Розрахункова оцінка розвитку тріщини при циклічному навантаженні пластини з використанням параметрів розсіяних пошкоджень матеріалу

Автори

П. П. Гонтаровський, Інститут проблем машинобудування ім. А. М. Підгорного НАН України (61046, Україна, м. Харків, вул. Комунальників, 2/10), e-mail: gontarpp@gmail.com, ORCID: 0000-0002-8503-0959

Н. Г. Гармаш, Інститут проблем машинобудування ім. А. М. Підгорного НАН України (61046, Україна, м. Харків, вул. Комунальників, 2/10), e-mail: garm.nataly@gmail.com, ORCID: 0000-0002-4890-8152

І. І. Мележик, Інститут проблем машинобудування ім. А. М. Підгорного НАН України (61046, Україна, м. Харків, вул. Комунальників, 2/10), e-mail: melezhyk81@gmail.com, ORCID: 0000-0002-8968-5581

Т. В. Протасова, Інститут проблем машинобудування ім. А. М. Підгорного НАН України (61046, Україна, м. Харків, вул. Комунальників, 2/10), e-mail: tatyprotasova@gmail.com, ORCID: 0000-0003-1489-2081

Анотація

Надійна робота конструкцій та енергетичних машин пов’язана із забезпеченням термоміцності й довговічності їх елементів і вузлів. Нині на сучасному енергоринку склалася складна ситуація, обладнання працює у важких умовах, як наслідок, воно експлуатується на змінних режимах, що викликає прискорене спрацювання ресурсу. Забезпечення надійного використання енергетичних машин і конструкцій різної складності вимагає розрахункової оцінки термоміцності й довговічності їх елементів, що ґрунтується на застосуванні нових методик і розрахункових моделей з урахуванням ряду важливих факторів, серед яких пошкоджуваність, неоднорідність властивостей матеріалу, вплив нестаціонарних температурних полів і наявність тріщин. Дана робота присвячена розвитку методики розрахунків росту тріщини в пластинчастих елементах конструкцій при циклічному навантаженні в пружно-пластичній постановці з використанням концепції накопичення розсіяних пошкоджень у матеріалі. У вершині тріщини моделюються процеси знакозмінного пружно-пластичного деформування й тріщиностійкості матеріалу з використанням даних випробувань на втому гладких зразків. Термонапружений стан конструкції на різних режимах навантаження визначається за допомогою розробленого на основі методу скінченних елементів програмного забезпечення для кількох фіксованих глибин тріщини. У роботі розглянута кінетика поверхневої тріщини в пластині, з обох країв якої симетрично підростають тріщини при віднульовому циклічному навантаженні розтягуючими напруженнями. Пружно-пластичні задачі розв’язано для випадків плоскої деформації і плоского напруженого стану, отримано амплітуди інтенсивностей деформацій і кількість циклів навантаження залежно від глибини підростання тріщини. Встановлено, що на руйнування матеріалу суттєво впливає вид напруженого стану. Оцінка розвитку тріщин із використанням концепції накопичення розсіяних пошкоджень у матеріалі має переваги для плоских і осесиметричних задач, оскільки не має обмежень для величини пластичної зони і невеликої глибини тріщини. Після деяких удосконалень розрахункова методика може бути використана і для тривимірних задач термопластичності.

Ключові слова: кінетика тріщини, циклічне навантаження, метод скінченних елементів, криві малоциклової втоми.

