Математическое моделирование релаксации остаточных напряжений в тонкостенных трубопроводах в состоянии поставки и после двухстороннего поверхностного упрочнения при ползучести
Автор: Радченко В.П., Бербасова Т.И., Цветков В.В., Саушкин М.Н.
Статья в выпуске: 3, 2021 года.
Бесплатный доступ
Разработана математическая модель реконструкции полей остаточных напряжений и пластических деформаций в тонкостенных цилиндрических трубках в состоянии поставки и после двухстороннего поверхностного пластического упрочнения, включающая методику идентификации параметров модели на примере тонкостенных трубок мм из стали Х18Н10Т на основе экспериментальных данных для осевой и окружной компонент тензора остаточных напряжений для образцов в состоянии поставки и после двухстороннего механического ультразвукового упрочнения. Выполнена проверка адекватности математической модели реконструкции остаточных напряжений в тонкостенных трубках из стали Х18Н10Т экспериментальным данным в состоянии поставки и после двухстороннего поверхностного пластического упрочнения с учетом анизотропии распределения пластической деформации после упрочнения в осевом и окружном направлениях. Разработана методика расчета двухсторонней релаксации остаточных напряжений на внешней и внутренней поверхностях тонкостенных трубок в условиях ползучести на основе обобщения соответствующей методики при одностороннем упрочнении. Исследован процесс релаксации в тонкостенных трубках из стали 08Х18Н9 (ранний аналог стали Х18Н10Т) в условиях термоэкспозиции, осевого растяжения, внутреннего давления и совместного действия осевого растяжения и внутреннего давления при температуре 600 °С на основе построенной феноменологической теории ползучести для этой стали. Выполнен детальный анализ кинетики полей остаточных напряжений при ползучести в тонкостенных образцах в состоянии поставки и после двухстороннего упрочнения в различные моменты времени. Показано, что в этих условиях происходит практически полная релаксация остаточных технологических напряжений как в образцах в состоянии поставки, так и после двухстороннего поверхностного пластического деформирования в течение 50 часов.
Тонкостенные цилиндрические трубки, состояние поставки, двухстороннее поверхностное упрочнение, остаточные напряжения, ползучесть, релаксация
Короткий адрес: https://sciup.org/146282356
IDR: 146282356 | УДК: 539.376:621.787 | DOI: 10.15593/perm.mech/2021.3.11
Mathematical modeling of relaxation of residual stresses in thin-walled pipelines in the delivery state and after bilateral surface hardening at creep
A mathematical model of reconstruction of the fields of residual stresses and plastic deformations in thin-walled cylindrical tubes in the delivery state and after bilateral surface plastic hardening was developed. It included a method for identification of the model parameters using the example of thin-walled mm tubes made of X18N10T steel based on experimental data for the axial and circumferential components of the residual stress tensor for samples in the delivery state and after bilateral mechanical ultrasonic hardening. The adequacy of the mathematical model for the reconstruction of residual stresses in the thin-walled tubes made of X18N10T steel was verified by the experimental data in the state of delivery and after bilateral surface plastic hardening, taking into account the anisotropy of the distribution of plastic deformation after hardening in the axial and circumferential directions. A method for calculating the two-way relaxation of residual stresses on the outer and inner surfaces of thin-walled tubes under creep conditions was developed based on the generalization of the corresponding method for unilateral hardening. The relaxation process in the thin-walled tubes made of 08X18N9 steel (an early analogue of X18N10T steel) under conditions of thermal exposure, axial tension, internal pressure and the combined action of axial tension and internal pressure was investigated on the basis of the constructed phenomenological creep theory for this steel. A detailed analysis of the kinetics of the fields of residual stresses during creep in the thin-walled samples in the delivery state and after bilateral hardening at different times was performed. It is shown that under these conditions, almost a complete relaxation of residual technological stresses occurs both in the samples in the delivery state and after bilateral surface plastic deformation within 50 hours.
Список литературы Математическое моделирование релаксации остаточных напряжений в тонкостенных трубопроводах в состоянии поставки и после двухстороннего поверхностного упрочнения при ползучести
- Биргер И.А. Остаточные напряжения. - М.: Машиностроение, 1963.
