УДК 621.873

МОДЕЛИ ДОЛГОВЕЧНОСТИ КОНСТРУКЦИЙ С ИСХОДНЫМИ

КОНЦЕНТРАТОРАМИ

К.П. Манжула ИПМаш РАН, Россия

Прочность металлических конструкций машин, работающих при нагрузках переменных во времени, определяется прочностью узлов, содержащих конструктивные концентраторы напряжений и деформаций, которыми в современных металлических конструкциях, являются сварные соединения, характеризующиеся не только конструктивными концентраторами, но и изменением свойств металла в околошовных зонах, наличием сварочных остаточных напряжений.

Процесс многоциклового усталостного повреждения и разрушения в таких соединениях предложено описывать, в общем случае, четырехстадийной моделью, рассматривающей процессы упругопластического и циклически неупругого деформирования металла, рассеянного накопления повреждений, условия зарождения усталостных микротрещин, формирование и развитие макротрещины до граничных размеров в поле упругих напряжений от сварки и внешней нагрузки. В зависимости от остроты концентратора отдельные стадии процесса могут не рассматриваться. Например, тонкие непровары с острой вершиной рассматриваются как макротрещины и их долговечность определяется четвертой стадией процесса, описываемой в терминах механики разрушения.

Модель базируется на использовании кривых Френча, Велера, Коффина-Мэнсона и Пэриса. Физико-механическая модель усталостного повреждения и разрушения рассматривает процессы: упрочнения или разупрочнения металла в зоне инициации усталостных трещин, связанные с формированием дислокационной полосовой структуры; зарождения рассеянных микротрещин, их коалесценции; образования мезотрещины, ее рост в упругопластическом или циклически неупругом поле деформаций и напряжений; роста макротрещины в поле упругих напряжений от внешней нагрузки.

Для каждой стадии процесса даны математические модели и сформулированы критерии перехода. Число циклов первой стадии определяется условием стабилизации размаха интенсивности пластической деформации в зоне концентратора, перераспределением уровня сварочных остаточных напряжений. Продолжительность второй стадии обусловлена условием образования мезотрещины. Третья стадия характеризуется развитием мезотрещины в поле действия упругопластических или циклически неупругих деформаций. Рост усталостной макротрещины проходит в поле действия упругих напряжений от внешней нагрузки и технологических остаточных напряжений и составляет четвертую стадию процесса усталостного разрушения. Автоматически учитывается масштабный эффект, так как в концепции используются размеры зерна структуры, зоны деформирования, геометрические параметры образца и элемента конструкции.

Модель реализована в программном виде, позволяющем проводить расчеты при регулярном и блочном нагружении, определять долговечность соединения по моменту трещинообразования и окончательному разрушению. Несмотря на значительный объем требуемой исходной информации, модели анализа процессов усталостного разрушения по стадиям, обладают рядом преимуществ по сравнению с концепцией S-N кривых. В частности, позволяют рассчитывать остаточный ресурс элемента конструкции в любой момент эксплуатации.