Исследование влияния технологической наследственности на напряженно-деформированное состояние и усталостную прочность элементов конструкций из объемных наноматериалов

Арсланов, Марат Рашитович

Исследование влияния технологической наследственности на напряженно-деформированное состояние и усталостную прочность элементов конструкций из объемных наноматериалов тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.06 ВАК РФ

Арсланов, Марат Рашитович АВТОР

кандидата технических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Уфа МЕСТО ЗАЩИТЫ

2014 ГОД ЗАЩИТЫ

01.02.06 КОД ВАК РФ

Диссертация по механике на тему «Исследование влияния технологической наследственности на напряженно-деформированное состояние и усталостную прочность элементов конструкций из объемных наноматериалов»

Автореферат диссертации на тему "Исследование влияния технологической наследственности на напряженно-деформированное состояние и усталостную прочность элементов конструкций из объемных наноматериалов"

На правах рукописи

АРСЛАНОВ Марат Рашитович

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ НАСЛЕДСТВЕННОСТИ НА НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ И УСТАЛОСТНУЮ ПРОЧНОСТЬЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИЙ ИЗ ОБЪЕМНЫХ НАНОМАТЕРИАЛОВ

Специальность

01.02.06 - динамика и прочность машин, приборов и аппаратуры

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 * МАП 2014

Уфа—2014

005547766

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный авиационный технический университет» (УГАТУ) на кафедре «Сопротивление материалов».

Научный руководитель — доктор технических наук, профессор

Жернаков Владимир Сергеевич

Официальные оппоненты: Соколкин Юрий Викторович

доктор физико-математических наук, профессор, зав. кафедрой механики композиционных материалов и конструкций ФГБОУ ВПО «Пермского национального исследовательского политехнического университета», г.Пермь.

Хакимов Аким Гайфуллович

кандидат физико-математических наук, доцент, старший научный сотрудник института механики УНЦ РАН, г. Уфа.

Ведущая организация — ФГБОУ ВПО «Самарский государственный

аэрокосмический университет имени

академика С.П. Королева (национальный исследовательский университет (СГАУ), г.Самара.

Защита состоится /V июня 2014года в 10.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.298.02 при ФГБОУ ВПО «Южно-Уральский государственный университет» (НИУ) по адресу: 454080, г. Челябинск, проспект им. В.ИЛенина, д.76, ауд.1001.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке «Южно-Уральский государственный университет» (НИУ).

Автореферат разослан_

/г/, ич 2014г.

Ученый секретарь диссертационного совета д.т.н., профессор

Чернявский А.О.

Общая характеристика работы

Актуальность темы исследования. В настоящее время большое внимание уделяется объемным наноструктурным материалам (титановым сплавам), которые характеризуются чрезвычайно привлекательными механическими свойствами. Получение данных материалов осуществляется методами интенсивной пластической деформации (ИПД), при которых в заготовке накапливаются пластические деформации до 200-400%. В результате обработки материалов методами ИПД удается существенно увеличить их механические свойства. Так, например, предел текучести и усталостная прочность титановых сплавов возрастают практически в 1,5-2 раза, при этом пластичность уменьшается незначительно.

Наиболее распространённым среди методов ИПД, которые приводят к образованию в материале наноструктурного состояния, является равноканальное угловое прессование (РКУП). Данный процесс характеризуется достаточно большим количеством факторов, влияющих на распределение накопленных пластических деформаций и технологических остаточных напряжений, к числу которых относятся многопроходная схема деформирования, трение между заготовкой и штампом, специфика геометрии зоны пересечения каналов, размеры внешнего и внутреннего радиуса сопряжения каналов и т.д. Таким образом, в заготовке из объемного наноматериала, полученного путем РКУП, формируются значительные накопленные пластические деформации.

Несмотря на большое число работ по изучению процесса РКУП, проблема оценки влияния технологической наследственности (остаточных напряжений и накоплешгых пластических деформаций) в заготовке на напряженно-деформированное состояние (НДС) и прочность элементов конструкций, выполненных из объемных наноматериалов, недостаточно изучена и является актуальной задачей. Исследование особенностей формирования НДС при нагружении с учетом технологической наследственности позволит повысить надежность и усталостную прочность конструкций, выполненных из данных материалов, а также оценить возможность их использования в современных изделиях.

Цели и задачи работы. Целью работы является исследование влияния технологической наследственности на НДС и усталостную прочность элементов конструкций, выполненных из объемных наноматериалов.

Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие основные задачи:

— разработать методику расчета НДС в типовых элементах конструкций с концентраторами напряжений при упругом и упругопластическом деформировании с учетом технологической наследственности, связанной с процессом формирования наноструктурного состояния в материалах методом РКУП;

— исследовать НДС в узлах сложной формы (на примере законцовки гибкого трубопровода) с учетом технологической наследственности в отдельных деталях, полученных в результате различных видов обработки (гидравлическая штамповка, РКУП и т.д.).

— исследовать теоретически и экспериментально усталостную многоцикловую прочность элементов конструкций из обычных и объемных наноструктурных титановых сплавов.

Научная новизна:

1. Разработана методика расчета НДС отличающаяся от существующих учетом технологической наследственности в заготовках после РКУП в типовых элементах конструкций (пластина с отверстием, стержень с выточкой) из наноструктурного титанового сплава Т1-6А1-4У.

2. Выполнен численный расчет НДС в законцовке гибкого трубопровода, изготовленного из обычных и объемных наноструктурных материалов. Расчет в отличие от существующих учитывает «историю» нагружения в отдельных деталях законцовки гибкого трубопровода, полученных в результате различных видов обработки (гидрашгаческая штамповка, РКУП и т.д.).

Выявлено положительное влияние технологической наследственности на уровень и характер распределения НДС в элемептах гибкого трубопровода, формирующегося в процессе их изготовления. Установлено, что прочность гибкого трубопровода с наличием элементов из наноструктурного титанового сплава ВТ6 при статическом нагружении практически в 2 раза выше, чем для аналогичных объектов из обычного ВТ6.

3. Исследована теоретически и экспериментально усталостная многоцикловая прочность элементов конструкций из обычных и объемных наноструктурных титановых сплавов,П-6А1-4У.

