Малоцикловая усталость образцов бронзового сплава с кольцевой выточкой

Автор: Абашев Д.Р.

Журнал: Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика @vestnik-pnrpu-mechanics

Статья в выпуске: 3, 2022 года.

Бесплатный доступ

Приводятся результаты экспериментов по циклическому нагружению образцов с кольцевой V-образной выточкой и их математического моделирования. Испытания проведены на образцах сплава БрХ08-Ш при циклическом изменении растягивающей нагрузки от 0 до заданного значения. При таком нагружении материал в области выточки подвергается циклическому упругопластическому деформированию, что приводит к разрушению вследствие малоцикловой усталости. При проведении испытаний образцов методом корреляции цифровых изображений проведен замер деформации материала на поверхности выточки, что позволило определить характер изменения её размаха от цикла к циклу. Математическое моделирование экспериментов проведено по методу конечных элементов. Для этого в программный комплекс SIMULIA Abaqus внедрены модели пластического деформирования и накопления повреждений материала. Модель пластичности основана на теории течения при комбинированном упрочнении. Модель накопления повреждений основана на энергетическом критерии усталости. В статье приведены основные уравнения используемых для расчета моделей. Параметры материала определены и верифицированы по результатам базового эксперимента по циклическому растяжению-сжатию гладкого цилиндрического образца при несимметричном жестком нагружении. По результатам расчета построены картограммы напряжений, деформаций и накопленных повреждений. Показано, что при разгрузке образца в области концентрации напряжений, близкой к кольцевой выточке, возникают сжимающие напряжения, значения которых близки к значениям растягивающих напряжений в момент приложения максимальной нагрузки. Результаты математического моделирования сопоставлены с экспериментом. Сравнение результатов проведено по размаху осевой деформации материала на поверхности выточки и количеству циклов до разрушения.

Еще

Малоцикловая усталость, теория пластичности, метод конечных элементов, корреляция цифровых изображений, накопление повреждений, концентрация напряжений, энергетический критерий усталости

Короткий адрес: https://sciup.org/146282548

IDR: 146282548 | DOI: 10.15593/perm.mech/2022.3.04

Список литературы Малоцикловая усталость образцов бронзового сплава с кольцевой выточкой

