Розрахункова модель для аналізу довговічності елементів конструкцій з дефектами

image_print
DOI https://doi.org/10.15407/pmach2020.01.027
Журнал Проблеми машинобудування
Видавець Інститут проблем машинобудування ім. А. М. Підгорного Національної академії наук України
ISSN 0131-2928 (print), 2411-0779 (online)
Випуск Том 23, № 1, 2020 (березень)
Сторінки 27–38

 

Автори

В. І. Гнітько, Інститут проблем машинобудування ім. А. М. Підгорного НАН України (61046, Україна, м. Харків, вул. Пожарського, 2/10), e-mail: gnitkovi@gmail.com, ORCID: 0000-0003-2475-5486

К. Г. Дегтярьов, Інститут проблем машинобудування ім. А. М. Підгорного НАН України (61046, Україна, м. Харків, вул. Пожарського, 2/10), e-mail: kdegt89@gmail.com, ORCID: 0000-0002-4486-2468

Р. П. Москаленко, Харківський національний університет імені В. Н. Каразіна (61022, Україна, м. Харків, майдан Свободи, 4), e-mail: rimancamomile@gmail.com, ORCID: 0000-0002-5167-2793

О. О. Стрельнікова, Інститут проблем машинобудування ім. А. М. Підгорного НАН України (61046, Україна, м. Харків, вул. Пожарського, 2/10), Харківський національний університет імені В. Н. Каразіна (61022, Україна, м. Харків, майдан Свободи, 4), e-mail: elena15@gmx.com, ORCID: 0000-0003-0707-7214

 

Анотація

Побудовано методику визначення кількості циклів до руйнування елементів конструкцій, які зазнають впливу циклічного навантаження (розтягнення-стиснення). Проведено аналіз статичного та динамічного напружено-деформованого стану за допомогою числових методів скінченних та граничних елементів з метою з’ясування зон концентрації напружень в конструктивному елементі. Вибираються модельні тріщини, які поміщають в зони найбільшої концентрації напружень. Запропоновано базу даних щодо модельних тріщин. З використанням порогового значення коефіцієнта інтенсивності напружень визначається початкова довжина, за якої починається розвинення тріщин. Для кожної тріщини з бази даних на підставі критерію Періса знаходиться критична кількість циклів, за яку тріщина підростає до неприпустимих розмірів. Розроблено методику визначення коефіцієнтів інтенсивності напружень для елемента конструкції з модельними тріщинами. Цю задачу зведено до розв’язання сингулярних інтегральних рівнянь. Для отримання числового розв’язку цих рівнянь використано метод граничних елементів. Густини, які фігурують як невідомі функції в розглянутих інтегральних рівняннях, використовуються для обчислення коефіцієнтів інтенсивності напружень. Проведено порівняння аналітичних і числових розв’язків сингулярних рівнянь. Визначено критичне число циклів для пластин з  поодинокими ізольованими тріщинами й з ланцюжками тріщин, тріщинами біля отворів та границь елементів. Встановлено, що за однакового рівня навантаження найменше критичне число циклів відповідає елементу конструкції з тріщинами в безпосередній близькості від  технологічного отвору. Проведено аналіз розвинення втомної тріщини біля отворів в пружно-пластичному формулюванні з метою визначення кількості циклів до руйнування та надано оцінку кількості циклів до появи втомної тріщини.

 

Ключові слова: довговічність, тріщина, коефіцієнт інтенсивності напружень, сингулярні інтегральні рівняння, критерій Періса.

 

