Упругопластическое поведение и разрушение конструкций с концентраторами напряжений при циклических нагружениях

Упругопластическое поведение и разрушение конструкций с концентраторами напряжений при циклических нагружениях

Автор: Бондарь В.С., Абашев Д.Р., Фомин Д.Ю.

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

Статья в выпуске: 4, 2023 года.

Бесплатный доступ

Приведены результаты экспериментально-теоретических исследований конструкций с концентраторами напряжений при циклических нагружениях. Исследования осуществлены на цилиндрических образцах с кольцевой выточкой при мягком циклическом нагружении. Материал образцов - бронзовый сплав БрХ08-Ш. При проведении испытаний образцов методом корреляции цифровых изображений проводится замер деформации материала на поверхности выточки, что позволяет определить характер изменения ее размаха от цикла к циклу. Для математического моделирования упругопластического поведения и разрушения конструкций с концентраторами напряжений используется вариант теории пластичности, основанный на теории течения при комбинированном упрочнении. В выбранной модели пластичности введена поверхность памяти, разделяющая процессы монотонного и циклического нагружения. Такое разделение позволяет учитывать различные особенности изотропного и анизотропного упрочнения материала. Анизотропное упрочнение представляется в виде суммы микронапряжений трех различных типов, позволяющих описывать эффекты посадки и вышагивания петли упругопластического гистерезиса. Модель пластичности позволяет проводить оценку поврежденного состояния материала на основе кинетического уравнения накопления повреждений, базирующегося на энергетическом принципе (работа микронапряжений на поле пластических деформаций). Модель поведения материала внедрена в конечно-элементный программный комплекс. По результатам расчетов построены картограммы накопленной пластической деформации и интенсивности напряжений. Проведено сравнение результатов расчетов и экспериментов по размаху осевой деформации, средней осевой деформации на поверхности выточки и числу циклов до разрушения. Получено, что в конструкции с выточкой радиусом 0,25 мм в зоне концентрации реализуется жесткое нагружение, а с радиусом 1 мм в зоне концентрации реализуется мягкое несимметричное нагружение с односторонним накоплением деформации (вышагиванием). Наблюдается снижение долговечности с уменьшением концентрации напряжений за счет различного характера изменения напряженно-деформированного состояния.

Еще

Математическое моделирование, упругопластическое поведение, разрушение конструкций, концентратор напряжений, циклическое нагружение, теория пластичности, накопление повреждений

Короткий адрес: https://sciup.org/146282734

IDR: 146282734   |   DOI: 10.15593/perm.mech/2023.4.03

Список литературы Упругопластическое поведение и разрушение конструкций с концентраторами напряжений при циклических нагружениях

