Экспериментальное и теоретическое исследование больших деформаций цилиндрических образцов из стали 09Г2С с концентраторами напряжений при нагружении растяжением-кручением до разрушения
Автор: Баженов В.Г., Казаков Д.А., Нагорных Е.В., Осетров Д.Л., Рябов А.А.
Статья в выпуске: 4, 2018 года.
Бесплатный доступ
Представлены результаты экспериментального и численного анализа процессов упругопластического деформирования образцов c цилиндрической рабочей частью и образцов с концентратором напряжений из стали 09Г2С при монотонных кинематических нагружениях растяжением-кручением до разрушения с учетом больших деформаций и неоднородности напряженно-деформированного состояния (НДС). Полная система уравнений, описывающих обобщенные осесимметричные задачи кручения, записывается в цилиндрической системе координат. Кинематические соотношения формулируются в скоростях в метрике текущего состояния, что дает возможность описать большие формоизменения. Уравнение движения сплошной среды следует из уравнения баланса виртуальных мощностей. Поскольку рассматриваются процессы активного нагружения, близкие к пропорциональным, то упругопластические свойства материалов описываются теорией течения с нелинейным изотропным упрочнением. Система уравнений, дополненная кинематическими граничными и начальными условиями, решается методом конечных элементов в сочетании с явной схемой интегрирования типа «крест». На основе экспериментально-расчетного метода для оснащения модели пластичности материальными функциями построены истинные диаграммы деформирования при растяжении и кручении. Эти диаграммы существенно различаются при деформациях более 15%, что вызвано чувствительностью пластических свойств исследуемого материала к виду напряженного состояния. Для описания процессов растяжения-кручения введена зависимость диаграммы деформирования от вида напряженного состояния. Уточненная диаграмма деформирования является линейной комбинацией диаграмм растяжения и кручения, коэффициенты которой зависят от параметра вида напряженного состояния П, параметра трехосности напряжений x или параметра Надаи-Лоде по напряжениям cs. Наблюдается хорошее соответствие численных результатов с экспериментом по интегральным характеристикам (осевая сила от осевого перемещения и крутящий момент от угла закручивания). Выполнен анализ параметров НДС в шейке и круговом концентраторе. Оцениваются особенности взаимного влияния растяжения и кручения на процессы локализации деформаций и разрушения цилиндрических образцов и образцов с концентратором напряжений.
Большие деформации, концентратор напряжений, разрушение, пропорциональное кинематическое нагружение растяжением-кручением, истинная диаграмма деформирования, сложное напряженное состояние, параметр надаи-лоде по напряжениям, параметр вида напряженного состояния, параметр трехосности напряжений, численное моделирование, эксперимент
Короткий адрес: https://sciup.org/146281901
IDR: 146281901 | УДК: 539.3 | DOI: 10.15593/perm.mech/2018.4.06
The experimental and theoretical study of large deformations of cylindrical samples from steel 09G2S with stress concentrators under tension-torsion loading to failure
The paper presents the experimental and numerical results of elastoplastic deformation of specimens with a cylindrical working part and specimens with a stress concentrator made of 09G2C steel under monotonic kinematic tension-torsion loadings prior to failure, taking into account large deformations and inhomogeneity of the stress-strain state (SSS). A complete system of equations describing generalized axisymmetric torsion problems is written in a cylindrical coordinate system. Kinematic relations are formulated at speeds in the metric of the current state, which makes it possible to describe large deformations. The equation of motion of a continuous medium follows from the equation of the balance of virtual capacities. Since we consider active loading processes close to proportional ones, we describe the elastoplastic properties of materials by the flow theory with nonlinear isotropic hardening. The system of equations, supplemented by kinematic boundary and initial conditions, is solved by the finite element method in a combination with an explicit integration scheme of the "cross" type. On the basis of the experimental-calculation method, true deformation diagrams for tension and torsion were constructed to supplement the plasticity model with material functions. These diagrams differ significantly with deformations of more than 15 %, which is caused by the sensitivity of the plastic properties of the test material to the form of the stressed state. To describe the tension-torsion, the dependence of the deformation diagram on the form of the stressed state is introduced. The refined deformation diagram is a linear combination of tension and torsion diagrams, which coefficients depend on the parameter of the form of the stressed state, the parameter of the stress triaxiality or the Nadai-Lode stress parameter. There is a good correspondence of the numerical results with the experiment on the integral characteristics (axial force from axial displacement and torque from the twist angle). The analysis of the SSS parameters in the neck and circular concentrator is performed. The estimated the peculiarities of the mutual influence of tension and torsion on the localization of deformations and destruction of cylindrical samples and samples with a stress concentrator.
Список литературы Экспериментальное и теоретическое исследование больших деформаций цилиндрических образцов из стали 09Г2С с концентраторами напряжений при нагружении растяжением-кручением до разрушения
- Дегтярев В.П. Деформации и разрушение в высокона-пряженных конструкциях. - М.: Машиностроение, 1987. - 105 с.
- Зубчанинов В.Г. Механика сплошных деформируемых сред. - Тверь: Изд-во ТГТУ: ЧуДо, 2000. - 703 с.
- Малинин Н.Н. Прикладная теория пластичности и пол-зучести. - М.: Машиностроение, 1975. - 400 с.
- Механические свойства материалов при статическом нагружении трубчатых образцов в условиях плоского и объ-емного напряженных состояний / А.Ю. Кузькин, Д.В. Латышев, М.Ю. Петров, В.А. Попов // Науч.-техн. ведомости C.-Петерб. гос. политехн. ун-та. - 2014. - № 2 (195). - С. 162-173.
- Шлянников В.Н., Иштыряков И.С., Яруллин Р.Р. Ха-рактеристики деформирования сплава Д16Т при совместном нагружении растяжением, сжатием, кручением и внутренним давлением // Тр. Академэнерго. - 2014. - № 3. - С. 78-90.
