Розрахунково-експериментальне визначення напружень і прогнозування залишкового ресурсу оболонкових машинобудівних конструкцій зі зварними з’єднаннями

Abstract

Дисертацію присвячено розвиткові розрахунково-експериментального методу визначення залишкових напружень у зонах багатошарових кільцевих швів оболонкових машинобудівних конструкцій і оцінювання їх впливу на довговічність зварних з’єднань за наявності гострокінцевих дефектів типу тріщин при дії циклічних навантажень. У рамках уточненої теорії оболонок побудовано математичну модель і програмне забезпечення для визначення компонентів напруженого стану з урахуванням розподілу залишкових несумісних деформацій, локалізованих біля зварного шва, для однотовщинних, різнотовщинних та кусково-однорідних циліндричних оболонок. Проведено порівняння отриманих результатів з аналогічними результатами обчисленими за класичною теорією оболонок Кірхгофа–Лява. Використавши математичну модель розкриття тріщини і концепцію ефективного розмаху коефіцієнта інтенсивності напружень, отримано розрахункову модель для врахування впливу залишкових напружень на втомне руйнування при циклічному навантаженні. Оцінено вплив залишкових напружень на довговічність зварного з’єднання з дефектами типу тріщин у зоні зварного шва під дією експлуатаційного навантаження. Диссертация посвящена развитию расчетно-експериментального метода определения остаточных напряжений в зонах многослойных кольцевых швов машиностроительных конструкций оболочечного типа и оценке их влияния на долговечность сварных соединений при наличии дефектов типа трещин под действием переменных нагрузок. В рамках теории оболочек с конечной жесткостью на сдвиг в направлении нормали к срединной поверхности оболочки, разработана математическая модель для определения компонент тензора технологических остаточных напряжений с учетом двумерного распределения несовместных остаточных деформаций, локализированных возле шва сварного соединения. Модель базируется на решении обратных задач теории оболочек с остаточными деформациями и использовании экспериментальной информации об усредненных характеристиках напряженного состояния, которую можно получить экспериментальными методами. Получены выражения для окружных, осевых и сдвиговых напряжений в конструкции с учетом локальных остаточных деформаций в зоне сварного шва, распределение которых аппроксимировано тензорными полиномиальными функциями с определенным количеством произвольных параметров. На основании решения прямой задачи для различных вариантов соединения (две цилиндрические оболочки одинаковой толщины, разнотолщинные оболочки и кусочно-однородные сварные соединения) проанализировано влияние ширины зоны сварочных деформаций и их изменения вдоль и по толщине трубы на напряженное состояние в зоне сварного соединения. Проведен сравнительный анализ результатов полученных по уточненной теории оболочек и классической теории оболочек Кирхгофа–Лява. Показано эффективность использования уточненной теории оболочек. Установлено, что увеличение перепада окружных деформаций по толщине трубы обусловливает незначительное увеличение окружных напряжений на ее внешней поверхности и приводит к существенному уменьшению растягивающих окружных и осевых напряжений на внутренней и сжимающих на внешней поверхностях трубы. С увеличением окружных остаточных деформаций и их градиентов вдоль трубы максимальные растягивающие окружные и осевые напряжения на ее внутренней поверхности возрастают почти пропорционально приращениям максимальных деформаций. Уменьшение ширины зоны осевых деформаций, при 20 фиксированной ширине зоны окружных, несущественно влияет на величину и распределение окружных остаточных напряжений на поверхностях оболочки и может обусловить значительное возрастание осевых напряжений на внутренней поверхности трубы в зоне сварного шва. С использованием математической модели раскрытия трещины и концепции эффективного размаха коэффициента интенсивности напряжений в зоне сварного соединения при циклическом нагружении разработана расчетная модель для определения влияния остаточных напряжений на скорость распространения осевой поверхностной трещины в конструкции. Оценено влияние остаточных напряжений на долговечность конструкции с осевой полуэллиптической трещиной в зоне сварного шва под воздействием циклически пульсирующего внутреннего давления. Установлено, что остаточные напряжения, вычисленные по уточненной теории оболочек дают возможность продлить до 7,2% долговечность эксплуатации сварных конструкций. The dissertation develops calculation-experimental method of determining residual stresses in zone of multi-layer circumferential welding beads of shell engineering structures and estimation of their influences on the durability of welding joints with cracks under cyclic loads. Within the refined theory of shells, a mathematic model and software for determining components of stress state with taking into account the plastic deformation distribution localized near the welding bead for one-thickness, different-thickness and piecewise-homogeneous cylindrical shells. A comparison of the results with the results calculated by the classical theory of Kirchhoff-Love theory of shells. Having used crack disclosure mathematical model and the concept of effective amplitude of stress intensity factor, a calculational model for taking into account the influence of residual stresses on fatigue fracture under cyclic load is obtained. The influence of residual stresses on welding joint durability of a weld with an axial surface defect under workload is estimated.