  • Ильюшин А.А. Пластичность. Основы общей математической теории. – М.: Изд-во АН СССР, 1963. – 271 с.
  • Ильюшин А.А. Механика сплошной среды. – М.: Изд-во МГУ, 1990. – 310 с.
  • Новожилов В.В., Кадашевич Ю.И. Микронапряжения в конструкционных материалах. – Л.: Машиностроение, 1990. – 224 с.
  • Термопрочность деталей машин: справочник / под ред. И.А. Биргера, Б.Ф. Шорра.  М.: Машиностроение, 1975. 455 с.
  • Малинин Н.Н. Прикладная теория пластичности и ползучести. – М.: Машиностроение, 1975. – 400 с.
  • Bondar V.S. Inelasticity. Variants of the theory.  New York: Begell House, 2013.  194 p.
  • Бондарь В.С., Абашев Д.Р., Фомин Д.Ю. Теории пластичности при сложном нагружении по плоским траекториям деформаций // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. – 2021. – № 3. – С. 35–46. DOI: 10.15593/perm.mech/2021.3.04
  • Бондарь В.С., Абашев Д.Р., Петров В.К. Сравнительный анализ вариантов теорий пластичности при циклических нагружениях // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. – 2017. – № 2. – С. 23–44. DOI: 10.15593/perm.mech/2017.2.02
  • 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.
  • Прикладная теория пластичности / Ф.М. Митенков, И.А. Волков, Л.А. Игумнов, А.В. Каплиенко, Ю.Г. Коротких,В.А. Панов. – М.: ФИЗМАТЛИТ, 2015. – 282 с.
  • Волков И.А., Игумнов Л.А., Коротких Ю.Г. Прикладная теория вязкопластичности: монография. – Н. Новгород: Изд-во Нижегородского гос. университета, 2015. – 317 с.
  • Волков И.А., Игумнов Л.А. Введение в континуальную механику поврежденной среды. – М.: ФИЗМАТЛИТ, 2017. – 299 с.
  • 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. – С. 22–41. DOI: 10.18698/2309-3684-2017-3-2035
  • Темис Ю.М. Моделирование пластичности и ползучести конструкционных материалов ГТД // Материалы 49-й Международной научно-технической конференции ААИ «Приоритеты развития отечественного автотракторостроения и подготовки инженерных научных кадров». Школа-семинар «Современные модели термовязкопластичности». – М.: МАМИ, 2005. – Ч. 2. – С. 25–76.
  • Нелинейная механика материалов / Ж. Бессон [и др.]. СПб.: Изд-во СПб. 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: 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. – P. 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 No. RD/B/N/ 731. – 1966.
  • 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.
  • Ohno N. A constitutive model of cyclic plasticity with a nonhardening strain region // J. Appl. Mech. – 1982. – Vol. 49. – Р. 721–727.
  • Ohno N. Recent topics in constitutive modeling of cyclic and viscoplasticity // Appl. Mech. rev. – 1990. – Vol. 43. – Р. 283.
  • Ohno N., Wang J.D. Transformation of a nonlinear kinematics hardening rulle to a multisurface form under isothermal and nonisothermal conditions // Int. Journal of Plasticity. – 1991. – Vol. 7. – Р. 879–891.
  • 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. – Р. 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. – Р. 32–48. DOI: 10.1016/j.ijplas.2014.05.006
  • Соси Д. Модели разрушения при многоосной усталости // Теоретические основы инженерных расчетов. – 1988. – Т. 3. – С. 9–21.
  • Kang G., Gao Q., Yang X. Experimental study on the cyclic deformation and plastic flow of U71Mn rail steel // Int. J. Mech. Sci. – 2002. – Vol. 44. – P. 1647–1663.
  • Constitutive modeling of cyclic plasticity deformation and low-high-cycle fatigue of stainless steel 304 in uniaxial stress state / V.S. Bondar, V.V. Dansin, D.Vu. Long, Nguyen Dinh Dut // Mechanics of advanced materials and structures. – 2018. – Vol. 25, no. 12. – P. 1009–1017. DOI: 10.1080/15376494.2017.1342882
  • Гусенков А.П. Прочность при изотермическом и неизотермическом малоцикловом нагружении. – М.: Наука, 1979. – 295 с.
  • Гусенков А.П., Котов П.И. Малоцикловая усталость при неизотермическом нагружении. – М.: Машиностроение, 1983. – 240 с.
  • Абашев Д.Р. Метод определения материальных функций модели пластичности // Космонавтика и ракетостроение. – 2020. – № 117. – С. 66–79.
  • 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. Малоцикловая усталость образцов бронзового сплава с кольцевой выточкой // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. – 2022 – № 3. – С. 32–41. DOI: 10.15593/perm.mech/2022.3.04
  • Бондарь В.С. Решение нелинейной задачи пластического деформирования оболочек вращения: дис. … канд. физ.-мат. наук – М.: Изд-во МФТИ, 1975. – 86 с.
  • Хейслер, Стриклин, Стэббинс. Разработка и оценка методов решения геометрически нелинейных задач строительной механики // Ракетная техника и космонавтика. – 1972. – Т. 10. – № 3.
  • Стриклин, Хейслер, Риземанн. Оценка методов решения задач строительной механики, нелинейность которых связана со свойствами материала и (или) геометрией // Ракетная техника и космонавтика. – 1973. – Т. 11, № 3.
  • Демьянушко И.В., Темис Ю.М. Повторное неизотермическое упругопластическое деформирование при изгибе и растяжении пологих оболочек вращения // Труды Х Всесоюзной конференции по теории оболочек и пластин. Т. 1. – Тбилиси, Мецниереба, 1975.
  • Демьянушко И.В., Темис Ю.М. Кинетика напряженно-деформированного состояния дисков при циклическом неизотермическом нагружении // Изв. АН СССР. МТТ. – 1975. – № 5.
  • Темис Ю.М. Самокорректирующийся шаговый метод решения нелинейных задач упругости и пластичности // Труды ЦИАМ. – 1980. – № 918. – 24 с.
Еще
Статья научная
QR-код для установки приложения SciUp Наведите камеру и скачайте бесплатное приложение SciUp