Оценка напряженно-деформированного состояния элементов конструкций на основе анализа деформационного упрочнения материала тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.04 ВАК РФ

АКАДЕМИЯ НАУК УКРАИНСКОЙ ССР ИНСТИТУТ МЕХАНИКИ

№ лб

На правах рукописи

БАСТУЯ ВЛАДИМИР НИКОЛАЕВИЧ

УДК 539.37:539л

ОЦЕНКА НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИЯ НА ОСНОВЕ АНАЛИЗА ДЕФОРМАЦИОННОГО УПРОЧНЕНИИ МАТЕРИАЛА

01.02.(й- - механика деформируемого твердого тела

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации ка соискание ученой степени доктора технических наук

Киев - 1989

\

Работа выполнена в Институте механики АН УССР -

Официальные оппоненты: доктор физико-математических

наук, профессор Панферов В.а, докюр технических наук, профессор Цурпал И.А. докюр технических наук, профессор Ковальчук Б.И.

Ведущая организация - Институт проблей прочности АН УССР

(Киев)

Защита состоится "_"_19 года в

10 часов на заседании специализированного совета Д 016.49.01 при Институте механики АН УССР (252057, г.Киев-57, ул.П.Нестерова, 3)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института механики АН УССР

Автореферат разослан "_"_19 года

Ученый секретарь специализированного совета доктор физико-математических

наук, профессор _ Бабич И.Ю.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Одним из основных направлений научно-технического прогресса на современном этапа является повышение надежности и долговечности машин и инкенврных сооружений. Практическое решение этой проблемы требует улучшения качества диагностики напряненно-деформирозанного состояния элементов конструкций в процессе их изготовления и эксплуатации.

Для диагностики напряженно-деформированного состояния элементов конструкций применяют различные расчетные методы и экспериментальные, основанные на измерении напряжений и деформаций, которое осуществляют обычно в процессе испытаний. К экспериментальным относятся такие известные методы, как тензонетрический и термоэлектричесгсий, методы, основанные на применении наносимых на поверхность исследуемого конструктивного элемента репер-ных точек, линий, муаровых полос а покрытий, а такяе методы, в основу которых положен учет изменения физических свойств материала конструкции в процессе деформирования. Эти методы достаточно полно рассмотрена в монографиях К.Фанка и Х.Рорбаха, И.П. Сухарева, Г.Д.Деля, коллективной монографии под редакцией А.Н.Гузя, в справочных пособиях Н.Й.Пригорозского и коллектива авторов з составе Б.С.Касаткина, А.Б.Кудрина, Л.Н.Лобанова и др., а тагосе в многочисленных статьях. Большинство указанных методов требует проведения измерений одновременно с процессом нагружепия. Методы, основанные на учете изменения физических свойств деформированного материала, слонны при разделений компонент тензоров напряжений и деформаций в общем случае слоеного напряженного состояния и требуют наличия достаточно сложного оборудования. На практике яе часто встречаются условия, когда нагрузки или перемещения в конструкции неизвестны либо возможность их определения в процессе нагружения затруднена. Так, например, в процессе эксплуатации напряжения и деформации обычно не измеряют, необходимость же в их определении возникает в случае разрушения конструкции, когда требуется установить причины возникновения аварийной ситуации. Аналогичное положение имеет место при технологическом деформировании материала в процессе изготовления элементов конструкций. Для оценки аапряжви-но-деформированного состояния в подобных условиях мохбт быть

применен метод, основанный на решении сформулированной А.А.Илыо-ваиш в теории пластичности в общей виде задачи генезиса начальных состояний. Однако, возможность использования этого метода ограничена в связи с тем, что известные решения этой задача справедливы лишь для материалов, проявляющих вырааенную анизотропию упругих свойств, либо носят приблиненный характер и относятся к частный случаям напряженного состояния.

С учетом сказанного является актуальный эффективное решение задачи генезиса начальных состояний в общем случае сложного напряженного состояния применительно к широкому кругу конструкционных металлов и разработка на основе полученного решения достаточно простого и экспериментально обоснованного метода оценки напряженно-деформированного состояния элементов конструкций в условиях, когда данные о величина нагрузок или перемещений отсутствуют, а процессы нагрукения и определения напряжений и деформаций разделены во времени.

Целью работы является решение проблемы диагностики напряженно-деформированного состояния элементов конструкций на стадиях изготовления и эксплуатации в случаях, когда нагрузки или перемещения неизвестны, путей разработки и экспериментального обоснования метода определения напряяений и деформаций, основанного на учете деформационного упрочнения материала конструкции или прикрепляемых к ее поверхности пластических индикаторов.

Научная новизна работы заключается в том, что в ней впервые разработан и экспериментально обоснован новый метод оценки напряженно-деформированного состояния элементов конструкций, основанный на решении задачи генезиса начальных состояний путем учета деформационного упрочнения материала, используя концепцию поверхности нагруяения, при нагружении по прямолинейным траекториям и траекториям деформирования малой кривизны. При разработке метода получены соотношения, устанавливающие связь менду уп-ругопластическими свойствами деформированного материала и параметрами искомого процесса нагружения, а также проведена на широком круге конструкционных металлов проверка использованных гипотез теории пластичности, описывающих деформирование и упрочнение материала при нагругенин по указанным траекториям.

Достоверность полученных результатов обеспечивается экспериментальным обоснованием использованных гипотез и допущений, а

такав соответствием данных о напряненно-деформированном состоянии ряда натурных конструкций, полученных с помощью предложенного метода, результатам непосредственного измерения деформаций и оценки по их значениям величины напряжений. Достоверность экспериментальных данных подтверждается повторяемостью результатов при многократной реализации одной и той же программы нагрунеиия и метрологическим обеспечением измерений.

Практическая значимость работы заключается:

- в обеспечении возможности диагностики напряженно-деформированного состояния элементов конструкций в случаях, когда данные о нагрузках или перемещениях в процессе нагружения отсутствуют;

- в использовании установленных закономерностей деформационного упрочнения при разработке технологических процессов изготовления элементов конструкций, включающих пластическое деформирование;

- в использовании упругопластических и прочностных характеристик исследованных конструкционных материалов при сложном напряженном состоянии в расчетах несущей способности элементов конструкций.

Результаты работы внедрены в инженерную практику ряда предприятий страны. Документально подтаеряденный экономический эффект от использования результатов работы на этапе ее выполнения составляет 940 тыс.руб. По результатам разработок получено 7 авторских свидетельств на изобретение.

Апробация работы. Основные результаты настоящей работы докладывались на ХП, ХШ, Х1У и ХУ научных совещаниях по тепловым напряжениям в элементах конструкций (Канез, 1972, 1974, 1977, 1980), П Всесоюзной конференции по прочности и пластичности (Горький, I978), Всесоюзном совещании "Прочность материалов и элементов конструкций при сложном напряженном состоянии" (Киев, 1977), IX, X, XI и ХП Научно-технических совещаниях по тепловой микроскопии металлических материалов "Структура и прочность материалов в широком диапазоне температур" (Фрунзе, 1980, Новокузнецк, 1982, Москва, 1984 и 1986), I Всесоюзной конференции по многослойным сварным конструкциям а трубам (Киев, 1980), I Всесоюзной конференции по влиянию термообработки на свойства титановых сплавов (Днепропетровск, 1980), Всесоюзном симпозиуме

по устойчивости в механике деформируемого твердого тела (Калинин, 1981), Всесоюзной научно-технической конференции "Термическая и термомеханическая обработка стали - важный резерв экоко-11 ни металла" (Днепропетровск, 1981), П, Ш и 1У Научно-технических конференциях "Совершенствование эксплуатации и ремонта корпусов судов" (Калининград, 1981, 1984, 1986), Ш Всесоюзной конференции по прочности и пластичности (Пермь, 1983), П Всесоюзном симпозиуме "Прочность материалов и элементов конструкций при сложном напряженном состоянии" (Киев, 1984), Всесоюзной конференции "Повышение надежности и долговечности сельскохозяйственных машин" (Красноярск, 1985), Всесоюзной конференции "Аппаратура и трубопроводы высокого давления" (Иркутск, 1985), Всесоюзной научно-технической конференции "Проблемы трубопроводного транспорта нефти и газа" (Ивано-Франковск, 1985), Науч-нотехиической конференции "Экспериментальные методы в механике деформируемого твердого тела" (Калининград, 1987), И Всесоюзной конференции "Современные проблемы строительной механики и прочности летательных аппаратов" (Казань, 1988), семинаре кафедры теории упругости МГУ (Москве, 1982, руководитель семинара член-корр. АН СССР А.А.Ильюшин).

