Анализ предельных состояний цилиндрических упругопластических оболочек при растяжении и комбинированном нагружении внутренним давлением и растяжением
Автор: Баженов В.Г., Казаков Д.А., Осетров С.Л., Осетров Д.Л., Рябов А.А.
Статья в выпуске: 2, 2022 года.
Бесплатный доступ
Теоретически и экспериментально исследуется упругопластическое деформирование, предельные состояния и закритическое поведение цилиндрических оболочек при растяжении и комбинированном нагружении внутренним давлением и растяжением до разрушения. Данная задача характеризуется возникновением больших деформаций, формоизменений и, как следствие, неоднородного напряженно-деформированного состояния. При численном решении подобных задач возникает проблема построения истинных диаграмм деформирования материалов. В связи с этим для исследования деформационных и прочностных свойств материалов актуально использование экспериментально-расчетного подхода, позволяющего без принятия упрощающих гипотез учесть неодноосность и неоднородность напряженно-деформированного состояния. В работе представлен новый эффективный алгоритм построения истинной диаграммы деформирования, в основе которого лежит процедура нелинейной экстраполяции диаграммы. Такой алгоритм в процессе прямого численного решения задачи последовательно выполняет построение диаграммы деформирования без использования повторных прямых расчетов, что существенно (в разы) повышает его эффективность. На основе экспериментально-расчетного подхода определены истинные диаграммы деформирования для сплошных стержней и оболочек из сталей 10ХСНД и 10Г2ФБЮ при растяжении и комбинированном нагружении внутренним давлением и растяжением до разрушения. Разрушение оболочек при растяжении происходит при меньших (в разы) значениях истинных деформаций, чем сплошных стержней. Значительные отличия в истинных напряжениях и деформациях в момент разрушения обусловлены различной локализацией деформирования сплошных стержней и оболочек после потери устойчивости пластического деформирования при растяжении. Численно и экспериментально показано, что после потери устойчивости пластического деформирования по Консидеру при растяжении цилиндрическая оболочка содержит две формы потери устойчивости до момента разрушения. Первая форма потери устойчивости, как и в сплошных стержнях, характеризуется локализацией деформаций по диаметру образца в виде «шейки», а вторая - локализацией деформаций по толщине образца, которая и определяет финальную стадию разрушения. При действии на оболочку внутреннего давления происходит вырождение первой формы потери устойчивости пластического деформирования с образованием шейки вовнутрь оболочки и наблюдается только форма потери устойчивости, вызванная локализацией деформаций по толщине оболочки.
Экспериментально-расчетный подход, нелинейная экстраполяция, численное моделирование, эксперимент, истинная диаграмма деформирования, большие деформации, потеря устойчивости пластического деформирования, критерий консидера, разрушение, упругопластические материалы
Короткий адрес: https://sciup.org/146282470
IDR: 146282470 | УДК: 539.3 | DOI: 10.15593/perm.mech/2022.2.04
Analysis of the limiting states of cylindrical elastic-plastic shells under tension and combined loading by internal pressure and tension
The elastic-plastic deformation, limiting states and supercritical behavior of cylindrical shells under tension and combined loading by internal pressure and tension to failure are studied theoretically and experimentally. This problem is characterized by the occurrence of large strains, shape changes and, as a result, an inhomogeneous stress-strain state. In the numerical solution of such problems, the problem arises of constructing true stress-strain curves of materials. In this regard, to study the deformation and strength properties of materials, it is important to use an experimental-computational approach, which makes it possible to take into account the non-uniaxiality and inhomogeneous of the stress-strain state without accepting simplifying hypotheses. The paper presents a new efficient algorithm for constructing a true stress-strain curve, which is based on the procedure of nonlinear extrapolation of the curve. Such an algorithm, in the process of direct numerical solution of the problem, consistently constructs a stress-strain curve without using repeated direct calculations, which significantly (at times) increases its efficiency. Based on the experimental-computational approach, the true stress-strain curves for solid rods and shells made of 10KhSND and 10G2FBYu steels were determined under tension and combined loading by internal pressure and tension to failure. The failure of shells under tension occurs at lower (at times) values of true strain than solid rods. Significant differences in true stresses and strains at the moment of failure are due to different localization of deformation of solid rods and shells after the loss of stability of plastic deformation in tension. It is shown numerically and experimentally that after loss of stability of plastic deformation according to Considerer in tension, the cylindrical shell contains two forms of loss of stability until the moment of failure. The first form of loss of stability, as in solid rods, is characterized by localization of deformations along the diameter of the sample in the form of a neck, and the second form is characterized by localization of deformations along the thickness of the sample, which determines the final stage of failure. Under the action of internal pressure on the shell, the first form of loss of stability of plastic deformation degenerates with the formation of a neck inside the shell, and only the form of loss of stability is observed, caused by the localization of deformations along the thickness of the shell.