Повний текст: завантажити PDF

Література

1. Gontarovskyi P., Garmash N., Melezhyk I. Numerical modeling of dynamic processes of elastic-plastic deformation of axisymmetric structures. In: Altenbach H., et al. Advances in Mechanical and Power Engineering. CAMPE 2021. Lecture Notes in Mechanical Engineering. Cham: Springer, 2023. P. 334–342. https://doi.org/10.1007/978-3-031-18487-1_34.
2. Hontarovskyi P. P., Smetankina N. V., Garmash N. H., Melezhyk I. I. Analysis of crack growth in the wall of an electrolyser compartment. Journal of Mechanical Engineering – Problemy Mashynobuduvannia. 2020. Vol. 23. No. 4. P. 38–44. https://doi.org/10.15407/pmach2020.04.038.
3. Hontarovsky P. P., Smetankina N. V., Ugrimov S. V., Harmash N. H., Melezhyk I. I. Simulation of the crack resistance of ion-exchange strengthened silicate glass subject to bending strain. International Applied Mechanics. 2022. Vol. 58. Iss. 6. P. 715–724. https://doi.org/10.1007/s10778-023-01195-0.
4. Alyokhina S., Kostikov A., Smetankina N., Gontarovskyi P., Garmash N., Melezhyk I. Methodology for determining the thermal and thermal-stress states of a concrete storage container for spent nuclear fuel for assessment of its service life. Nuclear and Radiation Safety. 2021. No. 4 (92). P. 33–39. https://doi.org/10.32918/nrs.2021.4(92).05.
5. Визначення розрахункового ресурсу та оцінка живучості роторів і корпусних деталей турбін. Методичні вказівки: СОУ- Н МЕВ 40.1–21677681– 52:2011 / М. Г. Шульженко, П. П. Гонтаровський, Ю. І. Матюхін, І. І. Мележик, О. В. Пожидаєв. Київ: ОЕП «ГРІФРЕ»: Міністерство енергетики та вугільної промисловості України, 2011. 42 с.
6. Черепанов Г. П. Механика хрупкого разрушения. Москва: Наука, 1974. 640 с.
7. Kumar P. Elements of Fracture Mechanics. New Delhi: Tata McGraw Hill Publication, 2009. 290 р.
8. ASME Boiler and Pressure Vessel Code, Section XI, Appendix A, The American Society of Mechanical Engineers, New York, Addenda, 1990.
9. Bloom J. M. An approach to account for negative R-ratio effects in fatigue crack growth calculations for pressure vessels based on crack closure concepts. Journal of Pressure Vessel Technology. 1994. Vol. 116. Iss. 1. P. 30–35. https://doi.org/10.1115/1.2929555.
10. Alshoaibi A. M., Fageehi Y. A. Numerical analysis on fatigue crack growth at negative and positive stress ratios. Materials. 2023. Vol. 16. Article 3669, 14 p. https://doi.org/10.3390/ma16103669.
11. Wu X. R., Newman J. C., Zhao W., Swain M. H., Ding C. F., Phillips E. P. Small crack growth and fatigue life predictions for high-strength aluminium alloys: Part I: experimental and fracture mechanics analysis. Fatique & Fracture of Engineering Materials & Structures. 1998. Vol. 21. Iss. 11. P. 1289–1306. https://doi.org/10.1046/j.1460-2695.1998.00080.x.
12. Newman J. C., Wu X. R., Swain M. H., Zhao W., Phillips E. P., Ding C. T. Small-crack growth and fatigue life predictions for high-strength aluminium alloys. Part II: crack closure and fatigue analyses. Fatique & Fracture of Engineering Materials & Structures. 2000. Vol. 23. Iss. 1. P. 59–72. https://doi.org/10.1046/j.1460-2695.2000.00242.x.
13. Ellyin F. Fatigue damage, crack growth and life prediction. Dordrecht: Springer, 1997. 470 p. https://doi.org/10.1007/978-94-009-1509-1.
14. Ferreira S. E., Pinho de Castro J. T., Meggiolaro M. A. Fatigue crack growth predictions based on damage accumulation ahead of the crack tip calculated by strip-yield procedures. International Journal of Fatigue. 2018. Vol. 115. P. 89–106. https://doi.org/10.1016/j.ijfatigue.2018.03.001.
15. Шульженко М. Г., Гонтаровський П. П., Гармаш Н. Г., Мележик І. І. Розрахункове дослідження розвитку тріщини при циклічному навантаженні з використанням параметрів розсіяних пошкоджень. Вісник Тернопільського національного технічного університету. 2013. Т. 71. № 3. С. 197–204.
16. Шульженко М. Г., Гонтаровський П. П., Гармаш Н. Г., Мележик І. І. Оцінка розвитку тріщини при циклічному навантаженні пластинчатих елементів із використанням параметрів розсіяних пошкоджень матеріалу. Вісник НТУ «ХПІ». Серія: Енергетичні та теплотехнічні процеси й устаткування. 2017. № 9 (1231). С. 41–44. https://doi.org/10.20998/2078-774X.2017.09.06.
17. Поспишил Б., Квитка А. Л., Третьяченко Г. Н., Кравчук Л. В., Куриат Р. И., Семенов Г. Р., Ворошко П. П. Прочность и долговечность элементов энергетического оборудования. Киев: Наук. думка, 1987. 216 с.
18. Мележик І. І. Розвиток та використання методики розрахункової оцінки живучості високотемпературних елементів енергомашин з тріщинами: автореф. дис… канд. техн. наук: 05.02.09. Харків, 2008. 20 с.
19. Шульженко М. Г., Гонтаровський П. П., Гармаш Н. Г., Мележик І. І. Розрахункова оцінка розвитку тріщини з контактуючими берегами в плоских елементах конструкцій. Вісник Запорізького національного університету. 2017. № 1. С. 365–374.
20. РТМ 108.021.103–85. Детали паровых стационарных турбин. Расчет на малоцикловую усталость. Москва, 1986. 48 с.
21. Подгорный А. Н., Гонтаровский П. П., Киркач Б. Н., Матюхин Ю. И., Хавин Г.Ю. Задачи контактного взаимодействия элементов конструкций. Киев: Наук. думка, 1989. 232 с.
22. Шульженко Н. Г., Гонтаровский П. П., Зайцев Б. Ф. Задачи энергетических агрегатов. Харьков: ХНАДУ, 2011. 444 с.

Надійшла до редакції 10.04.2024