Диссертационная работа в полном объеме докладывалась на семинаре отдела механики разрушения материалов Института механики АН УССР (Киев, 1984, 1989, руководитель семинара д.ф.-м.н, профессор А.А.Каминский), семинаре по механике деформируемых систем и общей механике Института механики АН УССР (Киев, 1984, 1989, руководитель семинара академик АН УССР А.Н.Гузь), семинаре Института проблем прочности АН УССР "Напряженно-деформированное состояние и расчет на прочность" (Киев, 1987, руководитель семинара академик АН УССР А.А.Лебедев), семинаре ЦИАМ "Проблемы прочности и динамики в авиадвигателестрсении" (Москва, 1987, руководитель семинара д.т.н. профессор И.А.Биргер), семинаре по механике деформируемого твердого тела НИИ механики МГУ (Москва, 1989, руководитель семинара д.ф.-м.н. профессор В.Ы.Панферов), семинаре по научному направлению "Механика разрушения и усталость" Института механики АН УССР (Киев, 1989, руководитель семинара д.ф.-м.н. профессор А.А.Каминский), семинаре кафедры динамики и прочности машин и сопротивления материалов КПИ (Киев, 1989, руководитель семинара д.т.н. профессор Н.С.Мокаровский).

Публикации. Основные результаты, изложенные в диссертации, опубликованы в 40 печатных работах.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, списка литературы и приложения. Работа включает 196 страниц машинописного текста, 70 иллюстраций и 48 таблиц, список литературы из 356 наименований.

Диссертационная работа выполнена в отделе механики разрушения материалов Института механики АН УССР. Автор выражает искреннюю благодарность научным консультантам члену-корреспонденту АН УССР, доктору технических наук, профессору В.Н.Шевчек-ко и доктору физико-математических наук, профессору А.А.Каминскому за постоянное внимание и рекомендации при выполнении работы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

До введении обоснована актуальность работы, ее научная новизна и практическая полезность, кратко излояены содержание работы и сведения о внедрении результатов выполненного исследования.

В первой глава приведен критический анализ состояния вопроса по рассматриваемой проблеме. Проанализированы физические основы упрочнения металлов в процессе пластического деформирования и связанное с ним изменение механических свойств, приводятся гипотезы деформационного упрочнения, а такзе известные решения задачи генезиса начальных состояний, основанные на учете вызванного деформационным упрочнением изменения упругих и упругопластических свойств материале.

Как следует из проведенного анализа литературных данных, в исходном (недеформированном) состоянии металлы представляют собою образование произвольно ориентированных анизотропных кристаллитов - зерен, которое в совокупности практически изотропно. В процессе пластического деформирования происходит дробление зерен, их поворот, образуются предпочтительные ориентировки (текстурз), повышаются плотность и подвижность дислокаций, в результате чего упругопластические и прочностные свойстве материала изменяются и становятся зависящими от направления. Материал при этом упрочняется и из изотропного, как правило, превращается в анизотропный. Преобладание тех или •

иных структурных факторов определяет степень анизотропии упрочнения. Простейшим и наиболее изученным проявлением деформационного упрочнения при одноосном напряженном состоянии является эффект Баушингеро. Упрочнение материала в условиях сложного напряженного состояния обычно учитывают по трансформации поверхности нагрукения, разделяющей области упругого и упругопласти-ческого деформирования.

Исследованию поведения поверхности нагрукения в процессе пластического деформирования посзящено значительное количество работ как в СССР, так и эарубежоы. К ним относятся работы Е.И.Ягна, Г.Б.Талыпова, А.Юукова, А.А.Лебедева, Б.И.Коваль-чука, К.Н.Русинко и Я.Ф.Андрусика, О.А.Шишыарева, Г.А.Дощинско-го, Д.Е.Вязун, А.А.Островского, Я.Мястковского, В.Щепинского, А.Филипса, М.Михно, В.Финдли, П.Кахди, И.Охаши, Е.Ширатори, Дж.Роули и др. исследователей. На основании анализа указанных работ можно заключить, что в большинстве случаев фронтальная часть поверхности нагружения, определенная по техническому допуску на пластическую деформацию, в процессе пластического деформирования при нагрукешш по прямолинейным траекториям остается гладкой, расширяется и смещается в направлении, близком к направлению траектории нагрукения, сохраняя практически неизменной форму. Таким образом поведение поверхности нагрукения может быть описано с помощью гипотезы изотропно-кинематического упрочнения, частными случаями которой являются гипотезы изотропного и кинематического упрочнения.

Согласно гипотезе изотропно-кинематического типа поверхность нагружения, характеризуемая в исходном состоянии условием постоянства энергии формоизменения, в случае деформированного материала геометрически интерпретируется в пространстве девиа-тора напряжений (S£j) ( i. , j = I, 2, 3) сферой

(sirJ54HSlrpqi = [9H)f. w

Радиус сферы является функцией меры упрочнения <\ , в качестве которой обычно принимают величину, пропорциональную второму инварианту девиатора пластических деформаций, работу пласти-чеокой деформации

AMeqd£'4 (2)

или параметр Одквиста

с1£рц)% (3)

В выражении (I) J^- - компоненты девиатора добавочных напря-аений. В качестве простейшего предположения А.Ю.Ишшнским предложена зависимость

р. • = С е-•

Р

где C = c°ni>t , e-tj - компоненты девиатора пластических деформаций. Ю.И.Кадашезич и В.В.Новожилов предложили закон упрочнения записывать в форме

где <2 - функция второго инварианта девиатора пластических деформаций. Для процессов циклического нагрукения Р.А.Арутюнян и А.А.Вакуленно выражение (4) представили в дифференциальной форме:

(5)

Здесь

Ais,)

- некоторая функция интенсивности напряаений .

Применительно к процессам сложного нагруаения известны формы записи закона упрочнения в виде соотношений И.А.Биргера и И.В.Демьянушко, Х.Циглера, М.Айзенберга и А.Филлипса, Я.Рэ-пшда и др. Из указанных гипотез наиболее простую геометрическую интерпретацию имеет гипотеза Циглера, в соответствии с которой поверхность нагружения смещается в направлении вектора, соединяющего ев центр и изображающую точку на траектории на-гружения. Следует отметить, что эффект деформационного упрочнения проявляется и учитывается не только в условиях однократного нагруяения, но такге и при переменном, в частности, малоцикловом нагрукении (Н.А.Махутов, А.П.Гусанков, "Б.А.Стрижа).

Рассмотрены известные решения задачи генезиса начальных состояний. В соответствии с предложенным А.А.Ильюшиным подходом решение задачи осуществляется, полагая, что переход материала из неизвестного изотропного состояния 0 в "начальное" анизотропное состояние 0о определяется неизвестным процессом нзгру-яеигя 00о . При этом по данным испытаний вырезаемых из иссле-

дуемой конструкции образцов походят параметры анизотропии и тензор упругих постоянных, на основании чего определяют поверхность нагрукения в состоянии 0 и устанавливают направление и конечную точку процесса 00о . Однако решение поставленной задачи таким путем не всегда возможно из-за отсутствия достаточно надежной связи между упругими и упругопластическими характеристиками материала, а также в связи с тем, что пластическое деформирование на всегда приводит к возникновению заметной анизотропии упругих свойств.