- Сулима А.М., Шулов В.А., Ягодкин Ю.Д. Поверхностный слой и эксплуатационные свойства деталей машин. - М.: Машиностроение, 1988.
- Кудрявцев И.В. Поверхностный наклеп для повышения прочности и долговечности деталей машин поверхностным пластическим деформированием. - М.: Машиностроение, 1969.
- Soady K.A. Life assessment methodologies incoroporating shot peening process effects: mechanistic consideration of residual stresses and strain hardening. Part 1 - effect of shot peening on fatigue resistance // Mater. Sci. Technol. - 2013. - Vol. 29, no. 6. - P. 637-651. doi: 10.1179/1743284713Y.0000000222
- Terres M.A., Laalai N., Sidhom H. Effect of nitriding and shot-peening on the fatigue behavior of 42CrMo4 steel: Experimental analysis and predictive approach // Mater. Design. - 2012. - Vol. 35. - P. 741-748. doi: 10.1016/j.matdes.2011.09.055
- Павлов В.Ф., Кирпичев В.А., Вакулюк В.С. Прогнозирование сопротивления усталости поверхностно упрочненных деталей по остаточным напряжениям / Самар. науч. центр РАН. - Самара, 2012.
- Павлов В.Ф., Букатый А.С., Семенова О.Ю. Прогнозирование предела выносливости поверхностно упрочненных деталей с концентраторами напряжений // Вестник машиностроения. - 2019. - № 1. - С. 3-7.
- Majzoobi G.H., Azadikhah K., Nemati J. The e ects of deep rolling and shot peening on fretting fatigue resistance of Aluminum-7075-T6 // Materials Science and Engineering A. - 2009. - Vol. 516, no. 1-2. - P. 235-247. doi: 10.1016/j.msea.2009.03.020
- McClung R.C. A literature survey on the stability and significance of residual stresses during fatigue // Fatigue & Fracture of Engineering Materials & Structures. - 2007. - Vol. 30, no. 3. - P. 173-205. doi: 10.1111/j.1460-2695.2007.01102.x
- Старцев Н.И. Трубопроводы газотурбинных двигателей. - М.: Машиностроение, 1976.
- Сапожников В.М. Монтаж и испытания гидравлических и пневматических систем на летательных аппаратах. - М.: Машиностроение, 1972.
- Радченко В.П., Саушкин М.Н. Ползучесть и релаксация остаточных напряжений в упрочненных конструкциях. - М.: Машиностроение-1, 2005.
- Радченко В.П., Саушкин М.Н. Прямой метод решения краевой задачи релаксации остаточных напряжений в упрочненном изделии цилиндрической формы при ползучести // ПМТФ. - 2009. - Т. 50, № 6. - С. 90-99.
- Экспериментальное и теоретическое исследование влияния растягивающей нагрузки на релаксацию остаточных напряжений в упрочненном цилиндрическом образце в условиях ползучести / В.П. Радченко, Е.П. Кочеров, М.Н. Саушкин, В.А. Смыслов // ПМТФ. - 2015. - Т. 56, № 1. - С. 169-177.
- Радченко В.П., Павлов В.Ф., Саушкин М.Н. Математическое моделирование напряженно-деформированного состояния в поверхностно упрочненных втулках с учетом остаточных касательных напряжений // Вестник ПНИПУ. Механика. - 2019. - № 1. - С. 138-150. doi: 10.15593/perm.mech/2019.1.1
- Радченко В.П., Цветков В.В., Саушкин М.Н. Релаксация остаточных напряжений в упрочненном цилиндре в условиях ползучести при нагружении осевой силой, крутящим моментом и внутренним давлением // ПМТФ. - 2020. - Т. 61, № 4. - С. 96-107.
