Структурно-аналитический градиентный критерий разрушения пластин с макроконцентраторами напряжений

На правах рукописи

Малинин Владимир Владиславович

СТРУКТУРНО-АНАЛИТИЧЕСКИЙ ГРАДИЕНТНЫЙ КРИТЕРИЙ РАЗРУШЕНИЯ ПЛАСТИН С МАКРОКОНЦЕНТРАТОРАМИ НАПРЯЖЕНИЙ

01.02.04 Механика деформируемого твердого тела

Автореферат диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Орел 2011

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Государственный университет – учебно-научно-производственный комплекс» (ФГБОУ ВПО «Госуниверситет – УНПК») на кафедре «Динамика и прочность машин».

Научный руководитель	доктор технических наук, профессор Голенков Вячеслав Александрович
Официальные оппоненты:	доктор технических наук, профессор Трещев Александр Анатольевич доктор технических наук, профессор Матюнин Вячеслав Михайлович
Ведущая организация:	ФГБОУ ВПО «ТГТУ» - Тверской государственный технический университет, г. Тверь

Защита состоится «29» декабря 2011 года в 1400 часов на заседании диссертационного совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.182.03 при ФГБОУ ВПО «Госуниверситет-УНПК» по адресу: 302020, г. Орел, ул. Наугорское шоссе, д. 29, аудитория 212.

С диссертацией можно ознакомиться в научно технической библиотеке ФГБОУ ВПО «Госуниверситет-УНПК» и на официальном сайте – http://gu-unpk.ru .

Автореферат разослан «29» ноября 2011 г.

Ученый секретарь совета по защите докторских и кандидатских диссертаций кандидат технических наук, доцент

М.И. Борзенков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы обусловлена необходимостью разработки эффективных средств оценки статической прочности материалов и элементов конструкций, склонности их к хрупкому разрушению в условиях неравномерного распределения напряжений в окрестности макроконцентраторов напряжений. В настоящее время работоспособность объектов с макроконцентраторами, как правило, оценивается по величине критического коэффициента интенсивности напряжений при плоской деформации – (ГОСТ 25.505-85). Эти испытания сложны, сопряжены с использованием крупногабаритных образцов, весьма дороги, а иногда просто невозможны. Поэтому серьезное внимание уделяется поиску взаимосвязей между трещиностойкостью и другими характеристиками материала, которые более легко определяются методами технической диагностики структурного состояния с использованием приборов неразрушающего контроля. Об актуальности таких исследований свидетельствует значительно возросшее число публикаций в отечественной и зарубежной периодике. Способность материала сопротивляться зарождению и развитию трещины сильно зависит от организации дефектной структуры, наличия зон структурных концентраторов, что обусловило появление в механике разрушения нового научного направления – структурная механика разрушения. Для названного направления характерны попытки связать критерии механики разрушения с параметрами микроструктуры материала. В этом случае возникает актуальная задача выявления эффективных параметров, позволяющих контролировать реальное состояние структурных концентраторов, их взаимодействие с макроконцентраторами с целью формулировки критерия разрушения, отражающего влияние неоднородности напряженного состояния. Таким образом, разработка и экспериментальное обоснование структурно-аналитического градиентного критерия разрушения является актуальной задачей.

Диссертационная работа выполнена в соответствии с планом НИР ФГБОУ ВПО «Госуниверситет-УНПК», при поддержке Минобразования РФ (ГРАНТ № 1.7.08), ГРАНТ РФФИ № 04-01-00573, ГРАНТ для        
поддержки научно-исследовательской работы аспирантов высших учебных  заведений Минобразования России шифр А03-2.10-258.

Объектом исследования являются критерии разрушения, учитывающие взаимовлияние структурных концентраторов и макроконцентраторов напряжений на прочность материала.

Предметом исследования являются методы структурной механики разрушения.

Целью исследования является разработка и экспериментальное обоснование структурно-аналитического градиентного критерия разрушения тел с макроконцентраторами напряжений, а также применение его для оценки критических размеров макроконцентраторов в виде одиночных отверстий различной формы с учетом структурной неоднородности материала.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. На основе анализа физических закономерностей процессов пластической деформации и разрушения, известных градиентных критериев предельного состояния, экспериментальных данных и методов технической диагностики сформулировать структурно-аналитический градиентный критерий разрушения.
2. Создать новые математические модели для оценки структурно-механических свойств материалов. С этой целью ввести понятия – тензора магнитной дисторсии и векторной интенсивности собственного магнитного поля рассеяния. Выделить инвариантные структурно-механические параметры, характеризующие взаимовлияние структурных и макроскопических концентраторов на прочность материалов в окрестности концентраторов напряжений, и ввести их в критерий разрушения. Дать экспериментальное обоснование введенных понятий.
3. Определить границы применимости структурно-аналитического градиентного критерия разрушения.
4. Установить связь структурно-аналитического градиентного критерия разрушения с линейной механикой разрушения.
5. Развить метод оценки критических размеров макроконцентраторов в виде одиночных отверстий различной формы с учетом структурной неоднородности материала.
6. Выполнить экспериментальную проверку структурно-аналитического градиентного критерия путем испытаний по разрушению стальных пластин с различными макроконцентраторами напряжений и сравнение экспериментальных данных с оценками по структурно-аналитическому градиентному критерию.