Н.Б.Алфутовой в рамках подхода А.А.Ильюшина решена задача генезиса деформационной анизотропии применительно к тонкостенной трубе, подвергаемой волочению с кручением. В.П.Дегтяревым получено приближенное решение задачи в случае простого нагрукения тонкостенной оболочки в условиях плоского напряженного состояния. Параметры процесса нагруаения здесь определяются по данным испытаний на растяжение и сжатие ряда образцов, вырезаемых из деформированного элемента конструкции, с учетом анизотропии улругошшстических свойств материала, а также изменения размеров исследуемого конструктивного элемента на основе использования деформационных критериев разрушения.

Б известных решениях задачи генезиса начальных состояний использован ряд гипотез и положений теории пластичности, описывающих поведение материала при упругопластическом деформировании в условиях простого и сложного нзгрунения. Теоретическое обоснование и экспериментальная проверка указанных гипотез и постулатов, проведенная преимущественно на материалах низкой и средней прочности, содержатся в работах А.А.Ильюшина, С.А.Хрис-тиановича, В.С.Ленского, В.М,Панферова, А.А.Лебедева, Ю.Н.Шевченко, А.МДуксва, Ю.И.Ягна, В.П.Дегтярева, В.Г.Зубчанинова, Н.С.Ыожаровского, Р.Л.Салганика, Н.В.швайко, Ю.И.КедашвБИча, Б.Ф.Аннина, Р.А.Васина, Б.И.Ковальчукэ, С.А.Елсуфьева, А.Н.Походя, Р.Г.Терехова, И.М.Коровина, В.В.Викторова, О.А.Шишмарева, Л.С.Андреева, И.Охаши, М.Кечковского, А.Балтовэ, ЯЛястковско-го и других авторов.

Из приведенного в диссертации обзора литературных источников модно заключить, что большинство известных методов оценки напряженно-деформированного состояния элементов конструкций требует проведения измерений одновременно с процессом нагруже-

ния. Методы, основанные на учете изменения физических свойств деформированного материала (метод фотоупругости, акустический и др.), позволяющие разделить во времена процессы нагружения и измерения, не обеспечивают достаточной точности при разделении компонент тензоров напряжений и деформаций в общем случае сложного напряженного состояния и требуют наличия сложного оборудования. Более простые в реализации методы, в основу которых положено решение задачи генезиса начальных состояний, ограничены материалами, проявляющими выраженную анизотропию упругих свойств, либо разработаны применительно к частным случаям напряженного состояния. Одним из путей эффективного решения указанной задачи з общем случае сложного напряженного состояния применительно к широкому кругу конструкционных металлов является предложенный в диссертации подход, основанный на учете деформационного упрочнения материала, используя концепцию поверхности нагружения и гипотезы теории пластичности, описызаю-щие упругопластическое деформирование материала. Однако, известные из литературы исследования по изучению закономерностей упрочнения носят качественный характер, а гипотезы теории пластичности (о единой кривой деформирования, пропорциональности девиаторов напряжений и деформаций) экспериментально проверены на материалах низкой и средней прочности. Данное состояние вопроса и определило цель настоящей работы.

Во второй глава изложены теоретические основы метода оценки напряженно-деформированного состояния элементов конструкций при нагружении по прямолинейным траекториям и траекториям деформирования малой кривизны на основе учета деформационного упрочнения материала исследуемой конструкции. Призодятоя базовые функции, описывающие упрочнение материала з процесса пластического деформирования, а также методика их определения.

В основу метода положена модель упрочнения,- в соответствии с которой поверхность нагрунения при пластическом деформировании изменяет свои размеры и смещается в направлении вектора, соединяющего ее центр и изображающую точку на траектории нагружения, сохраняя неизменной форму. Предполагается, что в исходном состоянии 0 материал изотропен, выполняются гипотезы о единой кривой деформирования в виде зависимости интенсивности напряжении б I от интенсивности деформаций и о пропорциональности девиаторов напряжений {З;^} и деформаций [б^Д , переход в упруго-

пластическое состояние описывается условием постоянства энергии формоизменения, а степень изменения размеров поверхности нагружения и величина ее смещения являются функциями интенсивности накопленных пластических деформаций £-1 , инвариантными к виду напрякенкого_состояния и форме траектории нагружения. Процесс нагрукения 00о рассматривается в пятшлерноа векторном пространстве {Э;.} ( I = I, 2, 3, 4, 5) А.А.Ильюшина.

В случае простого нагружения решение задачи о нахождении параметров этого процесса осуществляется следующим образом. 8 соответствии с принятыми предположениями поверхность нагружения пластически деформированного материала в начально анизотропном состоянии 0о :шаат вид сферы

(Б^аи^-й;.]* к» (6)

с координатами центра СЦ и радиусом 13 . При простом нагруяе-нии соответствующая траектория в пространстве {Б;} описывается прямой

бг йч 5 5

= тт1 (?)

где 6 • - направляющие косинусы. В этом случае параметры процесса нагружения определяются вектором

совпадающим по направлению с прямой (7). Тогда о учетом (/¿£¿=1 направляющие косинусы определятся следующим образом:

р СЦ р Лг р О-ъ р . о . (9)

^"а1 ^о"' оГ^ }

где О. =-1оД = (.О-^С-^г. . При этом модуль вектора Б равен

! § I - а + Я ,

откуда интенсивность напряжений, учитывая, чтоб^=д определится из соотношения_

\ 1Ы

(10)

С учетом выражений (9) и (10) из соотношений (7) могут быть получены значения й;. » на основании чего величины компо-

нент дэвиатора напряжений в конечной точка процесса 00о запишутся следующим образом:

\ 2, а ' а ^

о а, а, ^(а+ЕПси -2а ' -га

Таким образом нахождение параметров процесса нагрунеиия, описываемого пряной (7), сводится к установлению координат центра поверхности нагруаеняя (6) в деформированном материале и ее радиуса, т.е. к определению шести параметров - <3., , аг , ,

ач , а 5 и Й . Указанные параметры в общем случае сложного напряженного состояния могут быть выражена в виде функций шести принадлежащих-поверхности нэгрукения точек. Координаты этих точек определяются из опытов на раздельное одноосное растяжение и кручение шести образцов,.которые вырезают из исследуемого элемента, ориентируя их в некоторой фиксированной по отношению к характерным измерениям конструкции ортогональной системе координат I, 2, 3. Зтиы пзстя точкам соответствуют три предела текучести <5^т , , вуг , определяемые из диаграмм растяаения трех образцов в направлении осей I, 2, 3 и три предела текучести*?,гт, 6гат , . определяемые из опытов на сдвиг трех обрззцов, ориентированных в тех же направлениях. Формулы для вычисления значений параметров йг , й;, , , 0.5 и $ имеют вид:

аг=:

^ » гт 1

г и

ь Т6«

2.

ач - 1

№ <Б,

СЦ =

т ь1Та,-т5.т

>1Т

'■МТ

Соответствующие компонентам девиатора напряжений (II) значения компонент девиатора деформаций находятся, представляя величины как суммыеупругой е^ и пластической в ц доставляющих, где значения е ц находятся из закона Гука, а 0 по~ мощью соотношений Кадашезича-Ковожилова в форме (4).

В частных случаях напряженного состояния наряду с компонентами девиатора напряжений могут быть определены и компоненты тензоров напряжений и деформаций. Количество подлежащих испытанию образцов при этом сокращается.

