Расчетная модель для анализа долговечности элементов конструкций с дефектами

image_print
DOI https://doi.org/10.15407/pmach2020.01.027
Журнал Проблемы машиностроения
Издатель Институт проблем машиностроения им. А. Н. Подгорного Национальной академии наук Украины
ISSN 0131-2928 (print), 2411-0779 (online)
Выпуск Том 23, № 1, 2020 (март)
Страницы 27-38

 

Авторы

В. И. Гнитько, Институт проблем машиностроения им. А. Н. Подгорного НАН Украины (61046, Украина, г. Харьков, ул. Пожарского, 2/10), e-mail: gnitkovi@gmail.com, ORCID: 0000-0003-2475-5486

К. Г. Дегтярев, Институт проблем машиностроения им. А. Н. Подгорного НАН Украины (61046, Украина, г. Харьков, ул. Пожарского, 2/10), e-mail: kdegt89@gmail.com, ORCID: 0000-0002-4486-2468

Р. П. Москаленко, Харьковский национальный университет имени В. Н. Каразина (61022, Украина, г. Харьков, площадь Свободы, 4), e-mail: rimancamomile@gmail.com, ORCID: 0000-0002-5167-2793

Е. А. Стрельникова, Институт проблем машиностроения им. А. Н. Подгорного НАН Украины (61046, Украина, г. Харьков, ул. Пожарского, 2/10), Харьковский национальный университет имени В. Н. Каразина (61022, Украина, г. Харьков, площадь Свободы, 4), e-mail: elena15@gmx.com, ORCID: 0000-0003-0707-7214

 

Аннотация

Разработана методика определения количества циклов до разрушения элементов конструкций, подвергающихся воздействию циклического нагружения (растяжение-сжатие). Проводится анализ статического и динамического напряженно-деформированного состояния элемента конструкции с помощью численных методов конечных и граничных элементов с целью выяснения зон концентрации напряжений. Избираются модельные трещины, которые помещаются в зоны наибольшей концентрации напряжений. Предложена база данных по модельным трещинам. С использованием порогового значения коэффициента интенсивности напряжений определяется начальная длина, при которой начинается развитие трещин. Для каждой трещины из базы данных на основании критерия Пэриса находится критическое количество циклов, за которое трещина подрастает до недопустимых размеров. Предложен метод определения коэффициентов интенсивности напряжений для элемента конструкции с трещинами. Задача сведена к решению сингулярных интегральных уравнений. Для получения численного решения этих уравнений использован метод граничных элементов. Плотности, которые фигурируют как неизвестные функции в рассматриваемых интегральных уравнениях, используются для вычисления коэффициентов интенсивности напряжений. Проведено сравнение аналитических и численных решений сингулярных уравнений. Определено критическое число циклов для пластин с изолированными трещинами и цепочками трещин, трещинами, находящимися у отверстий и границ элементов. Установлено, что при одинаковом уровне нагрузки меньшее критическое число циклов соответствует элементу конструкции с трещинами, которые находятся в непосредственной близости от технологического отверстия. Проведен анализ развития усталостной трещины у отверстий в упруго-пластической формулировке с целью определения количества циклов до разрушения, дана оценка количества циклов до появления усталостной трещины.

 

Ключевые слова: долговечность, трещина, коэффициент интенсивности напряжений, сингулярные интегральные уравнения, критерий Пэриса.

 

Полный текст: загрузить PDF

 

Литература

  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.

 

Поступила в редакцию 19 февраля 2020 г.

Принята в печать