Список литературы Анализ предельных состояний цилиндрических упругопластических оболочек при растяжении и комбинированном нагружении внутренним давлением и растяжением
- Надаи А. Пластичность и разрушение твердых тел / пер. с англ. под ред. Г.С. Шапиро. - М.: Изд-во иностр. лит., 1954. - Т. 1. - 647 с.
- Бриджмен П. Исследования больших пластических деформаций и разрушения. - М.: Изд-во иностр. лит., 1955. -444 с.
- Малинин Н.Н. Прикладная теория пластичности и ползучести: учебник для студентов вузов. - М.: Машиностроение, 1975. - 400 с.
- Kaplan M.A. The stress and deformation in mild steel during axisymmetric necking. Trans. of ASME // Series E. Journal of applied mechanics. - 1973. - No. 1. - P. 271-276.
- Shanly F.R. Tensile instability (necking) of ductile materials // Aerospace Engineering. - 1961. - Vol. 20, no. 12. - P. 55-61.
- Одинг С.С. Исследование процесса образования и развития шейки при растяжении цилиндрического образца // Проблемы прочности. - 1983. - № 10. - С. 103-106.
- К вопросу о месте образования шейки при растяжении цилиндрических образцов / А.В. Осинцев, А.С. Плотников, Е.М. Морозов, Е.Ю. Лубкова // Письма о материалах. - 2017. -Т. 7. № 3. - С. 260-265.
- Бережной Д.В. Паймушин В.Н. О двух постановках упругопластических задач и теоретическое определение места образования шейки в образцах при растяжении // Прикладная математика и механика. - 2011. - Т. 75, № 4. - С. 635-659.
- Закономерности развития неоднородных полей при закритическом деформировании стальных образцов в условиях растяжения / В.Э. Вильдеман, Е.В. Ломакин, Т.В. Третьякова, М.П. Третьяков // Механика твердого тела. - 2016. -№ 5. - С. 132-139.
- Дегтярев В.П. Деформации и разрушение в высоко напряженных конструкциях. - М.: Машиностроение, 1987. - 105 с.
- Дильман В.Л., Остсемин А.А. О потери пластической устойчивости тонкостенных цилиндрических оболочек // Проблемы машиностроения и надежности машин. - 2002. -№ 5. - С. 50-57.
- Качанов Л.М. Основы механики разрушения. - М.: Наука, 1974. - 312 с.
- Enami K. The effect of compressive and tensile prestrain on ductile fracture initiation in steels // Engineering Fracture Mechanics. - 2005. - Vol. 72. - P. 1089-1105.
- Numerical simulations of full-scale corroded pipe tests with combined loading / S. Roy, S. Grigory, M. Smith, M.F. Kanninen, M. Anderson // Journal of Pressure Vessel Technology. -1997. - Vol. 119. - P. 457-466.
- Study on fracture criterion for carbon steel pipes with local wall thinning / K. Miyazaki, A. Nebu, S. Kanno, M. Ishiwata, K. Hasegawa // JHPI. - 2002. - Vol. 40. - P. 62-72.