Рассмотрен подход к оценке напряженно-деформированного состояния элементов конструкций с помощью предложенного метода применительно к процессам однократного сложного нагружения по траекториям деформирования малой кривизны. Предполагается, что инвариантность' функций б^Д^и СЦЬ,] при этом не нарушается. В соответствии с принятой гипотезой Циглера в этом случае траектория центра поверхности нагружения будет изображаться некоторой кривой, зависящей от формы траектории нагружения. В связи с этим напряженно-деформированное состояние в случае сложного нагружения может быть оценено интегрально по интенсивности напряжений или интенсивности деформаций. При этом вначале по тем же формулам (12), что и в случае простого нагружения, находятся координаты ацентра поверхности нагружения, определяется величина а=)СНего смещения, а затем с помощью функций и й(£.;) устанавливаются значения интенсивности напряжений и интенсивности деформаций

Описана система экспериментов для определения базовых функций &<.Ц)и . включающих опыты по схеме прямого и ортогонального эффекта Баушингера.

В третьей главе рассматривается неразрушающий вариант метода оценки напряженно-деформированного состояния пс упрочнению материала прикрепляемых к исследуемой конструкции в ненагруяен-ном состоянии пластических индикаторов, пластические индикаторы выполняются в виде тонких металлических пластин или полосок. При возникновении в них пластических деформаций происходит упрочнение материала, по степени которого можно судить о величине этих деформаций. С целью снижения порогового значения измеряемых деформаций пластические индикаторы изготавливаются из материала, предел текучести которого нике предела текучести материала исследуемой конструкции. Описаны конструкция и принцип действия 4-х вариантов пластических индикаторов, на которые получены авторские свидетельства на изобретение*.

Из условия совместности деформирования пластического индикатора и исследуемого конструктивного элемента определяются деформации в конструкции, а по известным соотношениям теории пластичности находятся соответствующие величины напряжений, на основании чего оценивается предельное состояние материала конструкции.

С цепью упрощения перехода от деформаций к напряжениям разработаны номограммы деформаций, представляющие собою в случав двухосного напряженного состояния сетку из двух семейств взаимно-пересекающихся линий, которые рассчитываются на основе диаграммы одноосного растяжения 6(6.). Первое из семейств кривых, соответствующих условию €>•,_ = сдп-^ , описывается уравнениями

<й)

Здесь £<( и - главные деформации, а - коэффициент поперечной деформации, определяемый из выражения

с ^ г и ь

где с. и - соответственно модуль Юнга и коэффициент Пуассона.

Уравнения

второго из семейств кривых соответствуют условию

* А.% »1024691, 1118158, 1300292, 1366666.

Ус- - ПсСоо-^^ и имеют вид

*

С П*"К

Снаружи номограммы ограничены кривой предельных деформаций, которая рассчитывается на основе учета нарушения устойчивости процесса деформирования рассматриваемого конструктивного элемента при исчерпании его несущей способности.

В случаях, когда траектория нагружения известна, рассчитывается соответствующая ей траектория деформирования и наносится на номограмму деформаций. Это позволяет ограничиться измерением лишь одной из компонент деформаций. Для простых процессов нагружения расчет траекторий деформирования производится на основе соотношений теории малых упругопластическкх деформаций. Применительно к процессам сложного нагружения, осуществляемого по двух-зьенным траекториям, для расчета траекторий деформирования предложен графо-анэлитический метод построения связей между напряжениями и деформациями.

Графо-аналитический метод основан на использованных выше предположениях об инвариантности функций СиЕ. ^ и К при на-гружении по траекториям деформирования малой кривизны, справедливости гипотезы изотропно-кинематического упрочнения и гипотезы Циглера о направлении смещения центра поверхности нагружения. В соответствии с этим методом на траектории нагружения в области упругопластического деформирования задаются рядом точек, для которых с помощью базовых функций О.Си строят траекторию центра поверхности нагружения. Затем с помощью соотношений Кадашевича-Новожилоза определяют соответствующие значения компонент девиатора пластических деформаций, добавляя к которым значения упругих составляющих, вычисляемые по закону Гука, находят компоненты тензора полных деформаций.

В качестве примера на рис.1 приведена номограмма деформаций для круговой цилиндрической тонкостенной оболочки, нагруженной осевой силой и внутренним давлением, которая изготовлена из стали 28ХЗСНМВФА, в области положительных значений главных напряжений и 6в (индексами Ни© обозначены соответственно осевое и окружное направления). Радиальные линии, исходящие из начала координат, представляют траектории деформирования, соответствующие простому нагружению по траекториям б"£ = П (о е » где П.

¿.j

прпнгагаег значения 0 (одиоосшзо рзсжсета в окружном направлении): 0,5; I; 1,5; 2; 3,5 нсэ (односсноэ растяггенке в осевом направленна). Кусочной кривой 0а5 показана траектория дсфорки-рования, соответствующая слояно:лу нагрунешга по траектории при S^G* и <0:,= St + 0,5 Gq при >

в9=0

'^HmNV

Pzc.I

]сли с помоцьп пластически кндккатороз определены две дефориэ-$ил С.г и С а , то, откладывая соогветстауэдуп им точку на номо-•рэмме, путем интерполяции по огнопеш® к соседйим правым -corvit с одной стороны 15 кривым c.on-4-t с другой hsxo-

;ятся значения интенсивности напряжений €>с п соотношения папря-сиий , на основания чего вычисляется вэличины сак;к

омпонеит Gz и G& . В случае» если иззеотны траектория двформи-ования и одна из деформаций (большая по величина), например 3, чгняаднзая по оси орд-шаг ее значение и проводя лавгаэ, парал-

лельнув оси абсцисс, до пересечения с траекторией деформирования, по точке пересечения определяется деформация & © , а затем значения а бе . Яра сложное нагружегша оценка уровня напряжений производится по интенсивности напряжений <01 .

В четвертой глава приведена методика экспериментального исследования закономерностей упругопластического деформирования и деформационного упрочнения металлов, зключасцая способы и средства нагруаения образцов, измерения возникающих в них деформаций и обработки результатов испытаний»

Для проведения испытаний использовались тонкостенные трубчатые образцы, при нзгруженш которых осевой силой и внутренним давлением в стенке возникает плоское напряженное состояние, а также плоские образцы, испытываемые на одноосное растяжение. Испытания проводили на серийно выпускаемой испытательной машине типа ЦДШГ-ЗОт производства завода "Веркитофпрюфмашинен" (ГДР). С целью расширения возможностей машина была подвергнута модернизации. В частности, в систему нагруаения внутренним давлением включен специально разработанный блок высокого давления, что позволило проводить испытания с доведением до разрушения образцов, изготовленных из материалов высокой прочности (с пределом прочности до 56 = 2500 НПа). С целью проведения испытаний при повышенных температурах машина оснащена нагревательным устройством. Нагрев образцов осуществляется путем пропускания через них электрического тока. В качестве рабочей среды для создания внутри трубчатых образцов давления используется силиконовое масло или перегретый пар.

Измерение деформаций, возникающих в образцах в процессе испытаний, осуществляли с помощью разработанных для этой цели тензометров механического типа, которые оснащены индикаторными головками типа ИГМ с ценой деления 0,001 ш. Тарировку тензометров производили на специально разработанном тарировочном столике. Точность определения компонент тензоров напряжений и деформаций характеризуется следующими величинами: погрешность измерения осевой нагрузки - до I% от измеряемой величины, точность измерения давления внутри образца составляет I Ша. Чувствительность тензометра продольных деформаций (на принятой базе £ = 50 мм) равна 0,002%, чувствительность тензометра окружных деформаций - 0,004$.

По результатам испытаний для каждого образца строили кривые деформирования^Се) и £;.(£;> Радиальную деформацию,

входящую в интенсивность деформация ¿и , определяли расчетным путей, исходя пз предположения сб упругом изменении объема материала. Из диаграмм дефоргшрозавия находили пределы текучести для различных траекторий кагружзнкя и определяла границу текучести (как правило, по техническому допуску на пластическую деформацию, равному 0,2%). По максимальные значении нагрузок перед разрушением образца вычисляли предельные величины напряжений, по которым строили границу разруиеная. В области саимавдих папрядениа, где

< 0 , а 1бг1>Сэ, происходило исчерпание несущей способности за счет потери устойчивости образца путей образования гофра без появления трещины.