- Radchenko V.P., Tsvetkov V.V., Derevyanka E.E. Relaxation of residual stresses in a surface-hardened cylinder under creep conditions and rigid restrictions on linear and angular deformations // Mechanics of Solids. - 2020. - Vol. 55, no. 6. - P. 898-906. doi: 10.3103/S0025654420660024
- Analytical modeling for residual stresses produced by shot peening / A.S. Franchim, V.S. de Campos, D.N. Travessa, C. de Moura Neto // Materials and Design. - 2009. - Vol. 30, no. 5. - Р. 1556-1560. doi: 10.1016/j.matdes.2008.07.040
- Experimental measurement and analytical determination of shot peening residual stresses considering friction and real unloading behavior / K. Sherafatnia, G.H. Farrahi, A.H. Mahmoudi, A. Ghasemi // Materials Science and Engineering: A. - 2016. - Vol. 657. - P. 309-321. doi: 10.1016/j.msea.2016.01.070
- Davis J., Ramulu M. A study of the residual stress induced by shot peening for an isotropic material based on Prager’s yield criterion for combined stresses // Meccanica. - 2015. - Vol. 50. no. 6. - P. 1593-1604. doi: 10.1007/s11012-015-0109-0
- Numerical analysis and experimental validation on residual stress distribution of titanium matrix composite after shot peening treatment / L. Xie, Ch. Wang, L. Wang [et al.] // Mech. Mat. - 2016. - Vol. 99. - P. 2-8. doi: 10.1016/j.mechmat.2016.05.005
- Simulation of shot peening: From process parameters to residual stress fields in a structure / D. Gallitelli, V. Boyer, M. Gelineau [et al.] // Comptes Rendus Mechanique. - 2016. - Vol. 344, no. 4-5. - P. 355-374. doi: 10.1016/j.crme.2016.02.006
- Zimmermann M., Klemenz M., Schulze V. Literature review on shot peening simulation // International Journal of Computational Materials Science and Surface Engineering. - 2010. - Vol. 3, no. 4. - P. 289-310. doi: 10.1504/ijcmsse.2010.036218
- Лебедев В.А., Чумак И.В. Кинетическая модель упрочнения поверхностного слоя деталей виброударными методами ППД // Упрочняющие технологии и покрытия. - 2008. - № 7. - С. 3-8.
- Матлин М.М., Мосейко В.О., Мосейко В.В. Механика силового контактного взаимодействия дроби с поверхностью упрочняемой детали // Упрочняющие технологии и покрытия. - 2006. - № 10. - С. 45-52.
- Juk T.S., Venter A.M., Korsunsky A.M. Inverse eigenstrain analysis of the effect of non-uniform sample shape on the residual stresses due to shot peening // Experimental Mechanics. - 2011. - Vol. 51. - P. 165-174. doi: 10.1007/s11340-010-9346-2
- Korsunsky A.M. A teaching essay on residual stresses and eigenstrains. - Butterworth-Heinemann, 2017.
- Korsunsky A.M. The modelling of residual stresses due to surface peening using eigenstrain distributions // J. Strain Analysis. - 2005. - Vol. 40, no. 8. - P. 817-824. doi: 10.1243/030932405x30984
- Метод реконструкции остаточных напряжений и пластических деформаций в тонкостенных трубопроводах в состоянии поставки и после двухстороннего виброударного поверхностного упрочнения дробью / В.П. Радченко, В.Ф. Павлов, Т.И. Бербасова, М.Н. Саушкин // Вестник ПНИПУ. Механика. 2020. № 2. С. 123-133. doi: 10.15593/perm.mech/2020.2.10
- Локощенко А.М. Ползучесть и длительная прочность металлов. - М.: Физматлит, 2016.
- Можаровская Т.Н., Можаровский В.Н., Штефан Н.И. О зависимости времени до разрушения и установившейся скорости деформаций ползучести конструкционных материалов // Вiсник НТУУ «КПI». Сер. Машинообудування. - 2010. - № 59. - С. 37-40.
- Радченко В.П., Еремин Ю.А. Реологическое деформирование и разрушение материалов и элементов конструкций. - М.: Машиностроение-1, 2004.
- Самарин Ю.П. Уравнения состояния материалов со сложными реологическими свойствами / Куйбышевский госуниверситет. - Куйбышев, 1979.
