авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:     | 1 || 3 |

Безопасность механически неоднородных элементов конструкций нефтегазового комплекса

-- [ Страница 2 ] --

В отличие от сосудов, изготовленных из однородного материала, в биметаллических сосудах возможно циклическое накапливание пластических деформаций (термоциклическая ползучесть) за счёт перераспределения напряжений с одного слоя на другой и обратно при изменениях температуры. Необратимая пластическая деформация за один цикл соответствует следующим выражениям:

, (1)

где ;

; ; ; ;

; ; ;

P – давление в сосуде; R – внутренний радиус сосуда;

, перепады средних температур в слоях биметалла;

; ;

и теплопроводности слоёв биметалла (величины, обратные 1 и 2, тепловые сопротивления слоев);

k1 и k2 – коэффициенты теплопроводности материалов 1 и 2;

и – перепады температуры на внутренней и наружной поверхностях сосуда соответственно.

 а) б)  Распределение-24 а) б)

Рисунок 2 – Распределение температуры (а) и напряжений (б) в стенке биметаллического сосуда

Расчёт значения 1 имеет практическое значение для оценки долговечности сосуда по критерию потери запаса пластичности.

Проанализированы следующие механизмы разрушения сосуда:

    • по механизму потери устойчивости;
    • по механизму исчерпания запаса пластичности;
    • по механизму усталостного разрушения.

Результирующая долговечность определяется наименьшим из полученных значений. Например, для случая, когда сосуд находится под действием внутреннего рабочего давления и меняющегося во времени температурного поля, работоспособность сосуда можно выразить диаграммой состояния, изображённой на рисунке 3. Координаты точек А, В, D определяются с использованием выражений (1). В диссертации разработаны алгоритмы и приведены примеры расчётов долговечности сосудов из биметаллов с учётом параметров циклических термомеханических воздействий.

  Общий вид диаграммы состояния-25

Рисунок 3 – Общий вид диаграммы состояния сосуда из биметалла

Вторая глава посвящена исследованию особенностей развития трещин в биметалле. Рассмотрены наиболее характерные случаи, которые показаны на рисунке 4. Трещина является резким концентратором напряжений и способна приводить к разрушениям при нагрузках, когда материалы ещё находятся в упругом состоянии. Поэтому в расчётных моделях материалы 1 и 2 отличаются упругими характеристиками Е и (модулем упругости и коэффициентом Пуассона).

Из классической механики разрушения известно, что напряжения в окрестности вершины трещины описываются выражениями типа

, (2)

где r, полярные координаты вокруг вершины трещины; параметр особенности концентрации напряжений; нормированная функция, описывающая распределение напряжений по полярному углу (вокруг трещины); К – коэффициент интенсивности напряжений.



Рисунок 4 – Расчётные модели биметалла с трещиной

Для обычной трещины (в механически однородном материале) все элементы формулы (2) известны. Параметр особенности = – 0,5. Значение КИН зависит от размеров детали с трещиной и действующих нагрузок.

Выражение (2) сохраняет силу и для биметаллов, если вершина трещины не находится на границе раздела материалов с разными свойствами (случаи «а» и «в» на рисунке 4). В случаях, когда вершина трещины находится на границе между разными материалами, требуется проведение специальных исследований. Такие исследования с применением хорошо апробированных методов привели к следующим результатам.

Поперечная трещина (случай «б» на рисунке 4)

В данном случае концентрация напряжений описывается также выражением типа (2), но все составные части этого выражения зависят от соотношения механических свойств материалов. Значения параметра , приведённые в таблице 1, показывают, что при переходе трещины из более твердого материала в мягкий (схема «») концентрация напряжений выше, чем в других случаях (абсолютное значение параметра больше, напряжения растут быстрее при ).

Функции для разных компонентов напряжений для одного из случаев показаны графически на рисунке 5. Видно, что при переходе трещины из твердого материала в мягкий (схема «») наблюдаются разрыв компоненты напряжений на межфазной поверхности и резкий всплеск на стороне мягкого материала. Это объясняет причину и механизм разветвления трещины, как показано в случае «г» на рисунке 4.