Для определения повторных границ текучести партию образцов деформировали путем нэгруженпя по определенной траектории до некоторого фиксированного урэзня интенсивности пластических деформаций ¿1 . После разгрузки каждый пз образцов нагрупзли по своей прямолинейной траектории.

Наряду с диаграммами деформирования и границами предельных состояний текучести и разрушения ощ>бделяли равномерные составляющие остаточных деформаций ^ п £а „ Для этого рабочую часть образца разбивали тонкими рисками пз ряд участков с постоянным шагом. Длины участков и диаметр образца на них"измеряли на инструментальном микроскопа до испытаний и после доведения обрззца до разрушения. 11о этим даявш строгай эпюры распределения оста-

л Р Г Р

точных продольной с г и окружной с 9 деформаций по дленз образца, из которых определяли равномерные составляющие, как ординаты этих эпюр на участках, параллельных оси образца.

Для количественной оценки точности выполнения гипотез деформационного упрочнения и определения функций, описывающих упрочнение, экспериментальною дзнныз, относящиеся и повторный границам текучести, представляли в пятикераои пространстве [5-3. При этом использовали также и известные из литературы первичные данные по исследованию границ предельных состояний. Границы текучести аппроксимировали сферой (б). Точность выполнения использованных гипотез упрочнения оценивали, обрабатывая экспериментальные данные по методу наименьших квадратов, согласно которому входящие в выражение (б) параметры находили на основании минимизации функции

за

где ^Чк - определенные экспериментально координата точек, принадлежащих граница текучести.

В качестве критерия сдшвни отклонения фактической границы текучести от теоретической поверхности нагружеодя приникали параметр ск а — , где & - срадиеквадратичное отклонение точек относительно^повархносты (6), определяемое из выражения

й =

< Г!

7 ЕИЕ 1**^-1*1'

В ебщеы случае сложного напряженного состояния нахождение минимума функции (16) сводится к решению системы шести нелинейных: уравнений, что связано с определенными вычислительными•трудностями. При использовании условия о смещении поверхности нагружения в направлении траектории иагрунения количество подлежащих определению параметров уменьшается.

Приведены формулы для определения параметров поверхности нагружения в различных подпространствах пространства {Б;}

, который соответствуют экспериментальные данные, получаемые при вагруаеник трубчатых образцов внутренний давлением и осевой силой, крутящим моментом а осевой с'илой, а также при однооснол растяжении вторичных плоских образцов, вырезаемых под разные углами из первичного плоского образца, подвергаемого, предварительному пластическому деформированию путем растяжения. Предложена методика реализации поверхности нагружения в пространства , что достигается за счет прост-

ранственной ориентации вторичных образцов. Оценено влияние разрезки первичных образцов, а такие величины допуска на пластическую деформацию, по которому определяется поверхность нагружения, на геометрию этой поверхности и точность характеризующих ее параметров.

В пятой главе приведены результаты проверки использованных в описанном в главах 2 и 3 методе оценки напряженно-деформирозан-ного состояния гипотез о единой кривой деформирования и пропорциональности девиатороз напряжений и деформаций, а также условий предельных состояний текучести и разрушения в условиях нормальной

з повышенной температур при однократной нагруаении по прямолинейным траекториям и траекториям деформирования малой кривизны. Основное внимание уделено проверке указанных гипотез и условий на недостаточно изученных металлических материалах высокой прочности (с пределом прочности свыше 1000 МДа) ■• сталях мартенскт-еого класса и титановых сплавах.

На рис.2 з качестве приора показаны диаграммы деформироза-н.ця(3-с(8.0 сталей мартенситного класса, соответствующие различным прямолинейным траекториям пагрузенля = п 6"е (а - сталь 28ХЗСНМВФА, Т = 20°С; б - сталь 28ХЗСНМВФАГ ? = ЗС0°С; в - сталь ЗСХ2ГСН23М, I = 20°С). Сплоиными линиями здесь показаны диаграммы деформирования, полученные из опытов из одноосное растяжение. На рис.3 приведены зависимости параметров Лоде ие и , характеризующие вид девиаторов напряжений и деформаций (в V,], для сталей 45 (а), 28ХЗСН!Ж$А при Т = 20°С (б) к стали ЗОХ2ГСйт (в) при Т = 20°С (в) и Т = 300°0 (х). сплошная линия отражает здесь равенство параметров ^деЦ^ , что означает пропорциональность девиаторов {З-^} и [б-] . Как видно, экспериментальные данные подтверждают справедливость гипотез о единой кривой деформирования и о пропорциональности девиатороз напряжений и деформаций для исследованных материалов. Пропорциональность девиаторов {5-^} проверяли также, сопоставляя вектора напря-зэний 3 и деформаций Э , которые представляли в соотгетствуг>-щих пространствах{&;} при разных уровнях деформации.

Справедливость гипотез о единой кривой деформирования и пропорциональности девиаторов {б-^} и{ёц} позволяет использовать для установления связей между напряжениями я деформациями и построения траекторий деформирования нь номограмме деформаций ъ случае простых процессов теорию малых упругопластическкх деформаций. доказано, что рассчитанные с помощью соотношений этой геории диаграммы деформирования удовлетворительно согласуютсл с экспериментальными.

В случае нагружения по траекториям в виде доухзвенных лсма-шх, которым соответствуют траектории дзформирования малой яри-шзны (угол излома в плоскости б^-Бг при этом не правьте? 0°), вектор деформаций Э за точкой излома траектории нагруне-ия отстает от вектора напряжений & , что согласуется со сформированным А.А.Ильшаньш принципом запаздывания векторных

ч

una

та moa isa 600 m m

о 0,4 о 0,4 a Ofy о,ь e¿f% Рис.2

Л

BJS

о -i'

A

a

J4\

o,s o

-0,S

А

A

¡A

/

И Л

/

4 -0,5- 0 0,5 M*

S

Рис.3

свойств материала. Показано, что^это отставание, характеризуемое величиной угла меяду векторами £ и ^ , зависит от длины дуги траектории деформирования после точки излома, а характер этой зависимости определяется уровне« пластических деформаций в точке излома. С их ростом указанная зависимость ослабевает. Б отзо-пении скалярных свойств запаздывание при этой не проявляется, т.е. инвариантность диаграммы £>'иС£л) сохраняется.

Таким образом наблюдаемое при изломе траектории запаздывание векторных свойств, в результате чего нарушается пропорциональность девиаторов {й-^} и {е-^} > не позволяет использовать теории палых упругопластических деформаций для построения диаграмм и траекторий деформирования для заданных процессов нагру-нения. С целью иллюстраций сказанного на рис Л приведены графини зависимостей £г(£г1и ^0с£о)стали 28ХЗСН:!ЗФА, полученные

яря ортогональном изломе траектории нагруиения в плоскости пространства (&;} . Траектория нагруяения здесь обозначена ломаной Оаб , а соответствующая траектория центра поверхности на-гру:.-:ения - кривой О с.'5' . Линиями показаны" расчетные крстко: сплошной - по предложенному графо-акалитическому методу, штриховой - по теории малых упругопластических деформаций, точхсамп обозначены экспериментальные значения. Как видно, с экспериментальным данными дучае согласуются диаграммы деформирования, построенные с ионодаэ графа-анадаткческого метода.

Проведенная проверка условий предельных состояний показала, *то наступление текучести исследованных катериалов (стали 45, 28лЗС5ШФА, 30Х2ГСН2ВК, ти-тановыз сплавы ВТбС, БТ14, 1С5) удовлетворительно описывается условием постоянства энергии формоизменения. В отношении состояния разрушения сказывается определенное елинкиз формы испытуемого образца, которое при представлении границы разрушения в пространстве напряаений относительно невелико и более существенно в пространстве деформаций.