Методы исследования. В ходе проведения теоретических исследований использовались методы механики разрушения, методы структурно-аналитической мезомеханики, методы вычислительной механики и программные комплексы ANSYS и SolidWorks; при проведении экспериментальных исследований и обработке полученных результатов – методы экспериментальной механики, методы технической диагностики и математической статистики.

Научная новизна полученных результатов. Предложен структурно-аналитический градиентный критерий разрушения, позволяющий корректно оценивать прочность материалов с трещинами и вырезами произвольных форм и размеров, отражающий взаимовлияние структурных несовершенств и макроскопических концентраторов напряжений. Сформулированы условия согласования структурно-аналитического градиентного критерия с механикой трещин. Получены оценки критических размеров макроконцентраторов в виде отверстий и пор с учетом структурно-механического состояния материала в окрестности макроконцентраторов напряжений. Введены новые структурные характеристики в виде тензора дисторсии собственного магнитного поля рассеяния и его векторной интенсивности, дано соответствующее экспериментальное обоснование. Предложены новые комплексные параметры структурно-механического и структурно-геометрического характера, позволяющие в окрестности макроконцентратора учесть влияние структурных напряжений на предельное состояние материала. Выполнены экспериментальные исследования по разрушению стальных пластин с отверстиями различной формы и сравнение полученных опытных данных с теоретическими оценками по классическому, градиентному и структурно-аналитическому градиентному критериям разрушения. Показано, что использование классического и градиентного критериев разрушения дает заниженные оценки критических нагрузок по сравнению с экспериментальными данными. Расчеты по структурно-аналитическому градиентному критерию, в котором учитывается взаимовлияние структурных и макроскопических концентраторов, дают оценки критических нагрузок, которые соответствуют результатам реальных испытаний.

Достоверность результатов обеспечивается сравнением результатов аналитических и численных расчетов, совпадением соотношений, полученных для макроконцентраторов типа трещин отрыва, с уравнениями известными из линейной механики разрушения; сопоставлением теоретических решений с экспериментальными данными; применением современных программных вычислительных средств; сравнением с результатами других авторов.

Практическая ценность и реализация работы. Предложенный структурно-аналитический градиентный критерий разрушения может быть использован в расчетах на статическую прочность и трещиностойкость элементов конструкций с макроконцентраторами напряжений как на этапе проектирования новых изделий, так и для оценки остаточного ресурса эксплуатируемых объектов. Практическое значение имеют полученные в работе соотношения, позволяющие дать оценки критических размеров макроконцентраторов в виде отверстий различных размеров и формы. Результаты диссертационной работы проходят стадию внедрения в практику оценки качества покрытия и определения остаточного ресурса валков прокатных станков на Старооскольском металлургическом комбинате, а также внедрены в учебный процесс в спецкурсах: «Физические основы прочности и механика разрушения», «Теория пластичности и ползучести», «Экспериментальная механика» по направлению «Прикладная механика», что подтверждается соответствующими актами.

На защиту выносятся следующие положения и результаты:

1. Теоретическое и экспериментальное обоснование критерия разрушения, основанного на учете процесса формирования структурной повреждаемости в окрестности зон макроконцентраторов напряжений, базирующегося как на применении силовых и кинетических критериев хрупкого разрушения материала в локальной области вблизи контура трещины или концентратора напряжений, так и на комплексном рассмотрении структурных параметров предельных состояний.
2. Новые структурно-механические параметры и их математические модели – тензор магнитной дисторсии и вектор интенсивности магнитной дисторсии, которые характеризуют локализацию зон структурных концентраторов и отражают влияние структурных напряжений на прочность материала. Выполнены обширные экспериментальные исследования подтверждающие существование введенных тензорных объектов.
3. Новые структурно – механические и структурно-геометрические параметры отражающие взаимное влияние структурных концентраторов и макроконцентраторов напряжений на прочность материала.
4. Развитие классической линейной механики разрушения путем введения эффективных напряжений, развитие представлений о характеристической температуре нулевой пластичности, структурных параметрах силового и кинетического критериев хрупкого разрушения для локальных зон материала (феромагнитного состояния) с концентраторами напряжений и трещинами, являющихся основой разработки методов расчета перехода элементов конструкций в хрупкое состояние.
5. Методики расчета критических размеров макроконцентраторов напряжений.