Установлено, что предел выносливости гладких образцов из наноструктурного сплава на 20% выше, чем предел выносливости образцов из обычного титанового сплава.

Выявлено, что при симметричном цикле нагружения предел выносливости пластины с отверстием из обычного сплава П-6А1-4У практически в два раза меньше, чем для аналогичных деталей из наноструктурного материала.

Практическая значимость работы:

1. Разработанная модель, учитывающая влияние технологической наследственности РКУП на НДС и усталостную прочность элементов конструкций, обеспечивает существенное уточнение прогноза предела выносливости деталей на стадии проектирования и разработки технологического процесса.

2. Результаты исследования НДС в законцовке гибкого трубопровода внедрены на предприятии УАП ОАО «Гидравлика» и позволили оптимизировать режимы технологического процесса изготовления гибкого трубопровода и его комплектующих, сформировать благоприятное остаточное напряженно-деформированное состояние в деталях и увеличить прочность конструкции в целом.

3. Результаты научных исследований данной работы могут быть использованы при проектировании элементов конструкций из объемных наноструктурных материалов с учетом технологической наследственности.

Методы исследования. Работа выполнена на основе классических методов теории упругости, теории пластичности и механики деформируемого твердого тела. Численный расчет осуществлен па базе метода конечных элементов с применением программно-вычислительных комплексов ANSYS, Deform 3D. Анализ и обработка результатов экспериментов выполнены классическими статистическими методами.

Положения, выносимые на защиту: —■ методика расчета НДС в типовых элементах конструкций с концентраторами напряжений (пластина с отверстием, стержень с выточкой), выполненных из наноструктурного материала, с учетом технологической наследственности в заготовке, сформированной при РКУП; — результаты расчета остаточных напряжений и деформаций в законцовке гибкого трубопровода из обычного и наноструктурного титанового сплава ВТ6 с учетом «истории» нагружения в отдельных деталях, полученных при различных видах обработки (гидравлическая штамповка, РКУП и т.д.). —: результаты теоретического и экспериментального исследования усталостной многоцикловой прочности элементов конструкций из обычного и наноструктурного титанового сплава Ti—6А1—4V.

Достоверность результатов и выводов, содержащихся в диссертационной работе, основывается на фундаментальных положениях механики деформируемого тела и сопоставлением результатов численных решений с результатами соответствующих экспериментальных исследований, проведенными на производственной базе ОАО УАП «Гидравлика» и ФГБОУ ВПО УГАТУ.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на Всероссийской молодежной научной конференции «Мавлютовские чтения» (г. Уфа, 2010, 2012, 2013), 5-ой региональной зимней школе-семинаре аспирантов и молодых ученых «Актуальные проблемы в науке и технике» (г. Уфа, 2012, 2014).

Публикации. Основные результатыдиссертации отражены в 11 печатных работах, в том числе 3 в рецензируемых изданиях из списка ВАК и двух патентах.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основпых выводов, списка литературы. Содержит 168 страницы машинописного текста, включающего 91 рисунок и библиографический список из 120 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель и научная новизна, решаемые задачи, представлены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе проведен обзор работ, посвященных конструкционным наноматериалам, полученным методами ИПД. Выполнен анализ существующих численных моделей описания процесса наноструктурирования путем РКУП.

Показано, что объемные наноматериалы характеризуются уникальными механическими свойствами. Получение наноструктуры в материале позволяет повысить его предел текучести и усталостную прочность практически в 1,5-2 раза.

В результате экспериментальных исследований объемных наноматериалов, установлено, что в заготовках, подвергнутых ИПД, наблюдается неоднородное распределение накопленных пластических деформаций. Особенно это проявляется при РКУП. Известно, что неравномерное распределение пластических деформаций и остаточных напряжений оказывают существенное влияние на прочность элементов конструкций. Исследование влияния технологической наследственности на НДС деталей из объемных наноматериалов позволит уточнить прогноз их предела выносливости. Кроме того, отсутствуют работы по изучению НДС в деталях, подвергнутых последовательной обработке методом РКУП и пластического деформирования (гидравлическая штамповка, обжатие, раскатка) или посадки с натягом (запрессовка).

На основании анализа изложенного материала сформулированы цель и задачи исследования.

Второй раздел посвящен исследованию технологической наследственности в заготовках (остаточные напряжения, степени накопленных деформаций, физико-механические свойства), связанной с формированием в материале наноструктурного состояния методом РКУП.

Метод РКУП позволяет формировать наноструктурное состояние в конструкционных материалах путем многопроходного деформирования по различным маршрутам с высоким уровнем пластических деформаций. Деформирование осуществляется продавливанием заготовки в специальной оснастке через два канала с одинаковыми поперечными сечениями, ориентированными по отношению друг к другу под углом.

В качестве примера на рисунке 1, а, б представлены результаты исследований внешнего вида зерен в обычном титановом сплаве Ti Grade 4 до обработки методом РКУП и по ее окончанию, проведенных в НИИ ФПМ УГАТУ.

Рисунок 1 — а-

а о

Вид зерен наноструктурного (УМЗ) и обычного (крупнозернистого)

титанового сплава Ti Grade 4: наностуктурный титановый сплав; б - крупнозернистый Ti Grade 4

Таким образом, по окончанию обработки в материале формируются наноструктурное состояние и прочностные свойства. На рисунке 2 представлены кривые деформирования для 0,МПа материала Ть6А1-4У. Установлено, 1200

что обработка методом РКУП приводит к существенному увеличению предела текучести и

800

400

370—

2 1

\ II |

.....1.....н

8 М)

1 1

._1"

е,%12

Рисунок 2 - Диаграмма растяжения обычного (кривая 1) и наноструктурного (кривая 2) титанового сплава "П-6А1-4У

кратковременной прочности

порядка 50-52%. При этом, наблюдается снижение

пластичности материала

с 12% до 3.2%.