Таблица 1 – Зависимость параметра особенности от соотношения
упругих свойств материалов биметалла (поперечная трещина)

Схема E1 E2 1 2
100 1 0,3 0,3 0,91588
50 1 0,3 0,3 0,88296
20 1 0,3 0,3 0,82246
10 1 0,3 0,3 0,76287
5 1 0,3 0,3 0,69336
2 1 0,3 0,3 0,59050
1 2 0,3 0,3 0,38104
1 3 0,3 0,3 0,27712
1 4 0,3 0,3 0,12952
1 4,1 0,3 0,3 0,09519
1 1 0,3 0,2 0,50900
1 1 0,3 0,4 0,48504
1 1 0,2 0,3 0,48982
1 1 0,4 0,3 0,51287

Коэффициенты интенсивности напряжений определяли двумя независимыми способами: прямым методом с экстраполяцией , где напряжения предварительно определялись методом конечных элементов, и энергетическим методом, основанным на балансе энергий при росте трещины (рисунок 6). Каждый из этих методов имеет свои недостатки и преимущества, но при совместном применении достоверность результатов существенно повышается.

Из свойств подобия полей напряжений в образцах, отличающихся только масштабом, вытекает следующая зависимость КИН от нагрузки и абсолютных размеров:

. (3)

Здесь – номинальное напряжение, которое определяется нагрузкой;

– характерный размер (толщина биметалла);

– относительный размер трещины;

– безразмерный поправочный множитель (инвариант).

  Распределение напряжений-52

Рисунок 5 – Распределение напряжений в окрестности вершины
поперечной трещины (; ; )

  Интенсивность высвобождаемой-57

Рисунок 6 – Интенсивность высвобождаемой энергии G
при росте поперечной трещины в биметалле;

Анализ полученных результатов показывает, что наиболее опасны трещины, переходящие из твердого слоя биметалла в мягкий. Трещины, переходящие из мягкого материала в твердый, менее опасны, так как концентрация напряжений на них менее ярко выражена. При разномодульности особенность вида вовсе исчезает.

Разветвлённая трещина с межфазной частью (случай «г» на рисунке 4)

В данном случае напряжения также описываются выражением (2), однако множитель имеет сложный вид из-за того, что параметр особенности является комплексной величиной (). Его мнимая часть теоретически приводит к осцилляциям всех компонент напряжений с возрастающей частотой (так как при ). В реальности такую картину трудно себе представить, тем более выразить графически. Поэтому основные результаты получили методом конечных элементов, учитывая, что действительная часть R = – 0,5 независимо от соотношения упругих свойств материалов.

На рисунке 7 приведены графики распределения напряжений перед межфазной трещиной для двух случаев (размеры ; ; номинальное напряжение ; разномодульность материалов и ). Значения КИН, найденные прямым методом с экстраполяцией, приведены в таблице 2. Аналогичные результаты получены энергетическим методом.

  Графики распределения-71

Рисунок 7 – Графики распределения напряжений в биметалле
с межфазной трещиной

Таблица 2 – Значения КИН для межфазной трещины в биметалле
для случая «г» на рисунке 5 (; ; )

Схема трещины h, мм К1, ед. СИ К2, ед. СИ
0,5 6 0,3029105 0,2890105
0,5 10 0,3091105 0,2826105
0,5 16 0,3042105 0,2917105
2 6 0,6304105 0,9270105
2 10 0,6413105 0,9159105
2 16 0,6434105 0,9239105




Результаты исследований подтверждают, что при повреждении твердого слоя биметалла образующаяся при этом концентрация напряжений значительно более опасна, чем в обратном случае.

При развитии межфазной трещины коэффициенты интенсивности напряжений К1 и К2, соответствующие нормальным и касательным напряжениям, практически не изменяются, оставаясь на исходном уровне.

Таким образом, фактор механической неоднородности материалов оказывает одно из определяющих влияний на напряжённое состояние, прочность, ресурс биметаллических сосудов и на допустимые безопасные режимы их эксплуатации.

Третья глава посвящена изучению особенностей напряжённого состояния и прочности соединений разнородных материалов (поперечной неоднородности). К таким, в частности, относятся сварные, паяные, клеевые элементы конструкций. В районе стыков таких соединений возникает концентрация напряжений (рисунок 8).

  Фотоупругая картина-82

Рисунок 8 – Фотоупругая картина стыкового соединения с поперечной прослойкой из мягкого материала

Применяя метод комплексных потенциалов в сочетании с «принципом микроскопа», установили, что в окрестности краевой точки стыка (рисунок 9) напряжения также описываются выражением типа (2) несмотря на то, что в данном случае трещины нет. Следовательно, в зависимости от параметра краевая зона стыка может быть таким же резким концентратором напряжений, как и трещина. Исследования показали, что параметр сложным образом

Рисунок 9 Расчётная схема краевой зоны стыка



Pages:     | 1 || 3 |
 

Похожие работы:










 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.