Література

  1. Андрейкив А. Е., Дарчук А. И. Усталостное разрушение и долговечность конструкций. Киев: Наук. думка, 1987. 404 с.
  2. Махутов Н. А. Деформационные критерии разрушения и расчет элементов конструкций на усталостную прочность. М.: Машиностроение, 1981. 272 с.
  3. Панасюк В. В., Андрейкив А. Е., Ковчик С. Е. Методы оценки трещиностойкости конструкционных материалов. Киев: Наук. думка, 1971. 278 с.
  4. Фомичев П. А. Прогнозирование долговечности тел с надрезами по локальному напряженно-деформированному состоянию. Определение параметра, характеризующего долговечность тел с концентраторами напряжений. Пробл. прочности. 2000. № 3. С. 46–55.
  5. Фомичев П. А. Прогнозирование долговечности тел с надрезами по локальному напряженно-деформированному состоянию. Учет градиентов напряжений и деформаций. Пробл. прочности. 2000. № 4. С. 12–21.
  6. Zum T. Verformungsverhalten von stahlbetontragwerken unter Betrieb-slelastung. Mitt. Inst. Wekst. Baum. 1996. No. 3. P. 1–195.
  7. Abdelbaki N., Bouali E., Gaceb M., Bettayeb M. Study of defect admissibility in gas pipelines based on fracture mechanics. J. Eng. Sci. Tech. (JESTEC). 2009. Vol. 4. P. 111–121.
  8. Кантор Б., Стрельнікова О., Медведовська Т., Ржевська І., Єселева О., Линник О., Зеленська О. Розрахунок залишкового ресурсу елементів проточної частини гідротурбін ГЕС та ГАЕС. Методичні вказівки: нормативний документ. СОУ-НМЕВ 40.1 –21677681–51: 2011: затв. Мін-вом енергетики та вугільної пром-сті України: набув чинності 07.07.11. К.: Мін-во енергетики та вугільної пром-сті України, 2011. 76 с.
  9. Stasevic M. Attachment estimates century construction of the tower installations for oil and gas exploration: Doctoral thesis. University of Novi Sad. Faculty of Techn. Sci. 2014. 168 р.
  10. Bettayeb M., Bouali E., Abdelbaki N., Gaceb M. Establishment of a database and a classification of the defects in the metal of pipes according to their severity. Procedia Eng. 2012. Vol. 42. P. 607–615. https://doi.org/10.1016/j.proeng.2012.07.453.
  11. Maksimovic Mirko S., Vasovich Ivana V., Maksimovic Katarina S. Trisovich Natasha, Maksimovic Stevan M. Residual Life Estimation of Cracked Aircraft Structural Components. FME Transactions. 2018. Vol. 124. No. 46. P. 124–128. https://doi.org/10.5937/fmet1801124M.
  12. Kastratovic G., Vidanovic N., Grbovic A., Rasuo B. Approximate determination of stress intensity factor for multiple surface cracks. FME Transactions. 2018. Vol. 46. Iss. 1. Р. 39–45. https://doi.org/10.5937/fmet1801039K.
  13. Стрельникова Е. А., Ковч О. И. Исследование взаимного влияния пор в сварном шве под воздействием термосиловой нагрузки. Восточно-Европейский журнал передовых технологий. 2015. Т. 5. № 4 (77). С. 59–63. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2015.51869.
  14. Зайденварг О. Л., Стрельникова Е. А. Гиперсингулярные уравнения в задачах прочности элементов конструкций с трещинами при температурном нагружении. Вісн. Харк. нац. ун-ту ім. В. Н. Каразіна. Сер. Математичне моделювання. Інформаційні технології. Автоматизовані системи управління. 2009. № 847. С. 191–196.
  15. Lessenden S. J., Pissot S. P., Tretheway M. V., Naynaed K. P. Torsion response of cracked steel shaft. Fatique fract. Eng. Mater. Struct. 2006. Vol. 30. P. 734–747. https://doi.org/10.1111/j.1460-2695.2007.01149.x.
  16. Місюра С. Ю., Сметанкіна Н. В., Місюра Є. Ю. Раціональне моделювання кришки гідротурбіни для аналізу міцності. Вісн. Нац. техн. ун-ту «ХПІ». Сер. Динаміка і міцність машин. 2019. № 1. С. 34–39. https://doi.org/10.20998/2078-9130.2019.1.187415
  17. Medvedovskaya T., Strelnikova E., Medvedyeva K. Free hydroelastic vibrations of hydroturbine head covers. Int. J. Eng. and Advanced Research Techn.. 2015. Vol. 1. No 1. P. 45–50. https://doi.org/10.13140/RG.2.1.3527.4961.
  18. Еселева Е. В., Гнитько В. И., Стрельникова Е. А. Собственные колебания сосудов высокого давления при взаимодействии с жидкостью. Пробл. машиностроения. 2006. Т. 9. № 1. С. 105–118.
  19. Панасюк В. В., Саврук М. П., Дацышин А. П. Распределение напряжений около трещин в пластинах и оболочках. Киев: Наук. думка, 1976. 444 с.
  20. Стрельникова Е. А. Гиперсингулярные интегральные уравнения в двумерных краевых задачах для уравнения Лапласа и уравнений Ламе. Доп. НАН України. 2001. № 3. С. 27–31.
  21. Кантор Б. Я., Стрельникова Е. А. Гиперсингулярные интегральные уравнения в задачах механики сплошной среды. Харьков: Новое слово, 2005. 252 с.
  22. Gnitko V., Naumemko Y., Strelnikova E. Low frequency sloshing analysis of cylindrical containers with flat аnd conical baffles. Intern. J. Appl. Mech. and Eng. 2017. Vol. 22. Iss. 4. Р. 867–881. https://doi.org/10.1515/ijame-2017-0056.
  23. Пэрис П., Эрдоган Ф. Критерии усталостного распространения трещин. Техн. механика. Сер. Д. 1987. № 4. С. 60–68.
  24. Стрельникова Е. А., Сирота И. Г., Линник А. В., Калембет Л. А, Зархина В. Н., Зайденварг О. Л. Вероятностная оценка долговечности вала гидротурбины при наличии трещин. Пробл. машиностроения. 2017. Т. 20. № 1. С. 28–35. https://doi.org/10.15407/pmach2017.01.028
  25. Берендеев Н. Н. Применение системы ANSYS к оценке усталостной долговечности.  Нижний Новгород: Нижегород. ун-т им. Н. И. Лобачевского, 2006. 84 с.

 

Надійшла до редакції 19 лютого 2020 р.

Прийнята до друку