При исследовании

распределения интенсивности

пластической деформации е; в

заготовке из титанового сплава ТьбАМУ установлено, что после первого прохода е; меняется от 0,65 до 1,15, после второго - от 1,15 до 2,2, после третьего -от 2,2 до 3,4, после четвертого - от 3,4 до 4,4.'Г.е. неравномерность распределения деформаций после первого прохода составила 43,4%, а после четвертого -20,5%. Таким образом, реализация многопроходной схемы РКУП приводит к снижению неравномерности распределения деформаций.

В результате анализа характера распределения технологических напряжений в заготовке после первого прохода установлено, что максимальные напряжения формируются на поверхности заготовки, а минимальные в центральной части, достигая значений о/ = (0.35 0.б)сгги с/ = (0.1 -е- 0.3)аг соответственно. При этом в зоне контакта заготовки с наружным радиусом штампа уровень остаточных напряжений выше на 25%, чем на поверхности, контактирующей с внутренним радиусом штампа, и выше на 25-30%, чем в центральном сечении. При многопроходной схеме РКУП происходит снижепие разницы между максимальными и минимальными технологическими напряжениями. Например, после четвертого прохода разница между напряжениями на нижней и верхней поверхности не превышает 15-20%.

В третьей главе приведена методика расчета НДС в типовых элементах конструкций с концентраторами напряжений (пластина с отверстием, стержень с выточкой), из наноструктурного титанового сплава Т1-6А1-4У, с учетом технологической наследственности в заготовке, сформированной при РКУП. Также представлены результаты исследований полей напряжений и деформаций в типичных элементах конструкций, выполненных из объемных наноструктурных титановых сплавов и обычных материалов, возникающих при одноосном нагружении. Расчет проводился на следующих типах элементов конструкций:

1. Пластины размерами а*Ь=60x60мм с центральным отверстием диаметром (1=10мм:

• пластина с отверстием из обычного и наноструктурного титанового сплава Т1-6А1-4У;

• пластана из обычного титанового сплава Тл-бА!—4У с напоструктурным слоем вокруг отверстия;

• пластина из обычного материала с запрессованным в отверстие кольцом из наноструктурного титанового сплава Тл-6А1—4У.

2. Стержни круглого поперечного сечения диаметром с? с выточкой глубиной /, радиусом впадины г и углом раствора а=60°:

• стержни с выточкой из обычного и наноструктурного материала;

• стержни из обычного титанового сплава с наноструктурным слоем в области концентратора напряжений.

Выполнен расчет напряженно-деформированного состояния в пластинах при одноосном растяжении интенсивностью ст0 (а0=200н-500 МПа). Установлено, что при расчете НДС без учета технологической наследственности при упругом и упругопластическом одноосном пагружении характер распределения полей напряжений и деформаций в пластине из наноструктурных и обычных материалов одинаковый. Определено, что при упругом нагружении максимальные напряжения возникают на поверхности концентратора, а при упругопластическом смещаются вглубь тела на расстояние равное глубине распространения пластических деформаций. Выявлено, что глубина распространения пластических деформаций в пластинах из наноструктурных материалах при одноосном растяжении интенсивностью ст<т=500 МПа в 4 раза меньше, чем в обычных.

Исследование остаточных напряжений формирующихся при одноосном упругопластическом нагружении и дальнейшей разгрузки в деталях из обычного и наноструктурного материала показало, что характер распределения остаточных напряжений в данных элементах конструкций существенно не отличается. Установлено, что максимальные сжимающие остаточные напряжения возникают на контуре отверстия, а максимальные растягивающие остаточные напряжения образуются в области однородного напряженного состояния.

Проведена оценка влияния толщины наноструктурного слоя в элементах конструкций на характер НДС при одноосном растяжении интенсивностью со. Исследование проводилось на пластинах с наноструктурным слоем по контуру отверстия, при этом толщина слоя варьировалась в пределах л = (0,05^0,3)^- Установлено, что в пластине при наличии наноструктурного слоя толщиной 5 = (0,05-Ю,2)(1 в случае упругопластического одноосного нагружения образовываются две зоны пластических деформаций. Первая развивается в слое из наноструктурного материала, а вторая в области обычного материала. Выявлено, что между зонами пластичности имеется упругий слой материала. Увеличение толщины наноструктурного слоя приводит к снижению зоны пластических деформаций в обычном материале. При .у □ 0.2(1 образование зоны пластического течения наблюдается только в наноструктурном материале и отсутствует во втором слое пластины из обычного материала.

Отметим, что в пластине из обычного материала с наноструктурным слоем толщиной ^ = (0,05-Ю,2)с/ по окончанию одноосного упругопластического нагружения и разгрузки в теле пластины формируются поля остаточных осевых напряжений ау с двумя участками сжимающих и растягивающих напряжений:

один возникает на контуре отверстия, а второй - на границе между слоями. Данный характер распределения обусловлен различиями физико-механических свойств материала в наноструктурном слое и в крупнозернистом объеме тела пластины. При я > 0.2с1 характер распределения полей напряжений подобен характеру, возникающему в деталях с однородным структурным состоянием.

Выполнен расчет НДС в пластинах из обычных материалов с запрессованными в отверстия кольцами из наноструктурного титанового сплава Тл-6А1-4У при одноосном нагружении интенсивностью ад. Толщина кольца 5 варьировалась в пределах 5 =2+10 мм. Исследование состояло из следующих этапов:

1. Расчет технологической наследственности после РКУП. Результаты исследований приводятся во второй главе.

2. Моделирование процесса посадки с натягом наноструктурного кольца в отверстие пластины.

3. Расчет полей напряжений, формирующихся в процессе упругого деформирования пластины из обычного материала с запрессованным наноструктурным кольцом.

Расчет НДС на втором этапе исследования установил, что после запрессовки в кольце возникают сжимающие напряжения.При этом минимальные напряжения формируются на глубине t от кромки внутреннего диаметра кольца, а максимальные - у стыка кольца с пластиной. Выявлено, что при увеличении толщины кольца 5 происходит снижение- уровня напряженного состояния. Например, при толщине кольца 5=5 мм уровень максимальных напряжений пу по сравнению с кольцом толщиной 5=2 мм снижается на 53%, а минимальных -на 65%. Отметим, что в пластине технологические напряжения принимают растягивающий характер. При этом максимальные напряжения наблюдаются в области контакта пластины с кольцом. Установлено, что с увеличением толщины кольца наблюдается рост уровня максимальных напряжений. При этом зависимость напряженного состояния от толщины кольца имеет линейный характер, так увеличение толщины на 1 мм соответствует росту уровня напряжений на 5%.

