Оценка усталостной долговечности материалов и конструкций при малоцикловом нагружении
Автор: Волков Иван Андреевич, Игумнов Леонид Александрович, Тарасов Иван Сергеевич
Журнал: Вычислительная механика сплошных сред @journal-icmm
Статья в выпуске: 1 т.10, 2017 года.
Бесплатный доступ
Обсуждается проблема оценки прочности и ресурса ответственных инженерных объектов, эксплуатационные свойства которых характеризуются многопараметрическими нестационарными термомеханическими воздействиями. Рассмотрены основные деградационные механизмы конструкционных материалов (металлов и их сплавов), характерные для данных объектов. Сформулированы основные требования к математическим моделям накопления усталостных повреждений. Для оценки напряжённо-деформированного состояния (НДС) и усталостной долговечности ответственных инженерных объектов (ОИО) с современных позиций механики повреждённой среды (МПС) развита математическая модель, описывающая циклическое термопластическое деформирование и накопление усталостных повреждений в конструкционных сплавах при многоосных непропорциональных путях комбинированного термомеханического нагружения. Модель МПС состоит из трёх взаимосвязанных частей: определяющих соотношений термопластичности с учётом их вида в зависимости от процесса разрушения, эволюционных уравнений накопления усталостных повреждений и критерия прочности повреждённого материала. В целях качественной и количественной оценок определяющих соотношений МПС при малоцикловых режимах термоциклического нагружения проведено сравнение численных и экспериментальных результатов, полученных для усталостной долговечности компактного образца с выточками в условиях неодноосного напряжённого состояния при блочных режимах термоциклического нагружения, которое позволило сделать вывод о достоверности определяющих соотношений модели МПС при термической усталости. Подход же, основанный на правиле Пальмгрена-Майнера (правиле линейного суммирования повреждений), может привести при расчёте усталостной долговечности элементов конструкций как к консервативной, так и к неконсервативной оценке, что подтверждается экспериментальными и теоретическими исследованиями зарубежных и отечественных авторов. В работе представлены результаты численного моделирования усталостной долговечности компактного образца с затупленным вырезом при двух историях нагружения. Показано, что несколько циклов повышенного нагружения в начале истории деформирования служат причиной того, что правило линейного суммирования повреждений действительно дает ошибку как в консервативную, так и в неконсервативную сторону.
Моделирование, напряжённо-деформированное состояние, пластичность, малоцикловая усталость, механика повреждённой среды, накопление повреждений, прочность, долговечность, разрушение, ресурс
Короткий адрес: https://sciup.org/14320831
IDR: 14320831 | УДК: 539.3 | DOI: 10.7242/1999-6691/2017.10.1.2
Evaluating fatigue life of materials and structures under low-cycle loading
The problem of evaluating strength and fatigue life of critical engineering objects, the operational properties of which are characterized by multi-parametric nonstationary thermal-mechanical effects, is discussed. The main degradation mechanisms of structural materials (metals and their alloys) characteristic of such objects are considered. The main requirements for mathematical models of fatigue damage accumulation are formulated. To evaluate the stress-strained state (SSS) and fatigue life of critical engineering facilities (CEF) in the framework of modern achievements of mechanics of damaged media (MDM), a mathematical model is developed which describes the processes of cyclic thermal-plastic deformation and fatigue damage accumulation in structural alloys subject to multiaxial non-proportional paths of combined thermal-mechanical loading. The MDM model consists of three interconnected parts: thermal plasticity constitutive equations, accounting for their dependence on the failure process; an evolution equation of damage accumulation and a strength criterion of a damaged material. To qualitatively and quantitatively assess the constitutive relations of MDM for low-cycle modes of thermal-cyclic loading, the numerical and experimental results for the fatigue life of a notched compact sample in a non-uniaxial stress state under block modes of thermal-cyclic loading were compared, which supported the validity of the constitutive relations of the MDM model for thermal fatigue. An approach based on the Palmgren-Miner rule of linear summation of damage, when used for evaluating the fatigue life of structural elements, may result in both conservative and non-conservative estimates. This conclusion is confirmed by the experimental and theoretical studies of foreign and domestic authors. The results of numerical modeling of the fatigue durability of a compact specimen with an obtuse notch are presented for two loading histories. It is shown that several cycles of more intensive loading at the beginning of the strain history are the reason why the rule of linear summation of damage can overestimate or underestimate the value.
Список литературы Оценка усталостной долговечности материалов и конструкций при малоцикловом нагружении
- Митенков A.Ф., Кайдалов В.Б, Коротких Ю.Г. Методы обоснования ресурса ядерных энергетических установок. -М.: Машиностроение, 2007. -448 с.
- Митенков Ф.М., Коротких Ю.Г. К вопросу о создании эксплуатационного мониторинга ресурса оборудования и систем ядерных энергетических установок//Проблемы машиностроения и надежности машин. -2003. -№ 4. -С. 105-116.
