козляков Виталий Витальевич
Вопросы проектирования корпусных конструкций судов-газовозов с мембранными и вкладными призматическими цистернами. Том 1
Лам Ван Хунг
Методические основы, алгоритмы и программное обеспечение задач проектирования и контроля технического состояния конструкций корпуса судна
Францев Михаил Эрнстович
Разработка методики проектирования верхних строений малых судов на основе многослойных оболочковых конструкций
Прохоров Андрей Евгеньевич
Оценка степени поврежденности оборудования, эксплуатируемого в условиях малоцикловой усталости, с учетом параметров поверхностной энергии
Шонин Владимир Анатольевич
Сопротивление усталости сварных соединений алюминиевых сплавов с учетом влияния остаточных напряжений
Кудрявцев Сергей Анатольевич
Расчетно-теоретическое обоснование проектирования и строительства сооружений в условиях промерзающих пучинистых грунтов

© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net