Апробация диссертационной работы. Основные научные результаты, изложенные в диссертации, докладывались на следующих международных, всероссийских конференциях, симпозиумах и других научных совещаниях: в 2006г. на Международном научном симпозиуме «Гидродинамическая теория смазки – 120 лет» (г. Орел); в 2007г. на Всероссийской научно-методической конференции «Основы проектирования и детали машин – XXI век» (г. Орел), на Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы динамики и прочности материалов и конструкций: модели, методы, решения» (г. Самара); в 2008г. на Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы строительства и строительной индустрии» (г. Тула); в 2009г. на Международной научно-практической конференции преподавателей, сотрудников и аспирантов. «Образование, наука, производство и управление (г. Старый Оскол); на Международном научном симпозиуме «Проблемы прочности, пластичности и устойчивость в механике деформируемого твердого тела» (г. Тверь); на II Всероссийской научно-методической конференции. «Основы проектирования и детали машин» (г. Орел, 2010г.); на Международной научно-технической конференции «Успехи строительной механики и теории сооружений». (г. Саратов 2009г., 2011г); на V и VI Международной научно-технической конференции «Диагностика оборудования и конструкций методом магнитной памяти металла» (г. Москва 2009, 2011гг.).

Публикации результатов работы.

Основные результаты и положения диссертации опубликованы 30 научных работах. В их число входят 4 статьи в журналах из списка, утвержденного ВАК РФ и 26 публикаций в различных изданиях и один патент.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Объем работы (исключая приложения) составляет 178 страниц, включая 37 рисунков, 9 таблиц и список литературы из 146 наименований. Имеет 6 приложений в виде описания созданных экспериментальных и теоретических методов исследования структурно-механических свойств стальных пластин с макроконцентраторами.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дано обоснование необходимости развития линейной механики разрушения с целью введения параметров, характеризующих структурное состояние материала на основе использования методов технической диагностики, а значит развития структурной механики разрушения. Приведены краткие аннотации по каждой главе.

В первой главе «Структурные особенности и механические свойства материалов при неоднородном напряженно-деформированном состоянии» выполнен анализ исследований по вопросу о прочности материала при неоднородном напряженном состоянии. Глава содержит два раздела. В первом приведен анализ физических и структурно-механических аспектов. Рассмотрены особенности многоуровневого иерархически организованного микро-мезо-макромасштабного процесса эволюции структурных концентраторов напряжений и их влияние на зарождение и развитие пластической деформации и разрушение. Особое внимание уделяется анализу методов неразрушающего контроля, в частности методу магнитной памяти металла, с целью выявления взаимосвязи структурно-механических и магнитных характеристик материала в процессе нагружения. Важный этап в понимании структурно-механической природы пластической деформации и разрушения твердых тел связан с развитием мезомеханики материалов. В процессе нагружения в материале формируется иерархически организованная система структурных концентраторов напряжений, описание которых требует новых подходов в механике и физике прочности с привлечением методов структурно-аналитической мезомеханики и структурной диагностики. Среди наиболее известных разработок в рассматриваемом направлении следует отметить исследования выполненные, под руководством В.Е. Панина, В.А. Лихачева, Н.А Коневой, В.М. Матюнина, В.В. Рыбина, Н.А. Малининой, В.Г. Малинин, А.А. Дубова, В.Т. Власова и других. Второй раздел посвящен анализу проблемы оценки механических свойств материалов в окрестности макроконцентратора напряжений при статическом нагружении с позиции механики деформируемого твердого тела. Рассмотрены варианты известных локальных и интегральных градиентных критериев разрушения, а также подходы к оценке локальной прочности, косвенно учитывающие структурный фактор. Отдельно рассмотрен вопрос определения критических размеров дефектов. Коротко остановимся на основных моментах, имеющих непосредственное отношение к данной диссертационной работе. Известно, что классические критерии прочности сформулированы на основании экспериментальных исследований материалов при различных видах однородного напряженного состояния. В этих критериях предполагается, что разрушение начинается при достижении максимальным эквивалентным напряжением предельного значения хотя бы в одной точке тела. Однако, обоснованность такого предположения в условиях концентрации напряжений и резкой неравномерности их распределения вызывает сомнение, так как в этом случае сильно возрастает роль структурных концентраторов на микро и мезомасштабных уровнях. В результате значительной неравномерности макронапряженого состояния за счет макроконцентраторов на структурных уровнях инициируются большие градиенты внутренних напряжений. Следует отметить, что механические свойства материала в этих условиях могут существенно отличаться от механических свойств того же материала при макрооднородном напряженно-деформированном состоянии. Отметим, что данному вопросу всегда уделялась значительное внимание. Одним из первых исследований по оценке локальной прочности в зоне концентрации напряжений является градиентная модель локального повышения предела выносливости предложенная в 1933 году С.В. Серенсеном. Значительный вклад в развитии данного направления внесли Н.А. Афанасьев, Н.Н. Давиденков, М.Д. Новопашин, А.М. Иванов, С.В. Сукнев, М.А. Леган, М.Я. Леонов, К.Н. Русинко, В.К. Востров, В.В. А.А. Трещев, Новожилов, Н.Ф. Морозов, Ю.В. Петров, Ю.Г. Матвиенко и другие.