Новожилов В.В., Кадашевич Ю.И. Микронапряжения в конструкционных материалах. – Л.: Машиностроение, 1990. – 224 с.
Bondar V.S. Inelasticity. Variants of the theory.  New York: Begell House, 2013.  194 p.
Abashev D.R., Bondar V.S. Modified Theory of Plasticity for Monotonic and Cyclic Deformation Processes // Mechanics of Solids. – 2021. – Vol. 56, no. 1. – P. 4–12. DOI: 10.3103/S0025654421010027
Bondar V.S., Abashev D.R., Fomin D.Y. Theories of Plasticity under Complex Loading along Flat Trajectories of Deformations // PNRPU Mechanics Bulletin. – 2021. – № 3. – С. 35–46. DOI: 10.15593/perm.mech/2021.3.04
Bondar V.S., Abashev D.R. Construction of the Theory of Plasticity Irrelative of the Loading Surface and Associated Flow Law // Strength of Materials. – 2021. – Vol. 53, no. 4. – P. 550–558. DOI: 10.1007/S11223-021-00316-9
Abashev D., Bondar V. Refinement of plasticity theory for modeling monotonic and cyclic loading processes // Journal of Mechanics of Materials and Structures. – 2020. – Vol. 15, no. 2. – P. 225–239, DOI: dx.doi.org/10.2140/jomms.2020.15.225.
Волков И.А., Коротких Ю.Г. Уравнения состояния вязкоупругопластических сред с повреждениями. – М.: Физматлит, 2008. – 424 с.
Оценка ресурсных характеристик поликристаллических конструкционных сплавов при циклическом термомеханическом нагружении / И.А. Волков, Л.А. Игумнов, Д.Н. Шишулин, А.А. Белов // Проблемы прочности и пластичности. – 2021. – Т. 83, № 4. – С. 481–504. DOI: 10.32326/1814-9146-2021-83-4-481-504
A continual model of a damaged medium used for analyzing fatigue life of polycrystalline structural alloys under thermalmechanical loading / I.A. Volkov, L.A. Igumnov, F. dell’Isola, S.Yu. Litvinchuk, V.A. Eremeyev // Continuum Mech. Thermodyn. – 2020. – Vol 32. – P. 229–245. DOI: https://doi.org/10.1007/s00161-019-00795-x
Капустин С.А., Чурилов Ю.А., Горохов В.А. Моделирование нелинейного деформирования и разрушения конструкций в условиях многофакторных воздействий на основе МКЭ. – Н. Новгород: Изд-во ННГУ, 2015. – 347 с.
Темис Ю.М., Худякова А.Д. Модель неизотермического упругопластического деформирования конструкционных материалов при сложном нагружении // Математическое моделирование и численные методы. – 2017. – № 3, № 3. – С. 22–41, DOI: https://doi.org/10.18698/2309-3684-2017-3-2035
Прикладная теория пластичности / Ф.М. Митенков [и др.]. – М.: ФИЗМАТЛИТ, 2015. – 284 с.
Нелинейная механика материалов / Ж. Бессон [и др.].  СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2010.  397 с.
Chaboche J.-L. A review of some plasticity and viscoplasticity constitutive theories // Int. J. of Plasticity. – 2008. – Vol. 24. – P. 1642–1692. DOI: https://doi.org/10/1016/j.ijplas.2008.03.009.
Chaboche J.-L., Kanouté P., Azzouz F. Cyclic inelastic constitutive equations and their impact on the fatigue life predictions // Int. J. Plast. – 2012. – Vol. 35. – Р. 44–66.
Abdel-Karim M. Modified kinematic hardening rules for simulations of ratcheting // Int. J. of Plasticity. – 2009. − Vol. 25. – P. 1560–1587. DOI: 10.1016/j.ijplas.2008.10.004.
Armstrong P.J., Frederick C.O. A mathematical representation of the multiaxial Bauscinger effect // CEGB Report. – 1966. – No. RD/B/N/ 731.
Ohno N., Wang J.-D. Kinematic hardening rules with critical state of dynamic recovery, part 1: formulations and basic features for ratcheting behavior // International Journal of Plasticity. – 1993. − Vol. 9. − P. 375–390.
Kacem Sai, Cailletaud G. Multi-mechanism models for the description of ratcheting: effect of the scale transition rule and the coupling between hardening variables // International Journal of Plasticity, Elsevier. – 2007. – 23. – P. 1589–1617. DOI: 10.1016/j.ijplas.2007.01.011
Veronique Aubin, Quaegebeur P., Degallaix S. Load History in Fatigue: Effect of Strain Amplitude and Loading Path // Journal of ASTM International. – 2004. – Vol. 1, № 10. DOI: 10.1520/JAI19066