В шестой глава приведены результаты экспериментальной проверка гипотез упрочнения, использованных при разработке описанного в главах 2 и 3 метода оценки напряаенно-деформированного состояния, на основных классах конструкционных металлических материалов при пластическом деформировании, осуществляема пугем нзгруаеяия по прямолинейным траекториям и. траекториям деформирования малой кривизны. Оцениваются геометрические характеристика поверхности нзгруяения в различных подпространствах пяашерного векторного пространства { Б;} . Проверяется инвариантность функций, описывающих деформационное упрочнение материала, определяются количественные зависимости параметров деформационного упрочнения от инвариантных характеристик напряженно-деформированного ссстольия.

целью оценка формы поверхности нагруаения, направления ее смещения к изменения размеров в результата пластического деформп-:.оъан::г. по единой методике на ЭВМ обработаны первичные зксперк-

данные по исследованию повторных границ текучести, кг;: лвкнадде^еииз автору, так и известные аз литературы. На ос-¿с^аппп эорасотки первичных данных при аппроксимации границы текуче атх з пространстве сщерой определяли величину средне-?2а^?5зичного отклонения & экспериментальных точек от поверх-

ности нагружения в форме (6), радиус й , коэффициент ^ - "§ , а также координаты центра С11 и величину его смещения <1 . указанные параметры, определенные при реализации пластического деформирования по 166 программам простого и 18 программам сложного нагружения на сталях ферритно-перлитного, аустенитного, мар-тенситного, мартенситностареющего классов, сплавах на основе титана, алюминия, меди, классифицированы по виду подпространств пространства {Б;} и температуре испытаний и приведены в таблице.

Таблица

Материал т„°с тг,°с Допуск К-во программ У. Источник

I 2 3 4 5 6 7

подпространство

сталь 45 сталь Ш8Н10Т сталь 28ХЗСНМВФА сталь 28ХЗСНМВФА* сталь 30Х2ГСН2ВМ сталь Х16М5ДЗ сталь Н18К8М5Т титан, сплав ВТ14 сталь X сталь Ст.З сталь Ст.З*4 сплав АМг-6 дюралюминий латунь М-63 латунь М-63й латунь 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 0,01 0,01 0,02 3 3 4 7 3 3 2 2 4 5 5 3 3 7 6 4 2.7 4,9 2,1 2.8 2,6 1,8 3.0 1,6 0,9 1.3 2,5 4.1 1,9 2.4 2,3 3,0 А.А.Лебедев и др Г.Б.Талыпов Г.Б.Талыпов А.В.Карэсев Д.Е.Вязун Я.Мястковский Я.Мястковский Е.Ширатори

подпространство (Т,=Тг)

сталь 30 сталь 20Х сталь 45 медь -латунь Л&-Мд сплав 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 0,2 0,2 0,2 2 ь 3 6 I 3 2,7 1,5 2,9 1.4 4,0 2.5 Н.Г.Сутуривэ Н.Г.Сутурина Г.Б.Талыпов Б.Меир и др. Да.Паркер и др. М.Танака и др.

ндекс х означает сложное нэгруженив.

Продолжение таблицы

I 2 з * 5 6 7

подпространство Б)- 1 Р" и

сталь 09Г2ФБ 20 20 0,2 2 1,6

сталь 20 20 20 0,2 6 2,3 А.А.Островский

сталь 60 20 20 0,2 7 2,6 А.А.Островский

стат1Ь 65Г 20 20 0,2 6 2,3 М.Л.Горб и др.

алоуглер.сталь 20 20 0,1 4 1,5 А.М.Еуков

сталь 45 20 20 0,2 3 3,0 А.А.Лебедев и др.

мягкая сталь 20 20 - I 3,2 А.Берио и др.

подпространство СТ^Т*)

таль 28ХЗСНМВФА 20 300 0,2 3 2,2

сталь X 20 -100 0,2 4 2,0 А.А.Лебедев и др.

сталь Л 20 -155 0,2 2 3,4 А.А.Лебедев и др.

сталь 45 20 -155 0,2 3 3,4 А.А.Лебедев и др.

подпространство

д сплав 20 94 - 3 3,3 М.Танака и др.

сплав 20 150 - 3 3,7 М.Танака и др.

сплав 20 208 - X г,8 М.Танака и др.

Здесь Т^ означает температуру, при которой было осуществлено пластическое деформирование, а Тг - температуру, при которой определяли границу текучести (по некоторому допуску 8 на пластическую деформацию). В таблице приводятся ссылки на источник (по фамилии исследователя), из которого заимствованы первичные данные. Данные, где ссылка на источник отсутствует, принадлежат автору.

В качестве примера на рис.5 показаны представленные в плоское^ 5,-8г. границы текучести стали 28ХЗСШВФА, подвергнутой пластическому деформированию при нагруженки по траектории в виде дзухзвеикой ломаной <3$ = О при £ и + 0,5 б9 ,

где принято <&* = 1100 (а), 1340 МПа - (б) и 1500 МПа - (в), до разных уровней интенсивности напряжений :е =1380 МПа, о -^1= 1620 МПа (рио.5,а); о - = 1460 МПа, о -в^=1580 МПа, * 1720 МПа (рис.5,б); в - ^ = 1570 МПа, о-£¡.=1630 МПа

(рис.5,в). Хр_зстикамл + здесь обозначены положения центра грани-иы текучести.

S-fffla

Рис.5

tina. 200

m о

1 \

Í \ .

Рис. 6

Анализ данных по исследованию повторных границ текучести показал, что максимальное отклонение формы фронтальной частя от сферы (6) в исследованных подпространствах простанства {й-,} составляет порядка 5среднее значение - 3$, а отклонение по направлению центра поверхности нагружения от траектории нагружения для простых процессов не превышает 10°. При этом коэффициент слабо зависит от предшествовавшего деформирования как в области малых, так и значительных (до = 10%) пластических деформаций и остается близким к тому значению, которое имеет место в исходном состоянии и является проявлением естественного разброса свойств.

Таким образом, можно заключить, что у широкого круга металлических материалов форма фронтальной части'поверхности нагруже-ния, определенной по техническому допуску, остается практически неизменной и в пространстве [б^} описывается сферой. В процессе пластического деформирования размеры поверхности нагрукения у большинства материалов увеличиваются. В случае простых процессов поверхность нагружения смещается в направлении траектории нагруаения. При сложном нагружении, осуществляемом по траекториям деформирования малой кривизны, поверхность нагруаения смещается в направлении вектора, соединяющего ее центр с изображающей точкой на траектории нагрукения.

К функциям, описывающим деформационное упрочнение, относятся функции ОЛ^Цшш эквивалентная ей функция и инвариантность этих функций проверяли, сопоставляя зависимости

и ^ (.£•,_) , определенные из опытов, в которых деформирование осуществляли путем нагрукения по различным прямолинейным и двухзвеннкм траекториям^ пространстве напряжений) образцов из стали 45 и 2ШС^ША. На рис.6 приведены графики функций Ол^), кривая I.и Д(и£д}, кривая 2, где ДЙ =Я-Й0 ( - радиус границы текучести при = определенные на образцах из стали 45 при нагружении по траектории бе = 0 (экспериментальные точки обозначены в виде о а & ) и траектории = 0,5(эе (экспериментальные точки обозначены в виде © и & ). Как видно, на уча-з'ке^у.т.-очнення величины аа ¿13 являются возрастающими функциях';! (в пределах площадки текучести упрочнение не проявляется). Расхождение графиков одноименных функций, полученных при нагруже-ши по указанным траекториям, невелико.

На рис.7 показан график функции О. (.£;.) стали 28ХЗСНМВФА, полученный из опытов, в которых пластическое деформирование было осуществлено при нагруяении по двухзвенным траекториям в плоскости с ортогональным изломом. Сплошная линия соответ-

ствует простому нагруженига, а экспериментальные точки соответствуют обозначениям, указанным на траекториях нагружения.

