Оценка появления начальных разрушений от концентраторов напряжений в сварных соединениях и элементах конструкций

Введение. Данные о возникновении начальных разрушений, полученные испытаниями на стандартных образцах, не всегда можно экстраполировать на реальные сварные соединения и конструкции. Это обусловлено отличиями концентраторов в соединениях, т. к. после сварки возникает значительная структурно-механическая неоднородность зоны термического влияния и концентраторов напряжений. Протяженные, глубокие концентраторы рассматриваются как трещиноподобные дефекты, в вершинах которых образуется объемное, сложное напряженное состояние. Решается вопрос построения критических диаграмм начала возникновения предельного состояния в вершине концентратора, которое зависит от уровня внешней нагрузки и теоретического коэффициента концентрации.Материалы и методы. Для исследования напряженного состояния задействовали аналитические методы. Проанализирована литература по теме. Учтены особенности проверенных физических моделей и закономерности поведения материалов. Характеристики сплавов стали взяты из открытых источников и обобщены в виде таблицы. Нелинейные уравнения решались в прикладных программах Matlab. Построенные авторами диаграммы позволяют отследить корреляцию опасного уровня теоретического коэффициента концентрации напряжений и уровня внешней нагрузки. Для оформления графической части работы использовали Curve Fitting Toolbox Matlab.Результаты исследования. Дана характеристика разрушений от концентраторов напряжений в сварных соединениях. Наглядно показано развитие трещин в зоне сплавления. Указаны условия, стимулирующие и тормозящие разрушение. Определен теоретический коэффициент концентрации напряжений α𝑇. Показано, каким образом данный показатель зависит от ширины, высоты шва и от толщины свариваемой детали. Рассмотрены острые концентраторы напряжений с теоретическим коэффициентом концентрации αт= 5…14 и более. Для этого случая приводится аппроксимирующая формула, которая учитывает максимальное напряжение в концентраторе в первом полуцикле, исходную деформацию и коэффициент асимметрии цикла нагружения. Через эти элементы задается показатель повышения максимальных напряжений в зависимости от числа циклов нагружения. Аналитически показаны условие текучести, напряженное состояние и коэффициент перенапряжения, учитывающий повышение первого главного напряжения для сложного напряженного состояния. Описана модель критического состояния в вершине острого макроконцентратора напряжений. Она представлена как зависимость относительных напряжений зарождения разрушения σн𝑏𝑐/σ0,2 от концентратора. Проанализированы возможные вариации этой модели. Представлены зависимости относительных значений σ𝐻𝑏𝑐⁄σ0,2 от теоретического коэффициента концентрации α𝑇𝑏𝑐=α𝑇. Для проверки физической адекватности данной модели построены графики, которые отражают изменения относительного напряжения внешней нагрузки при критическом состоянии в вершине концентратора напряжений. Обоснована неизбежность бифуркации как результата исследуемых процессов. Указаны два направления дальнейшего развития событий: хрупкое разрушение и потеря устойчивости напряженного состояния с переходом к росту пластических деформаций. Момент бифуркации определен как критическое состояние в очаге концентратора.Обсуждение и заключения. Анализ и расчеты, выполненные в рамках представленной научной работы, позволили, в частности, сделать выводы о роли ключевых факторов исследуемых процессов. Установлено, например, что работа сплава стали при высоком теоретическом коэффициенте концентрации напряжений зависит от характеристик напряженного состояния. При жестком состоянии возможно сдерживание сдвиговой деформации и наступление предельного состояния при меньшем значении теоретического коэффициента концентрации напряжений. При обычной прочности стали (в сравнении с высокой) фиксируется большее влияние объемности напряженного состояния на значение теоретического коэффициента концентрации напряжений. Вероятность разрушения зависит от сопротивляемости материала росту макротрещины. В будущих изысканиях возможно уточнение аналитических моделей и результатов, оценка эффективных коэффициентов концентрации напряжений.