Расчеты НДС при одноосном растяжении пластины выявили, что при нагружении в кольце происходит снижение уровня сжимающих напряжений. Так, например, минимальные напряжения формируются на кромке кольца, а максимальные — в зоне стыка кольца с ..пластиной. При этом в самом теле пластины характер распределения осевых напряжений не изменился, наблюдается только рост уровня напряжений.

Установлено, что при одноосном нагружении пластины интенсивностью <5а>акр происходит потеря контакта между кольцом и пластиной.

При этом максимальное значение акр достигает при толщине кольца 6 мм (рисунок 3). При дальнейшем увеличении толщины кольца уровень критической растягивающей нагрузки снижается.

Отметим, что наличие

технологической наследственности в заготовке кольца не влияет на прочность соединения, т.к. соединение теряет работоспособность при потере контакта между пластиной и кольцом, а как отмечалось ранее изменение напряженного состояния в кольце при одноосном нагружении не оказывает влияние на НДС в пластине.

Исследовано влияние технологических остаточных напряжений, сформированных после РКУП в заготовке и накатки кольцевой канавки на стержне, на уровень концентрации напряжений в стержнях диаметром с! = 6 мм при упругом одноосном нагружении. Расчет проводился в три этапа:

1. Расчет технологической наследственности после РКУП. Результаты исследований приводятся во второй главе.

2. Моделирование технологического процесса формирования кольцевой канавки на стержне путем накатывания.

3. Расчет полей напряжений формирующихся в процессе упругого деформирования стержня с кольцевой канавкой.

Результаты исследований показали, что максимальные напряжения формируются на глубине ¿//я? = 0.23 от кромки канавки (¡; - глубина формирования максимальных сжимающих напряжений). При этом характер остаточных напряжений соответствует сжимающим напряжениям. Зона растягивающих напряжений возникает на глубине = 0.35 (12 - глубина формирования максимальных растягивающих напряжений). Выявлено, что при упругом одноосном нагружении наличие технологических напряжений существенно снижает негативное влияние концентратора напряжений. Так, например, для стержня с канавкой (с1 = 6 мм, г// = 0.1, угол раствора а=60°, где г и / — радиус и глубина впадины канавки соответственно) из наноструктурного материала уровень напряжений в зоне концентратора напряжений при упругом одноосном нагружении в 2,6 раза больше, чем уровень напряжений, рассчитанный с учетом технологической наследственности для наноматериалов.

Выполнен расчет НДС и определены остаточные напряжения в стержнях с выточкой при упругом и упругопластическом деформировании. Деформирование осуществлялось при одноосном растяжении деталей интенсивностью с0, меняющейся в диапазоне от 200 до 500 МПа. Установлено, что при расчете НДС без учета технологической наследственности при упругом и упругопластическом одноосном нагружении характер распределения полей напряжений и деформаций в стержнях из наноструктурных и обычных

120 ХЖ юо ^ 80 60

20 о

9, 1 05

7 /

Рисунок 3 - Зависимость максимальной интенсивности нагружения а^, от толщины кольца

материалов одинаковый. Определено, что при упругом нагружении максимальные напряжения возникают на кромке выточки, а при упругопластическом смещаются вглубь тела на расстояние равное глубине распространения пластических деформаций. Выявлено, что глубина распространения пластических деформаций в стержнях из наноструктурных материалов яри одноосном растяжении интенсивностью ст0 = 500 МПа на 20% меньше, чем в обычных.

Проведена оценка влияния толщины наноструктурного слоя по контуру канавки в стержне на характер НДС при одноосном растяжении интенсивностью о0. При исследовании толщина слоя ^ варьировалась от 0,5 мм до 1 мм. Установлено, что характер распределения полей напряжений и деформаций подобен НДС при нагружении стержней из материала с однородным структурным состоянием. Т.е. наличие наноструктурного слоя не оказывает существенного влияния на характер напряженного состояния.

В четвертой главе представлены результаты исследования НДС в законцовке гибкого трубопровода (рисуноз наследственности в отдельных элементах конструкции, полученных в результате различных видов обработки (гидравлическая штамповка, РКУП и т.д.).

Гибкие трубопроводы (рукав) применяются в условиях высоких рабочих нагрузок и сложной схемы подключения в гидро-, пневмо- и топливных системах для транспортировки рабочей среды. Основную нагрузку при эксплуатации в конструкции гибких трубопроводов испытывают законцовки, которые обеспечивают герметичность и надежность стыковки.

В качестве примера объектом исследования являлся рукав, использующийся в двигателе для подачи воздуха. Анализ результатов периодических испытаний, дефектов и отказов работы данного изделия установил, что при статическом и циклическом изменении нагрузок разрушение гибкого трубопровода происходит в законцовке. Данный элемент конструкции является соединением двух деталей: вкладыша, изготовленного из нержавеющей стали 12Х18Н10Т (а„.2 = 210 МПа, <тв= 670 МПа, Е = 210 ГПа), и ниппеля, выполненного из титанового сплава ВТ6 (о0,2 = 700 МПа, ов= 1150 МПа, £=115 ГПа). Причиной потери работоспособности и разрушения являлись следующие факторы:

1. Вырыв ниппеля из соединения законцовки при нагружении внутренним давлении ррав- Исследование данного разрушения установило, что причиной является отклонения геометрических размеров деталей. Это привело к снижению контактного давления между ниппелем и вкладышем.

2. Разрушение ниппеля при нагружении внутренним давлением свыше ЗхрРаб- Причиной потери работоспособности является разрушения материала

к 4) с учетом технологической

Рисунок 4 - Внешний вид гибкого трубопровода

ниппеля в области кольцевых канавок, использующихся для создания дополнительного сцепления между деталями в законцовке.

С целью повышения прочности законцовки трубопровода предлагается использовать при изготовлении ниппеля наноструктурный титановый сплав ВТ6 (сг„.2= 900 МПа, оп = 1620 МПа, £ =115 ГПа) без изменения его конструкции.

