Метод реконструкции остаточных напряжений и пластических деформаций в тонкостенных трубопроводах в состоянии поставки и после двухстороннего виброударного поверхностного упрочнения дробью

Метод реконструкции остаточных напряжений и пластических деформаций в тонкостенных трубопроводах в состоянии поставки и после двухстороннего виброударного поверхностного упрочнения дробью

Автор: Радченко В.П., Павлов В.Ф., Бербасова Т.И., Саушкин М.Н.

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

Статья в выпуске: 2, 2020 года.

Бесплатный доступ

Предложен феноменологический метод реконструкции полей остаточных напряжений и пластических деформаций в тонкостенных цилиндрических трубках из стали Х18Н10Т в состоянии поставки и после одновременного двухстороннего поверхностного пластического упрочнения вибродробеструйной обработкой поверхности шариками на специальном вибростенде. К нему крепился цилиндрический контейнер, заполненный дробью диаметром 3 мм. Трубки заполнялись на 50 % объема шариками диаметром 1 мм и помещались внутрь контейнера. Оси трубки и контейнера совпадали. Пространство между трубкой и контейнером на 80 % было заполнено шариками. Частота колебаний стенда - 18,5 кГц, время упрочнения - 20 мин. Для обеспечения равномерного упрочнения трубка в контейнере вращалась. Методом колец и полосок с использованием процедуры послойного электрохимического травления упрочненных слоев определены экспериментальные значения остаточных напряжений σθ и σ z в приповерхностных слоях. Для этой цели использовались экспериментально измеряемые величины прогиба балки-полоски и угловое раскрытие разрезанного кольца (изменение диаметра). В математическую модель введен параметр анизотропии упрочнения, связывающий осевую и окружную компоненты пластической деформации. При решении поставленных задач используются гипотезы пластической несжимаемости материала, отсутствия вторичных пластических деформаций материала в области сжатия приповерхностного слоя, плоских сечений. Изложена методика решения данного типа краевых задач реконструкции напряженно-деформированного состояния, позволяющая определить недостающую компоненту σ r и все компоненты тензора остаточных пластических деформаций (недиагональные компоненты тензоров напряжений и деформаций не рассматривались). Методика реконструкции напряженно-деформированного состояния является универсальной, поскольку она показала свою работоспособность как при определении технологических полей остаточных напряжений и необратимых деформаций в образцах в состоянии поставки после механических операций, так и после двухстороннего поверхностного пластического деформирования. Выполнена проверка адекватности расчетных данных, полученных с использованием феноменологического метода реконструкции полей напряжений и деформаций, экспериментальных данных для образцов в состоянии поставки и после процедуры упрочнения. Наблюдается соответствие расчетных и экспериментальных данных. Приведены численные значения для параметра анизотропии, связывающего окружные и осевые необратимые деформации: для образцов в состоянии поставки его численное значение равно 0,1, а для упрочненных образцов - 4,2. Это свидетельствует о существенной анизотропии распределения осевых и окружных компонент тензора остаточных деформаций. Установлено, что в состоянии поставки в области, прилегающей к внутренней поверхности, наблюдаются сжимающие остаточные напряжения, а в слое на внешней поверхности - растягивающие напряжения. После упрочнения в обеих областях наблюдаются только сжимающие напряжения, по модулю существенно превосходящие аналогичные напряжения для образцов в состоянии поставки. Основные результаты работы иллюстрируются табличными данными и соответствующими эпюрами распределения остаточных напряжений по глубине упрочненного слоя.

Еще

Тонкостенные трубки, состояние поставки, двухстороннее упрочнение дробью, остаточные напряжения и деформации, экспериментальные исследования, феноменологическая модель

Короткий адрес: https://sciup.org/146281986

IDR: 146281986   |   DOI: 10.15593/perm.mech/2020.2.10

Список литературы Метод реконструкции остаточных напряжений и пластических деформаций в тонкостенных трубопроводах в состоянии поставки и после двухстороннего виброударного поверхностного упрочнения дробью