Zhu Y., Kang G., Yu C. A finite cyclic elastoplastic constitutive model to improve the description of cyclic stress-strain hysteresis loops // Int. J. Plast. – 2017. – Vol. 95. – Р. 191–215, DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijplas.2017.04.009.
Hassan T., Taleb L., Krishna S. Influence of nonproportional loading on ratcheting responses and simulations by two recent cyclic plasticity models // Int. J. Plasticity.  2008. − Vol. 24. − P. 1863–1889. DOI: 10.1016/j.ijplas.2008.04.008.
Taleb L. About the cyclic accumulation of the inelastic strain observed in metals subjected to cyclic stress control // Int. J. Plasticity.  2013. − Vol. 43. − P. 1–19. DOI: 10.1016/j.ijplas.2012.10.009.
Taleb L., Cailletaud G., Saï K. Experimental and numerical analysis about the cyclic behavior of the 304L and 316L stainless steels at 350 °C // Int. J. Plasticity.  2014. − Vol. 61. − P. 32–48. DOI: 10.1016/j.ijplas.2014.05.006.
On the applicability of multi-surface, two-surface and non-linear kinematic hardening models in multiaxial fatigue / M.A. Meggiolaro [et al.] // Frattura ed Integrità Strutturale. – 2015. – Vol. 33. – Р. 357–367; DOI: 10.3221/IGF-ESIS.33.39
Influence of mean stress and stress amplitude on uniaxial and biaxial ratcheting of ST52 steel and its prediction by the AbdelKarim–Ohno model / R. Halama [et al.] // International Journal of Fatigue. – 2016. – Vol. 91–2. – P. 313–321. DOI: http: //dx.doi.org/10.1016/j.ijfatigue.2016.04.033
Mróz Z., Maciejewski J. Constitutive modeling of cyclic deformation of metals // Acta Mechanica. – 2018. – Vol. 229. – P. 475–496. DOI: 10.1007/s00707-017-1982-5.
Dao-Hang Li, De-Guang Shang. Thermo-mechanical fatigue damage behavior for Ni-based superalloy under multiaxial loading // MATEC Web of Conferences. – 2018. – Р. 165. DOI: https://doi.org/10.1051/matecconf/201816519002.
Multi-Axial Fatigue-Life Prediction via a Strain-Energy Method / Onome Scott-Emuakpor, Tommy George, Charles Cross and M.-H. Herman Shen // AIAA JOURNAL. – 2010. – Vol. 48, No. 1. DOI: 10.2514/1.39296
Simulation of the Fatigue Behaviour of a Power Plant Steel with a Damage Variable / Jiawa Lu, Wei Sun, Adib Becker, Abdullah Aziz Saad // International Journal of Mechanical Sciences. – 2015. – Vol. 100. – P. 145–157. DOI: https://doi.org/10.1016/j.imercsci.2015.06.019
A computational approach for the lifetime prediction of cardiovascular balloon-expandable stents. InternationalJournal of Fatigue / Ferdinando Auricchio, Andrei Constantinescu, Michele Conti, Giulia Scalet // Elsevier. – 2015. – Vol. 75. – P. 69–79. 10.1016/j.ijfatigue.2015.02.002.
Benhaddou M., Abbadi M., Ghammouri M. Low Cycle Fatigue Study of AISI 316L Cardiovascular Stent for Two Different Designs // Journal of Biomimetics, Biomaterials and Biomedical Engineering, Trans Tech Publications. – 2018. – Vol. 37. – P. 55–73. DOI: 10.4028/www.scientific.net/JBBBE.37.55.
Creep-fatigue endurance of a superheater tube plate under nonisothermal loading and multidwell condition / Nak-Kyun Cho, Run-Zi Wang, Zhiyuan Ma, Haofeng Chen, Fu-Zhen Xuan // International Journal of Mechanical Sciences, Elsevier. – 2019. – Vol. 161–162. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijmecsci.2019.105048.
Махутов Н.А. Деформационные критерии разрушения и расчет элементов конструкций на прочность. – М.: Машиностроение, 1981. – 272 с.
Москвитин В.В. Пластичность при переменных нагружениях. – М.: Изд-во Моск. УН-та, 1965. – 263 с.
Гусенков А.П. Прочность при изотермическом и неизотермическом малоцикловом нагружении. – М.: Наука, 1979. – 296 с.
Измерение деформации тонкого паянного шва с помощью средств обработки изображений пакета LabView и бесконтактной измерительной системы Vic-2D / Д.Р. Абашев, В.Э. Апетьян, В.М. Астрединов, С.А. Владимиров, С.И. Трефилов // Космонавтика и ракетостроение. 2013. – № 72. – С. 101–106.
Абашев Д.Р. Метод определения материальных функций модели пластичности // Космонавтика и ракетостроение. 2020. – № 117. – С. 66–79.

Еще

Статья научная