Серийный технологический процесс изготовления законцовки трубопровода и его комплектующих включает в себя механическую обработку ниппеля, гидравлическую штамповку вкладыша и развальцовку собранного узла. Учитывая специфику серийного технологического процесса и получения наноструктурного материала, исследование проводились в несколько этапов:

1. Расчет технологической наследственности в заготовке после РКУП.

2. Моделирование процесса гидравлической штамповки вкладыша.

3. Расчет полей напряжений формирующихся при изготовлении законцовки трубопровода методом пластического деформирования (развальцовки).

В ходе исследования было изучено формирование НДС и остаточных напряжений и деформаций в деталях (ниппель, вкладыш) на всех этапах технологического процесса.

Выявлено влияние технологической наследственности, сформированной в деталях законцовки трубопровода. Установлено, что по окончанию изготовления законцовки уровень максимальных остаточных тангенциальных напряжений в наноструктурном ниппеле на 40% ниже, чем в ниппеле из обычного материала, а уровень максимальных остаточных осевых напряжений - на 28%. Снижение уровня напряжений в ниппеле из наноструктурного сплава объясняется влиянием полей технологических напряжений, наведенных на предыдущих операциях, и высокими физико-механическими свойствами наноструктурного титанового сплава ВТ6.

Анализ полей технологических напряжений в законцовке из крупнозернистых материалов установил, что разрушение ниппеля при статическом нагружении внутренним давлением свыше 3 хрра6 происходит по причине суммирования напряжений от статических нагрузок и технологических напряжений. Определено, что прочность законцовки гибкого трубопровода с применением наноструктурного материала повышается практически в 2 раза по сравнению с прочностью аналогичных конструкций из обычных материалов.

Для проверки достоверности полученных результатов выполнены экспериментальные работы по определению деформированного состояния деталей на основных технологических операциях. Было проведено исследование деформированного состояния деталей законцовки

Рисунок 5 - Внешний вид трубчатых заготовок (а) и вкладыша (б)

трубопровода и самого узла до начала технологической операции и по ее окончанию. На рисунке 5 в качестве примера приведен внешний вид трубчатой заготовки до операции гидравлической штамповки и вкладыша по окончанию.

Сравнение полученных экспериментальных результатов с расчетными установило, что отклонение значений деформаций не превышает 10 %.

В пятой главе представлены результаты численного расчета и. экспериментального исследования усталостной многоцикловой прочности элементов конструкций (гладкие образцы, стержни с выточкой и пластины с отверстием).

Испытание гладких образцов проводилось в условиях изгиба с вращением с частотой /=50Гц при симметричном цикле нагружения и базе испытаний ТУ=107 в соответствии с ГОСТ 25.502-79. Установлено, что предел выносливости а.1 образцов из наноструктурного титанового сплава Т1-6А1-4У достигает значения 740 МПа, образцов из обычного титанового сплава - 600 МПа.

Проведено теоретическое и экспериментальное исследование усталостной многоцикловой прочности стержней с выточкой.Анализ результатов численного расчета выявил, что предел выносливости о.щ стержней с выточкой из наноструктурного титанового сплава ТьбАМУпри симметричном нагружении (циклическом изгибе с вращением) соответствует значению ст^д = 222 МПа (а^д - усталостная прочность,рассчитанная теоретически). Экспериментальные исследования усталостной прочности стержней установили, что а!гд достигает уровня 220МГ1а (сг!,^ — усталостная прочность определенная экспериментально). Разница между результатами численного расчета и экспериментальными данными составляет не более 5%.

Однако при числе циклов Н= 104анализ результатов численного расчета выявил, что разрушение детали происходит при уровне максимальных напряжений 252 МПа, а при эксперименте напряжения цикладостигают значения 325 МПа. Разница между значениями составляет 22,5%. Таким образом, заметим, что при приближении значения напряжений цикла к малоцикловой области, разница между результатами численного расчета и эксперимента

увеличивается. При этом в пределах многоцикловой области (М >105), отклонение не превышает 10%.

Исследования усталостной прочности пластины с отверстием при ее симметричном растяжении- Рисунок 6 - Результаты усталостных сжатии установили, что предел испытаний стержня с выточкой при выносливости а.1Д для пластины из симметричном нагружении

обычного титанового сплава почти в два раза меньше, чем для аналогичной детали из наноструктурного материала. При этом предел выносливости для пластины из крупнозернистого материала составляет 105 МПа, а для пластины из

наноструктурного сплава -216 МПа. Отметим, что при числе циклов АГ=104, разрушение пластины из обычного сплава И-6А1-4У происходит при уровне напряжений цикла - 179 МПа, а детали из наноструктурного титана при 240 МПа.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

В диссертационной работе получены следующие результаты:

1. Разработана методика расчета НДС в типовых элементах конструкций с концентраторами напряжений (пластина с отверстием, стержень с выточкой) из наноструктурного титанового сплава ТНзАМУ, с учетом технологической наследственности в заготовке, сформированной при РКУП.

Исследовано влияние наноструктурного слоя в области концентратора напряжений в элементах конструкций на уровень и характер распределения напряжений и деформаций. Установлено, что в пластине при наличии наноструктурного слоя толщиной 5 = (0,05-^-0,2)^ в случае упругопластического одноосного нагружения формируются две зоны пластических деформаций, где первая развивается в слое из наноструктурного материала и вторая -в области обычного материала. При я > О.ЪЛ образование зоны пластического течения наблюдается только в наноструктурном материале и отсутствует во втором слое пластины из обычного материала.

Выявлено положительное влияние технологической наследственности, сформированной после РКУП и накатки, на НДС в стержне с выточкой при одноосном нагружении. Определено, что уровень напряжений в зоне концентратора для стержней с выточкой из обычного и наноструктурного материалов (рассчитанного без учета технологической наследственности) при упругом одноосном нагружении в 2,6 раза выше, чем уровень напряжений, рассчитанный с учетом технологической наследственности.