- Cabezas E.E., Celentano D.J. Experimental and numerical analysis of the tensile test using sheet specimens // Finite Elements in Analysis and Design. - 2004. - Vol. 40. - P. 555-575.
- Mirone G. A new model for the elastoplastic characterization and the stress-strain determination on the necking section of a tensile specimen // International Journal of Solids and Structures. -2004. - Vol. 41. - P. 3545-3564.
- Давиденков Н.А., Спиридонова Н.И. Анализ напряженного состояния в шейке растянутого образца // Заводская лаборатория. - 1945. - № 6. - С. 583-593.
- Казаков Д.А., Жегалов Д.В. Использование технологий цифровой фотосъемки для изучения полей деформаций // Проблемы прочности и пластичности. - 2007. - № 69. - С. 99-105.
- Владимиров С.А., Дегтярев В.П., Агальцов В.И. Математическое моделирование механических свойств металлов и сплавов при больших деформациях // Изв. РАН. МТТ. -2007. - № 1. - С. 145-159.
- Пат. на изобретение РФ № 2324162. Способ определения деформационных и прочностных свойств материалов при больших деформациях и неоднородном напряженно-деформированном состоянии / Баженов В.Г., Зефиров С.В., Крамарев Л.Н., Осетров С.Л., Павленкова Е.В. Заявка № 2006115805. Опубликовано 10.05.2008, бюлл. № 13.
- Баженов В.Г., Зефиров С.В., Осетров С.Л. Метод идентификации деформационных и прочностных свойств металлов и сплавов // Деформация и разрушение материалов. - 2007. -№ 3. - С. 43-48.
- Экспериментально-расчетный метод исследования больших упругопластических деформаций цилиндрических оболочек при растяжении до разрыва и построение диаграмм деформирования при неоднородном напряженно-деформированном состоянии / В.Г. Баженов, В.К. Ломунов, С.Л. Осетров, Е.В. Павленкова // Прикладная механика и техническая физика. - 2013. - Т. 54, № 1. - С. 116-124.
- Метод определения сил трения в экспериментах на ударное сжатие и построение динамических диаграмм деформирования металлов и сплавов / В.Г. Баженов, М.С. Баранова, Д.Л. Осетров, А.А. Рябов // Доклады Академии наук. - 2018. -Т. 481, № 5. - С. 490-493.
- Joun M., Eom J.G., Lee M.C. A new method for acquiring true stress-strain curves over a large range of strains using a tensile test and finite element method // Mechanics of Materials. -2009. - Vol. 40. - P. 586-593.
- Kamaya M., Kawakubo M. A procedure for determining the true stress-strain curve over a large range of strains using digital image correlation and finite element analysis // Mechanics of Materials. - 2011. - Vol. 43. - P. 243-253.
- Владимиров С.А., Трефилов С.И. Исследование процесса глубокого деформирования образцов с кольцевой выточкой при их растяжении // Космонавтика и ракетостроение. -2015. - № 3 (82). - С. 81-85.
- Development of a new method for strain field optimized material characterization [Электронный документ] / M. Benz, J. Irslinger, P. Du Bois, M. Feucht, M. Bischoff // 12th European LS-DYNA Conference 2019, Koblenz, Germany. - URL: www. dynalook.com/conferences/12th-european-ls-dyna-conference-2019/ material-characterization (дата обращения: 29.06.2022).
- Моделирование поведения упругопластических стержней при растяжении-кручении и построение их диаграмм деформирования до разрыва с учетом вида напряженно-деформированного состояния / В.Г. Баженов, Д.А. Казаков, Е.В. Нагорных, Д.Л. Осетров, А.А. Рябов // Доклады российской академии наук. Физика, технические науки. - 2021. - Т. 501. - C. 23-28.
- Баженов В.Г., Осетров С.Л., Осетров Д.Л. Анализ закономерностей растяжения упругопластических образцов и образования шейки с учетом краевых эффектов // Прикладная механика и техническая физика. - 2018. - Т. 59, № 4 (350). -С. 133-140.