  • Орлов П.И. Основы конструирования. Справочно-методическое пособие. Книга 1 / под ред. П.Н. Учаева. – М.: Машиностроение, 1988. – 623 с.
  • Старцев Н.И. Трубопроводы газотурбинных двигателей. – М.: Машиностроение, 1976. – 271 с.
  • Сапожников В.М. Монтаж и испытания гидравлических и пневматических систем на летательных аппаратах. – М.: Машиностроение, 1972. – 271 с.
  • Dounde A.A., Seemikeri C.Y., Tanpure P.R. Study of shot peening process and their effect on surface properties: A Review // International Journal of Engineering, Business and Enterprise Ap-plications (IJEBEA). – 2015. – Vol. 2, no. 12. – P. 104–107.
  • Кузнецов Н.Д., Цейтлин В.И., Волков В.И. Технологические методы повышения надежности деталей машин. – М.: Машиностроение, 1993. – 304 с.
  • Simulation of shot dynamics for ultrasonic shot peening: Effects of process parameters / J. Badreddine, E. Rouhaud, M. Micoulaut, S. Remy // International Journal of Mechanical Sciences. – 2014. – Vol. 82. – P. 179–190. DOI: 10.1016/j.ijmecsci.2014.03.006
  • Liu Yu, Wang L., Wang D. Finite element modeling of ul-trasonic surface rolling process // Journal of Materials Processing Technology. – 2011. – Vol. 211, no. 12. – P. 2106–2113. DOI: 10.1016/j.jmatprotec.2011.07.009
  • Марков А.И. Ультразвуковая обработка материалов. – М.: Машиностроение, 1989. – 237 с.
  • Ультразвуковое поверхностное пластическое деформирование / В.Ф. Казанцев, Б.А. Кудряшов, Р.И. Нигметзянов, В.М. Приходько, Д.С. Фатюхин // Вестн. Харьк. нац. автодо-рож. ун-та. – 2009. – № 46. – С. 7–9.
  • Гребенников М.А., Заличихие С.Д., Стебельков И.А. Физика и технология упрочнения деталей в поле ультразвука // Вестник двигателестроения. – 2013. – № 1. – С. 72–74.
  • Александров М.К., Папшева Н.Д., Акушская О.Н. Ультразвуковое упрочнение деталей ГТД // Вестник Самар. гос. аэрокосм. ун-та. – 2011. – № 3(27). – С. 271–276.
  • Радченко В.П., Саушкин М.Н., Бочкова Т.И. Математическое моделирование формирования и релаксации остаточных напряжений в плоских образцах из сплава ЭП742 после ультразвукового упрочнения в условиях высо-котемпературной ползучести // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. – 2016. – № 1. – С. 93–112. DOI: 10.15593/perm.mech/2016.1.07
  • 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. – P. 1556–1560. DOI: 10.1016/j.matdes.2008.07.040
  • Sherafatnia K., Farrahi G.H., Mahmoudi A.H., Ghasemi A. Experimental measurement and analytical determination of shot peening residual stresses considering friction and real unloading behavior // Materials Science and Engineering: A. – 2016. – Vol. 657, no. 7. – P. 309–321. DOI: 10.1016/j.msea.2016.01.070
  • Davis J., Ramulu M. A study of the residual stress in-duced 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
  • Серебряков В.И. Формирование остаточных напря-жений при единичном ударе // Проблемы повышения качест-ва, надежности и долговечности деталей машин и инструмен-тов. – Брянск: Брян. ин-т транспортного машиностроения, 1992. – C. 68–72.
  • Плихунов В.В. Численное моделирование осесим-метричной задачи одиночного удара дробинки с учетом физи-ко-механических свойств поведения металлов // Авиационная промышленность. – 2008. – №4. – C. 24–28.
  • Simulation of shot peening: From process parameters to residual stress fields in a structure / D. Gallitelli, V. Boyer, M. Gelineau, Y. Colaitis, E. Rouhaud, D. Retraint, R. Kubler, M. Desvignes, L. Barrallier // 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 re-view on shot peening simulation // International Journal of Com-putational Materials Science and Surface Engineering. – 2010. – Vol. 3, no. 4. – P. 289–310. DOI: 10.1504/ijcmsse.2010.036218
  • Simulation of shot peening process / R. Purohit, C.S. Verma, R.S. Rana [et al.] // Material Today: Proceedings. – 2017. – Vol. 4, no. 2. Part A. – P. 1244–1251. DOI: 10.1016/j.matpr.2017.01.144
  • Numerical analysis and experimental validation on re-sidual 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
  • Robust methodology to simulate real shot peening pro-cess using discrete-continuum coupling method / M. Jebahi, A. Gakwaya, J. Lévesque [et al.] // Int. J. Mech. Sci. – 2016. – Vol. 107. – P. 21–33. DOI: 10.1016/j.ijmecsci.2016.01.005