2. Проведено исследование НДС в узлах сложной формы (на примере законцовки гибкого трубопровода) с учетом технологической наследственности в отдельных деталях, полученных в результате различных видов обработки (гидравлическая штамповка, РКУП и т.д.).

3. Экспериментально установлено, что предел выносливости для обычного титанового сплава 'П-6А1-4У на 20% меньше, чем для наноструктурного

материала. При этом cr.i для наноструктурного Ti-6A1-4V составляет 750 МПа, а для обычного — 600 МПа.

Установлено, что при симметричном циклическом изгибе предел выносливости стержня с выточкой из наноструктурного титанового сплава соответствует значению 220 МПа.

Выявлено, что предел выносливости а.щ для пластин из обычного титанового сплава почтив два раза меньше, чем для аналогичных деталей из наноструктурного материала. Предел выносливости для пластины из крупнозернистого материала достигает значения 105 МПа, а для пластины из наноструктурного сплава — 216 МПа.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

Статьи в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК:

1. Жернаков, B.C. Влияние конструктивно-технологических факторов на величину остаточных напряжений при упрочнении отверстий / B.C. Жернаков, Т.Н. Мардимасова, М.Р. Арсланов // Вестник УГАТУ. - 2011. - Т. 15, №4(44). -С. 90-94.

2. Жернаков, B.C. Особенности распределения остаточных напряжений в деталях неразъемных соединений, изготовленных из наноструктурного титанового сплава ВТ6 / B.C. Жернаков, Т.Н. Мардимасова, М.Р. Арсланов // Вестник УГАТУ. -2012. - Т.16, №5(50). - С. 83-88.

3. Жернаков, B.C. Особенности распределения остаточных напряжений в элементах конструкций с концентраторами напряжений из наноматериала /

B.С.Жернаков, Т.Н. Мардимасова, М.Р. Арсланов // Вестник УГАТУ. - 2013. -Т. 17, №3(56). - С. 260 - 265.

4. Пат.2493930 Российская Федерация, МПК B21J 5/08 B21J 13/02. Матрица для высадки многогранных деталей [Текст] / Жернаков B.C., Валиев Р.Ш., Газизов Х.Ш., Фаизов Ю.Р., Арсланов М.Р.; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО УГАТУ. - № 2012114010/02; заявл.10.04.2012; опубл. 27.09.2013, Бюл. №27 — 5с: ил.

5. Пат. 2496596 Российская Федерация, МПК B21J 5/08, B21J 13/02.Матрица для высадки многогранных деталей [Текст] / Жернаков B.C., Валиев Р.Ш., Газизов Х.Ш., Фаизов Ю.Р., Арсланов М.Р.; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО УГАТУ. - № 2012112568/02; заявл. 30.03.2012; опубл. 27.10.2013, Бюл. № 30 - 5с: ил.

В других изданиях, включая труды всероссийских и международных

НТК:

6. Арсланов, М.Р. Исследование напряженно-деформированного состояния в местах упрочнения элементов конструкций/ М.Р. Арсланов.//Российская научно-техническая конференция «Мавлютовские чтения». - 2011. - Т.З. —

C. 77-82.

7. Арсланов, М.Р. Напряженно-деформированное состояние в трубчатых заготовках при гидропластической штамповке/ М.Р. Арсланов. //Всероссийская молодежная научная конференция «Мавлютовские чтения». -2012. — Т.1. - С. 136.

8. Арсланов, М.Р. Особенности распределения остаточных напряжений в деталях наноструктурного титанового сплава ВТ6 при изготовлении сложных неразъемных соединений / М.Р. Арсланов, В.Р. Акбашев //Всероссийская молодежная научная конференция «Мавлютовские чтения». - 2012. - Т.1. -С. 137-138.

9. Арсланов, М.Р. Изменение напряженно-деформированного состояния в деталях при изготовлении сложных неразъемных соединений / М.Р. Арсланов. // Седьмая Всероссийская зимняя школа-семинар аспирантов и молодых ученых «Актуальные проблемы науки и техники». - 2012. - Т.2. -

10. Арсланов, М.Р. Остаточные напряжения при гидропластической штамповке в трубчатых заготовках/ М.Р. Арсланов. //Седьмая Всероссийская зимняя школа-семинар аспирантов и молодых ученых. Актуальные проблемы науки и техники. —2012. — Т.2. — С. 86—89.

11. Арслапов, М.Р. Численный расчет усталостной прочности элементов конструкций / М.Р. Арсланов. //Всероссийская молодежная научная конференция «Мавлютовские чтения». -2013. - Т.1.-С.81-83.

12. Арсланов, М.Р. Влияние остаточных напряжений на усталостную прочность элементов конструкций / М.Р. Арсланов. // Всероссийская молодежная научная конференция «Мавлютовские чтения». - 2013 —Т. 1 .-83-84.

13. Арсланов, М.Р. Моделирование технологических остаточных напряжений, сформированных при получении соединения с натягом / М.Р. Арслапов, В.Р. Акбашев. // Девятая Всероссийская зимняя школа-семинар аспирантов и молодых ученых «Актуальные проблемы науки и техники». - 2014 -Т.1.-83-84.

С. 82-85.

Соискатель

APCJIAHOB Марат Рашитович

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ НАСЛЕДСТВЕННОСТИ НА НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ И УСТАЛОСТНУЮ ПРОЧНОСТЬ ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИЙ ИЗ ОБЪЕМНЫХ НАНОМАТЕРИАЛОВ

Специальность

01.02.06 - динамика и прочность машин, приборов и аппаратуры

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать 10.04.2014г. Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Печать плоская. Гарпитура Times New Roman. Усл. печ. л. 1,0.Усл. кр.-отт.1,0. Уч.- изд.л.1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 255. ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный авиационный технический университет» Центр оперативной полиграфии 450000, Уфа-центр, ул. К.Маркса, 12

Текст научной работы диссертации и автореферата по механике, кандидата технических наук, Арсланов, Марат Рашитович, Уфа

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ УФИМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АВИАЦИОННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

0420145914 с

Арсланов Марат Рашитович

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ НАСЛЕДСТВЕННОСТИ НА НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ И УСТАЛОСТНУЮ ПРОЧНОСТЬ ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИЙ ИЗ ОБЪЕМНЫХ НАНОМАТЕРИАЛОВ