- Волков И.А., Коротких Ю.Г. Уравнения состояния вязкоупругопластических сред с повреждениями. -М.: Физматлит, 2008. -424 с.
- Коллинз Дж. Повреждение материалов в конструкциях. Анализ, предсказание, предотвращение. -М.: Мир, 1984. -624 с.
- Ellyin F., Kujawski D. An energy-based fatigue failure criterion//Microstructure and mechanical behaviour of materials, EAMS/Ed. by G.U. Haicheng, H.E. Jiawen. -1986. -Vol. 2/2. -Р. 541-600.
- Трощенко В.Т. Деформирование и разрушение металлов при многоцикловом нагружении. -Киев: Наукова думка, 1981. -342 с.
- Пержина П. Моделирование закритического поведения и разрушения диссипативного твердого тела//Труды Амер. об-ва инж.-мех. Сер. Д. Теорет. основы инж. расчетов. -1984. -Т. 106, № 4. -С. 107-117.
- Бойл Дж., Спенс Дж. Анализ напряжений в конструкциях при ползучести. -М.: Мир, 1986. -360 с.
- Chaboche J.-L. Continuous damage mechanics -A tool to describe phenomena before crack initiation//Nucl. Eng. Des. -1981. -Vol. 64, no. 2. -Р. 233-247.
- Гаруд. Новый подход к расчету усталости при многоосных нагружениях//Труды Амер. об-ва инж.-мех. Сер. Д. Теорет. основы инж. расчетов. -1981. -Т. 103, № 2. -С. 41-51.
- Боднер, Линдхолм. Критерии приращения повреждений для зависящего от времени разрушения материалов//Труды Амер. об-ва инж.-мех. Сер. Д. Теорет. основы инж. расчетов. -1976. -Т. 96, № 2. -С. 51-53.
- Романов А.Н. Разрушение при малоцикловом нагружении. -М.: Наука, 1988. -279 с.
- Новожилов В.В. О пластическом разрыхлении//ПММ. -1965. -Т. 29, № 4. -С. 681-689.
- Леметр Ж. Континуальная модель повреждения, используемая для расчета разрушения пластичных материалов//Труды Амер. об-ва инж.-мех. Сер. Д. Теорет. основы инж. расчетов. -1985. -Т. 107, № 1. -С. 90-97.
- Соси Д. Модели разрушения при многоосной усталости//Труды Амер. об-ва инж.-мех. Сер. Д. Теорет. основы инж. расчетов. -1988. -Т. 110, № 9.-С. 9-21.
- Волков И.А., Коротких Ю.Г., Тарасов И.С. Моделирование сложного пластического деформирования и разрушения металлов при многоосном непропорциональном нагружении//ПМТФ. -2009. -Т. 50, № 5. -С. 193-205.
- Волков И.А., Коротких Ю.Г., Тарасов И.С. Численное моделирование накопления повреждений при сложном пластическом деформировании//Вычисл. мех. сплош. сред. -2009. -Т. 2, № 1. -С. 5-18.
- Волков И.А, Коротких Ю.Г. Моделирование процессов усталостной долговечности материалов и конструкций при малоцикловом нагружении//МТТ. -2014. -№ 3. -С. 66-78.
- Соболев Н.Д., Егоров В.И., Пирогов Е.Н. Изучение накопления повреждений в условиях неоднородного напряжённого состояния при термоусталостном нагружении//Прочность и деформация материалов в неравномерных физических полях/Под ред. Я.Б. Фридмана. -М.: Атомиздат, 1968. -Вып. II. -С. 26-33.
- Михеев М.А., Михеева И.М. Основы теплопередачи. -М.: Энергия, 1977. -344 с.
- Киселев Е.В., Кутьин В.Б., Матюхин В.И. Электрические печи сопротивления: Учеб. пособие. -Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2010. -79 с.
- Волков И.А., Игумнов Л.А., Шишулин Д.Н., Тарасов И.С., Гусева М.А. Оценка усталостной долговечности компактного образца с концентраторами при термоциклическом нагружении в условиях неоднородного напряжённого состояния//Проблемы прочности и пластичности. -2016. -Т. 78, № 3. -С. 333-349.
- Даулинг Н.Е. Расчет усталостной долговечности при сложных историях нагружения//Труды Амер. об-ва инж.-мех. Сер. Д. Теорет. основы инж. расчетов. -1983. -Т. 105, № 3. -С. 69-79.
- Волков И.А., Тарасов И.С., Фомин М.Н., Ереев М.Н. Численный анализ усталостной долговечности компактного образца с затуплённым вырезом при блочных режимах малоциклового нагружения//Вестник научно-технического развития. -2011. -№ 1(41). -С. 39-51.