Влияние структурных факторов на вид функций а С и Я^! оценивается по данным рис.8. Здесь приведены графики зависимостей для сталей ферритного класса - малоуглеродистой стали (А ), сталей марок 20 (о), 45 (д ), 60 ( х ) и 65Г (а), отличающихся друг от друга лишь содержанием углерода. Для сталей, имеющих площадку текучести, соответствующая ей деформация Ь^* исключена из общей деформациир ? . Как видно, у сталей рассматриваемого класса Функция практически не зависит от химического состава и до £.-,. = 5% близка к линейной. Вид функций О.С) существенно зависит от содержания углерода, которое определяет количество упрочняющей фазы в материале. С увеличением ее содержания графики функции располагаются выше. Аналогичная картина наблюдается у нестабильных материалов (сталь Н18К8Л5Т) при повышении степени нестабильности, обусловленной количеством упрочняющей фазы. Установлено, что соотношение между изотропной и кинематической составляющими упрочнения в процессе пластического деформирования не остается постоянньш и с развитием пластических деформаций изменяется в сторону повышения удельного веса изотропной составляющей.-

Таким образом, основными структурными факторами, оказывающими определяющее влияние на характер деформационного упрочнения, являются фазовый состав и степень стабильности фаз. В случае стабильных структур преобладает изотропная составляющая, в метаста-бильном (термически упрочненном) состоянии характерно преобладание кинематической составляющей. У многофазных структур как в стабильном, так и в метастабидьном состояниях соотношение между изотропной и кинематической составляющими зависит от количества упрочняющей фазы, определяемого содержанием легирующих элементов л видом термической обработки.

На примере стали 28ХЗСНМВФА, алюминиевого сплава А.Чг-6 и титановых сплавов ВТ6С и ВТ14 оценено влияние естественного стз-эения (за период до 72 мес.) на упругопластичаские свойства де-

m $tmcL

0,4 0,1 a et,'/.

Рис.7

0

А

l

Рис.8

формированного материала. Из полученных данных следует,' что параметры О. и Я у исследованных материалов со временем (в исследованных пределах) практически не изменяются.

В седьмой главе рассмотрены примеры применения разработанного метода для оценки напряженно-деформированного состояния ряда натурных тонкостенных конструкций оболочечного типа. По данным тестовых испытаний определена погрешность оценки напряяенно-деформированного состояния на основе учета деформационного упрочнения материала конструкции, а также материала прикрепляемых к ней пластических индикаторов. В качестве примера приведены результаты оценки напряженно-деформированного состояния круговых-цилиндрических оболочек из стали 28X3ОН®ФА разного диаметра, нагруженных внутренним давлением до различных уровней; гладкой трубы, леаацей на двух опорах, которая нагружена поперечной равномерно распределенной нагрузкой от собстгенного веса и Ееса заливаемой внутрь воды, поперечными сосредоточенными нагрузками, а затем подверяена действию внутреннего давления. Полученные при этом данные сопоставлены с данными измерений о помощью тензодат-чиков и расчетными значениями, вычисленными по известным величинам нагрузок.

На основании тестовых испытаний показано, что погрешность предложенного метода оценки напряженно-деформированного состояния применительно к натурным конструкциям оболочечнсго типа из исследованных материалов находится в продолах 8-12% и зависит от степени упрочнения материала и величины накопленной пласткческо:. деформации. При аппроксимации диаграммы растяжения на участке упрочнения прямой степень упрочнения материала будет определяться модулем упрочнения 3) , причем Е 0 , где Ь - модул* Юнга. С учетом сказанного следует ожидать более низкой погрешности в случае материалов с высоким значением И . С уменьшением величины 3) погрешность будет возрастать.

Приведены примеры использования метода при решении ряда прикладных задач, связанных с определением напряженно-деформированного состояния линейной части магистральных газопроводов, а гакке труб в процессе экспандирования, транспортировки, при установке подкреплений типа бандажа.

В заключении изложены основные результата, полученные в данной диссертации и заключающиеся в следующем.

1. По разработке метода оценки напряженно-деформированного состояния.

1.1. Получены соотношения, устанавливающие связь между параметрами процесса нагружения и упругопластическими свойствами материала исследуемых объектов, деформированного в процессе нагружения по прямолинейным траекториям и траекториям деформирования малой кривизны.

1.2. Проведена экспериментальная проверка использованных в предложенном методе гипотез теории пластичности и услрвий предельных состояний при нормальной и повышенной (до 300°С) температурах.

1.3. Проведена апробация метода-на тестовых испытаниях ряда натур.:ых конструкций - оболочек большого диаметра и труб ма-гистальных газопроводов.

2. По экспериментальному изучению закономерностей упруго-пласуического деформирования и упрочнения конструкционных металлов,

2.1. Разработаны методика и техника экспериментального исследования закономерностей упругопластического деформирования и упрочнения металлов при простом и сложном нагружении в условиях нормальной, и повышенной температур, в частности, методика определения количественных связей параметров упрочнения материала с инвариантными характеристиками напряженно-деформированного состояния ъ случае нагружения по прямолинейным траекториям и траектория-: деформирования малой кривизны.

2.2. На основании экспериментальных исследований, выполненных на изотропных в исходном состоянии сталях ферритно-перлитко-го, аустенитного, мартенситног-о, аартенситно-стареющего классов, сплавах титана, алюминия, меди с достаточной для реализации предложенного метода точностью порядка 4-5% установлено:

при нагрухении по прямолинейным траекториям и траекториям деформирования малой кривизны

- справедлива гипотеза о единой кривой деформирования;

- £ процессе пластического деформирования фронтальная часть поверхности н&гружения, характеризуемой техническим допуском на пластическую деформацию, расширяется (изотропная составляющая

упрочнения) и смещается (кинематическая составляющая) в направлении вектора, соединяющего ее центр с изображающей точкой на траектории нагружения, сохраняя неизменной форму, причем величина смещения и степень ее расширения являются функциями интенсивности накопленных пластических деформаций, инвариантными к виду напряженного состояния и форме траектории нагружения;

при нагрунении по прямолинейным траекториям

- справедлива гипотеза о пропорциональности девиаторов напряжений и деформаций, а также выполняются условие пластичности, ■ основанное на постоянстве энергии формоизменения, и услозиз исчерпания несущей способности, основанное на учете нарушения устойчивости процесса деформирования;

- в процессе пластического деформирования соотношение между изотропной и кинематической составляющими не остается постоянным и с ростом накопленной пластической деформации изменяется в сторону увеличения доли изотропной составляющей;

- основными структурными факторами, определяющими соотношение между изотропной и кинематической составляющими упрочнения являются фазовый состав и степень стабильности фаз - повышение количества упрочняющей фазы и нестабильность структуры приводят к преобладанию кинематической составляющей;

- естественное старение исследованных металлов - стали кар-тенситного класса и сплавов на основе титана (в течение принятого в работе промежутка времени до 6 лет) не оказывает заметного влияния на параметры упрочнения.

3. По использованию в инженерной практике.

3.1. Новизна и полезность решений, разработанных для реализации предложенного метода оценки напряженно-деформированного состояния, а также для повышения несущей способности и надежности работы конструкций на основе установленных закономерностей деформационного упрочнения металлов, подтверждены Комитетом по делам изобретений и открытий.

3.2. Метод положен в основу Рекомендаций и Регламента контроля напряженно-деформированного состояния магистральных газопроводов, утвержденных Мингазпромом СССР к применению на строящихся и находящихся в эксплуатации газопроводах, а также использован для оценки уровня напряжений и деформаций в процессе эксплуатации и при разрушении ряда ответственных конструкций оболочечного типа.

3.3. При апробации метода на натурных конструкциях показано, что погрешность определения напряжений и деформаций с его помощью для исследованных материалов находится в пределах 8-12%.