Специальность

01.02.06 - динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

научный руководитель:

доктор технических наук, профессор

Жернаков Владимир Сергеевич

Уфа-2014

СОДЕРЖАНИЕ

СОДЕРЖАНИЕ..................................................................................................... 2

Введение................................................................................... 8

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ РАСЧЕТА ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИЙ ИЗ ОБЪЕМНЫХ НАНОМАТЕРИАЛОВ..................................................... 13

1.1. Применение наноматериалов в конструкциях современных изделий ... 15

1.2.Влияние конструктивно-технологических факторов на напряженно-деформированное состояние в элементах конструкций...................... 16

1.3. Расчет технологической наследственности в элементах конструкций ... 22

1.3.1.Методы определения технологической наследственности в осесимметричных деталях после гидравлической штамповки........• 24

1.3.2.Методы определения технологической наследственности в деталях, изготовленных пластической деформацией.................... 26

Основные выводы по главе 1 ........................................................... 28

ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ

НАСЛЕДСТВЕННОСТИ, СФОРМИРОВАННОЙ ПРИ РАВНОКАНАЛЬНОМ УГЛОВОМ ПРЕССОВАНИИ (РКУП) ... 29

2.1.Методика расчета напряженно-деформированного состояния и технологической наследственности после РКУП............................. 32

2.2. Анализ технологической наследственности в заготовках после РКУП 34

Основные выводы по главе 2........................................................... 39

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ЧИСЛЕННОГО РАСЧЕТА НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ (НДС) В ЭЛЕМЕНТАХ КОНСТРУКЦИЙ ИЗ ОБЪЕМНЫХ НАНОСТРУКТУРНЫХ МАТЕРИАЛОВ ПРИ НАЛИЧИИ КОНЦЕНТРАТОРОВ НАПРЯЖЕНИЙ................................. 40

3.1.Методика расчета напряженно-деформированного состояния в элементах конструкций из объемных наноструктурных материалов при наличии концентраторов напряжений............................................. 40

3.2.Расчет напряженно-деформированного состояния в пластинах из обычного и наноструктурного материала при одноосном нагружении ... 47

3.2.1.Анализ напряженно-деформированного состояния в пластине из обычного и наноструктурного материала при упругом и упругопластическом одноосном нагружении.......................... 51

3.2.2.Анализ остаточных напряжений в пластине из обычного и наноструктурного материала после разгрузки........................ 58

3.3.Расчет напряженно-деформированного состояния в пластине с запрессованным в отверстие кольцом из наноструктурного материала

при одноосном нагружении........................................................ 62

3.3.1.Расчет технологических остаточных напряжений, сформированных при получении соединения с натягом........... 62

3.3.2.Влияние одноосного нагружения на напряженно-деформированное состояние пластины с запрессованным кольцом........................................................................ 65

3.3.3.Влияние технологической наследственности, после РКУП, на характер распределения НДС в пластине с кольцом из наноструктурного материала при упругом одноосном нагружении.................................................................. 67

3.4.Расчет напряженно-деформированного состояния в стержнях с выточками из обычного и наноструктурного материала при одноосном нагружении............................................................................ 70

3.4.1. Анализ напряженно-деформированного состояния в стержнях с выточкой из обычного и наноструктурного материала при упругом и упругопластическом одноосном нагружении.........

3.4.2. Анализ остаточного напряженного и деформированного состояния в стержнях с выточкой из обычного . и наноструктурного материала после разгрузки....................... 77

3.5.Расчет напряженно-деформированного состояния в стержнях из наноструктурного материала при одноосном нагружении с учетом технологической наследственности после РКУП и накатки кольцевой канавки.................................................................................. 81

3.5.1.Моделирование процесса накатки кольцевой канавки на стержнях из наноструктурного материала с учетом технологической наследственности после РКУП..................... 82

3.5.2. Анализ напряженно-деформированного состояния и технологической наследственности после накатки кольцевой канавки......................................................................... 82

3.5.3.Анализ напряженно-деформированного состояния в стрежне кольцевой канавкой при одноосном нагружении с учетом технологической наследственности................................... 85

Основные выводы по главе 3........................................................... 87

ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ В ОБЪЕКТАХ СЛОЖНОЙ ФОРМЫ С УЧЕТОМ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ НАСЛЕДСТВЕННОСТИ В ОТДЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТАХ............................................... 93

4.1. Введение............................................................................... 93

4.1.1. Анализ технологического процесса..................................... 96

4.2. Моделирование гидропластической штамповки детали типа вкладыш 98

4.2.1.Методика расчета НДС и остаточных напряжений, сформированных после гидропластической штамповки в тонкостенных трубчатых заготовках из нержавеющей стали 12Х18Н10Т.................................................................... 98

4.2.2.Анализ напряженно-деформированного состояния и остаточных напряжений.................................................................. 103

4.2.3.Влияние конструктивных факторов на напряженно-деформированное состояние в детали типа вкладыш............... 106

4.2.4.Экспериментальное исследование деформированного состояния

вкладыша..................................................................... 107

4.2.5. Сравнение полученных экспериментальных данных с

результатами численного решения...................................... 112

4.3.Моделирование технологического процесса изготовления неразъемного соединения в законцовке трубопровода с применением материалов с обычным структурным состоянием........................................................112

4.3.1.Методика численного расчета НДС и остаточных напряжений в деталях законцовки трубопровода, изготовленного методом пластической деформации................................................ 113

4.3.2.Анализ напряженно-деформированного состояния в деталях неразъемного соединения................................................. 116

4.3.3.Экспериментальное исследование деформированного состояния

в законцовки трубопровода................................................ 119

4.3.4.Сравнение полученных экспериментальных данных с результатами численного решения...................................... 122

4.4.Моделирование технологического процесса изготовления неразъемного соединения в законцовке трубопровода с применением объемных наноструктурных материалов...................................................... 122

4.4.1. Анализ напряженно-деформированного состояния в деталях

неразъемного соединения.................................................. 123

4.5.Сопоставление напряженного состояния и остаточных напряжений в деталях законцовки трубопровода, изготовленных из крупнозернистых