  • Бойцов В.Б., Скрипкин Д.Э., Чернявский А.О. Расчетный анализ образования остаточных напряжений при виб-роупрочнении // Динамика, прочность и износостойкость машин. – Челябинск: ИПМ АНСССР, 1985. – № 5. – C. 69–72.
  • Копылов Ю.Р. Математическое моделирование процесса виброударного упрочнения деталей сложной формы // Упроч-няющие технологии и покрытия. – 2005. – № 11. – C. 3–8.
  • Лебедев В.А., Чумак И.В. Кинетическая модель уп-рочнения поверхностного слоя деталей виброударными мето-дами ППД // Упрочняющие технологии и покрытия. – 2008. – № 7. – C. 3–8.
  • Макаров В.Ф. Оценка напряженно-деформирован-ного состояния поверхностного слоя детали при ультразвуковой упрочняющей финишной обработке деталей ГТД // Уп-рочняющие технологии и покрытия. – 2008. – № 5. – C. 49–52.
  • Матлин М.М., Мосейко В.О., Мосейко В.В. Механи-ка силового контактного взаимодействия дроби с поверхно-стью упрочняемой детали // Упрочняющие технологии и покрытия. – 2006. – № 10. – C. 45–52.
  • Биргер И.А. Остаточные напряжения. – М.: Машгиз, 1963. – 232 с.
  • Павлов В.Ф., Кирпичев В.А., Вакулюк В.С. Прогнозирование сопротивления усталости поверхностно упрочнен-ных деталей по остаточным напряжениям / Самар. науч. центр РАН. – Самара, 2012. – 125 с.
  • Определение первоначальных деформаций в упрочненном слое цилиндрической детали методом конечно-элементного моделирования с использованием расчетного комплекса PATRAN/NASTRAN / В.П. Сазанов, В.А. Кирпи-чев, В.С. Вакулюк, В.Ф. Павлов // Вестник Уфимского госу-дарственного авиационного технического университета. – 2015. – Т. 19, № 2. – С. 35–40.
  • Математическое моделирование первоначальных деформаций в поверхностно упрочненных деталях при выборе образца-свидетеля / В.П. Сазанов, О.Ю. Семенова, В.А. Кир-пичев, В.С. Вакулюк // Вестник Уфимского государственного авиационного технического университета. – 2016. – Т. 20, № 3. – С. 31–37.
  • К вопросу о реконструкции остаточных напряжений и деформаций пластины после дробеструйной обработки / И.В. Виндокуров, А.В. Владыкин, И.Э. Келлер, Д.С. Петухов, В.В. Плюснин, В.Н. Трофимов // Вестн. Самар. гос. техн. ун-та. Серия: Физ.-мат. науки. – 2018. – Т. 22, № 3. – С. 40–64. DOI: 10.14498/vsgtu1602
  • Радченко В.П., Саушкин М.Н. Ползучесть и релаксация остаточных напряжений в упрочненных конструкциях. – М.: Машиностроение-1, 2005. – 226 с.
  • Радченко В.П., Павлов В.Ф., Саушкин М.Н. Иссле-дование влияния анизотропии поверхностного пластического упрочнения на распределение остаточных напряжений в по-лых и сплошных цилиндрических образцах // Вестник Перм-ского национального исследовательского политехнического университета. Механика. – 2015. – № 1. – С. 130–147. DOI: 10.15593/perm.mech/2015.1.09
  • Радченко В.П., Павлов В.Ф., Саушкин М.Н. Математическое моделирование напряженно-деформированного состояния в поверхностно упрочненных втулках с учетом остаточных касательных напряжений // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. – 2019. – № 1. – С. 138–150. DOI: 10.15593/perm.mech/2019.1.12
  • Радченко В.П., Саушкин М.Н. Феноменологический метод расчета остаточных напряжений и пластических деформаций в полом поверхностно упрочненном цилиндрическом образце // Прикладная математика и механика. – 2013. – Т. 77. – № 1. – С. 143–152.
  • Радченко В.П., Афанасьева О.С., Глебов В.Е. Исследование влияния остаточных напряжений на геометрические параметры поверхностно упрочненного бруса // Изв. Сарат. ун-та. нов. серия: Математика. Механика. Информатика. – 2019. – Т. 19, вып. 4. – С. 464–478. DOI: 10.18500/1816-9791-2019-19-4-464-478
  • Иванов С.И. Определение остаточных напряжений в поверхностном слое цилиндра // Вопросы прочности элементов авиационных конструкций: сб. науч. тр. – Куйбышев: Изд-во КуАИ, 1971. – Вып. 48. – С. 153–168.
  • Иванов С.И. К определению остаточных напряжений в цилиндре методом колец и полосок // Остаточные напряжения: сб. науч. тр. – Куйбышев: Изд-во КуАИ, 1971. – Вып. 53. – С. 32–42.
Еще
Статья научная
QR-код для установки приложения SciUp Наведите камеру и скачайте бесплатное приложение SciUp