и наноструктурных материалов.................................................... 125

Основные выводы по главе 4........................................................... 127

ГЛАВА 5. ИССЛЕДОВАНИЕ МНОГОЦИКЛОВОЙ УСТАЛОСТНОЙ ПРОЧНОСТИ В ЭЛЕМЕНТАХ КОНСТРУКЦИЙ ИЗ ОБЪЕМНЫХ НАНОМАТЕРИАЛОВ................................. 128

5.1. Методика расчета усталостной прочности конструкций при многоцикловом нагружении........................................................ 128

5.1.1.Решение статической задачи............................................... 130

5.1.2.Приведение объемного напряженного к эквивалентному одноосному состоянию.................................................... 130

5.1.3.Сведение асимметричного цикла напряжений к эквивалентному симметричному.............................................................. 131

5.1.4.Корректировка значений эквивалентных амплитудных напряжений для учета конструктивно-технологических факторов....................................................................... 132

5.1.5.Расчет числа циклов N , при которых происходит усталостное разрушение конструкции.................................................. 134

5.1.6.Вычисление коэффициентов запаса усталостной прочности по долговечности и амплитудным напряжениям......................... 136

5.2.Расчет усталостной прочности стержня с выточкой при симметричном циклическом изгибе................................................................... 136

5.3.Расчет усталостной прочности пластины с отверстием при симметричном циклическом растяжении - сжатии........................... 142

5.4 Экспериментальное исследование усталостной многоцикловой прочности элементов конструкций из обычного и наноструктурного титанового сплава Ti-6A1-4V....................................................... 148

Основные выводы по главе 5

151

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЯ......................................... 153

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ...................................... 155

Введение

Актуальность темы исследования. В настоящее время большое внимание уделяется объемным наноструктурным материалам (титановым сплавам), которые характеризуются чрезвычайно привлекательными механическими свойствами. Получение данных материалов осуществляется методами интенсивной пластической деформации (ИПД), при которых в заготовке накапливаются пластические деформации до 200 - 400%. В результате обработки материалов методами ИПД удается существенно увеличить их механические свойства. Так, например, предел текучести и усталостная прочность титановых сплавов возрастают практически в 1,5 - 2 раза, при этом пластичность уменьшается незначительно.

Несмотря на большое число работ по изучению процесса РКУП, проблема оценки влияния технологической наследственности (остаточных напряжений и накопленных пластических деформаций) в заготовке на напряженно-деформированное состояние (НДС) и прочность элементов конструкций, выполненных из объемных наноматериалов, недостаточно изучена и является актуальной задачей. Исследование особенностей формирования НДС при нагружении с учетом технологической наследственности позволит повысить надежность и усталостную прочность конструкций, выполненных из данных

материалов, а также оценить возможность их использования в современных изделиях.

Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие основные задачи:

Научная новизна

1. Разработана методика расчета НДС в типовых элементах конструкций (пластина с отверстием, стержень с выточкой) из наноструктурного титанового сплава Т1-6А1^У, отличающаяся от существующих учетом технологической наследственности в заготовках после РКУП.

2. Выполнен численный расчет НДС в законцовке гибкого трубопровода, изготовленного из обычных и объемных наноструктурных материалов. Данный расчет, в отличие от существующих, учитывает «историю» нагружения в отдельных деталях законцовки гибкого трубопровода, полученных в результате различных видов обработки (гидравлическая штамповка, РКУП и т.д.).

Выявлено положительное влияние технологической наследственности на уровень и характер распределения НДС в элементах гибкого трубопровода, формирующегося в процессе их изготовления. Установлено, что прочность гибкого трубопровода с наличием элементов из наноструктурного титанового сплава ВТ6 при статическом нагружении практически в 2 раза выше, чем для аналогичных объектов из обычного ВТ6.

3. Исследована теоретически и экспериментально усталостная многоцикловая прочность элементов конструкций из обычных и объемных наноструктурных титановых сплавов Т1-6А1^У.

Выявлено, что при симметричном цикле нагружения предел выносливости пластины с отверстием из обычного сплава Тл-бА!—4У практически в два раза меньше, чем для аналогичных деталей из наноструктурного материала.

Практическая значимость работы

2. Результаты исследования НДС в законцовке гибкого трубопровода внедрены на предприятии УАП ОАО «Гидравлика» и позволили оптимизировать режимы технологического процесса изготовления гибкого трубопровода и его комплектующих, сформировать благоприятное остаточное напряженно-деформированное состояния в деталях и увеличить прочность конструкции в целом.

Методы исследования. Работа выполнена на основе классических методов теории упругости, теории пластичности и механики деформируемого твердого тела. Численный расчет осуществлен на базе метода конечных элементов с применением программно-вычислительных комплексов ANSYS, Deform 3D. Анализ и обработка результатов экспериментов выполнены классическими статистическими методами. Положения, выносимые на защиту:

— методика расчета НДС в типовых элементах конструкций с концентраторами напряжений (пластина с отверстием, стержень с выточкой), выполненных из наноструктурного материала, с учетом технологической наследственности в заготовке, сформированной при РКУП;

— результаты расчета остаточных напряжений и деформаций в законцовке гибкого трубопровода из обычного и наноструктурного титанового сплава ВТ6 с учетом «истории» нагружения в отдельных деталях, полученных при различных видах обработки (гидравлическая штамповка, РКУП и т.д.);

— результаты теоретического и экспериментального исследования усталостной многоцикловой прочности элементов конструкций из обычного и наноструктурного титанового сплава Ti—6A1-4V.

Публикации. Основные результаты диссертации отражены в 11 печатных работах, в том числе 3 в рецензируемых изданиях из списка ВАК и двух патентах.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка литературы. Работа содержит 168 страниц машинописного текста, включающего 91 рисунок и библиографический список из 117 наименований.

ГЛАВА 1 СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ РАСЧЕТА ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИЙ ИЗ ОБЪЕМНЫХ НАНОМАТЕРИАЛОВ

В настоящее время создание новых изделий в авиационной и космической технике ограничено высокими требованиями конструкционной прочности. Прим