В приложении приведены табличные данные, характеризующие связи между напряжениями и деформациями исследованных конструкционных материалов и полученные при нагружении по различным прямолинейным и двухзвенным траекториям как в исходном, так и деформированном состояниях; характеристики границ текучести и разрушения; программы расчета на ЭВМ траекторий деформирования для заданных траекторий нагрукения; программа обработки экспериментальных данных и расчета на ЭВМ параметров упрочнения деформированного материала.

Основное содержание диссертации отражено в следующих публикациях:

I. Бастуй В.Н., Черняк Н.И. Влияние предварительного пластического деформирования высокопрочной стали на форму кривых предельных состояний // Прикл.механика. - 1966. - 2, №9. - С.79-84.

ß. Бастуй В.Н., Подчасов П.Г., Сошин А.П. Модернизация системы внутреннего давления испытательной машины типа ЦДМУ-ЗОт // Зав.лаборатория. - 1967. - йб. - C.77I.

3. Бастуй В.Н., Горб М.Л., Островский A.A. Захват для испытания трубчатых образцов // Зав.лаборатория. - 1971. - fe3. -

С.377-378..

4. Бастуй В.Н., Черняк Н.И. Влияние характера напряженного

и деформированного состояний на модуль упругости сталей // Пробл, прочности. - 197I. - &9. - С.52-55.

5. ЕастунВ.Н., Пелепелин В.11. Оценка напряженного состояния по номограмме деформаций // Пробл.прочности. - 1972. - №9. -С.9-13.

6. Бастун В.Н., Ясинский Г.Н. Использование машины ЦДМУ-ЗОт для испытаний материалов на двухосное растяжение при высоких температурах // Зав.лаборатория. - 1972. - Ш. - С.1386.

7. Бастуй В.Н., Черняк Н.И. О применимости гипотез упрочнении в области малых пластических деформаций // Прикл.механика. -1973. - 9, Ы2. - С.53-57.

8. Бастуй В.Н. Проверка гипотез теории малых упруго-пластических деформаций при повышенной температуре // Тепловые напряжения в элементах конструкций. - 1974. - Вып.14. - С.24-27.

9. Бастуя В.H. Исследование поверхности нагружения углеродистой стали при пластическом деформировании // Пробл.прочности. - 1976. - Й4. - С.23-26.

10. Бастуй В.Н. К условию пластичности анизотропных тел // Прикл.механика. - 1977. - 13, fâl. - С.104-109.

11. Шевченко Ю.Н., Бастуй В.Н. К построению зависимости между напряжениями и деформациями с учетом анизотропного упрочнения материала // Прикл.механика. - 1978. - 14, Ей. - С.3-8.

12. Бастун В.Н. О деформационном упрочнении начально изотропных металлов при нагрукении по прямолинейным траекториям // Прочность материалов и элементов конструкций при сложном напряженном состоянии. - Киев: Наук.думка, 1978. - C.I6I-I7I.

13. О структурной чувствительности эффекта Баушингера // Бастун В.Н., Дмитриева Е.А., Истомина B.C., Нижншс С .Б. /'/ Изв. АН СССР, Сер.Металлы. - 1978. - ГЗ. - C.I89-I92.

14. А.с.621754 СССР, ШШ С21Д 7/10. Способ упрочнения оболочек // В.Н.Бастун, Л.М.Шкарапута // Открытия. Изобретения. -1978. - №32. - С.89.

15. Бастун В.Н. К оценке прочности материала при двухосном растяжении по степени деформационного упрочнения // Зав.лаборатория. - 1980. - te5. - С.457-458.

16. Применимость некоторых теорий пластичности к описанию процессов повторного нагружения по различным прямолинейным траекториям // Шевченко Ю.В., Кулаков C.B., Бастун В.Н., Терехов Р.Г. // Пробл.прочности. - 1980. - ÎE6. - С.48-52.

17. Черняк M.I., Бастун В.М. Про деяк! шляхи зниження метэ-uomIctkoctI конструкц1й // BIciraK АН УРСР. - 1980. - Ы. - С.55-59.

18. Исследование деформационного упрочнения малоперлитной грубной стали // Бастун В.Н., Дыскин З.М., Крэсноокай С.И., Шка-запута Л.М. // Проектирование и строительство трубопроводов и ^азонефтепромысловых сооружений. - 1980. - fâlG. - C.42-4S.

19. Неразрушающий контроль материалов и элементов конструк-1Ий / А.Н.Гузь, М.Э.Гарф, С.В.Малааенко, В.Н.Бастун к др. - Клев: [аук.думка, 1981. - 274с.

20. Бэстуя В.Н. Об определении прочности конструкций на ос-:ова учета деформационного упрочнения материала // Пробл.проч-ости. - 1981. - tel. - С.35-38.

21. Бастун В.Н. К исследованию закона упрочнения начально зотропных металлов // Прикл.механика. - 1981. - 17, №4, - C.5I-57.

22. Бастуй В.H. К построению диаграмм растяжения металлических материалов с учетом деформационной анизотропии // Зав. лаборатория. - 1981. - №9. - C.8S-89.

23. A.c. 856609 СССР, Ш B2IC 37/12. Способ изготовления цилиндрических обечаек // В.Н.Бастун, Л.М.Шкарапута // Открытия. Изобретения. - 1981. - fc3I. - С.35.

24. A.c. I0I7457 СССР, МКИ В/23К 28/G0. Способ предотвращения хрупкого разрушения сварных конструкций // В.Н.Бастун, Л.М.Екарапута // Открытия. Изобретения. - 1983. - feI8, - С.50.

25. A.c. I024691 СССР, МКИ 001 В5/30. Способ определения напряжений в конструкциях // В.Н.Бастун, А.М.Тонконож.енко // Открытия. Изобретения. - 1983. - №23. - С.118.

26. Экспериментальные исследования тонкостенных конструкций / А.Н.Гузь, В.А.Заруцкий, И.Я.Амиро, В.Н.Бастун и др. -Киев: На-;к.думка, 1984. - 239с.

27. Бастуй В.Н. К решению задачи генезиса деформационной анизотропии в металлах при простом нагружении // Прикл.механика. г 1984. - 20, Н. - С.82-88.

28. Бастуй В.Н., Гервиц Т.Я. Исследование закономерностей деформационного упрочнения стали HI8K8M5T в зависимости от фазового состава // Пробл.прочности. - 1985. - Ы. - C.I4-I8.

29. Каминский A.A., Бастуй В.Н. Деформационное упрочнение и разрушение металлов при переменных процессах нагружения. -Киев: Наук.думка, 1985. - 167с.

30. A.c. 1118158 СССР, МКИ GOIB 5/30. Способ определения ' напряжений в конструкциях // В.Н.Бастун, А.А.Каминский, C.B. Карпоз // Открытия. Изобретения. - 1985. - L47. - С.126.

31. Кам1нський А.О., Бастуй В.М., Карпов C.B. Деяк1 мето-ди оц1нки напруаено-дефориованого стану мэг1стральних газопровода у процес1 експлуатацП // EIchkk АН УРСР. - 1985. - tell. - С.62-67.

32. Бастуй В.Н., Тонконоженко A.M. Об определении величины напряжений при помощи датчиков упрочнения // Зав.лаборатория. - 1286. - ,'й. - С.81-82.

33. Бастуй В.Н., Екарапута Л.М. Исследование закономерностей деформирования начально изотропных материалов при активном нагружении г:о двухзвенньш траекториям // Прочность материалов и элементов конструкций при сложном напряженном состоянии. - Киев: Наук.думка, 1986. - С.26-32.

34. Рекомендации по оценке напряженно-деформированного состояния газопроводов с помощью пластин-свидетелей / Сост.: А.А.Каминский, В.Н.Бастун, С. Б. Нижние, Л.М.Шкарапута, Т.Я.Мельникова, С.В.Карпов. - И.: ВНЙИгаз, 1986. - 17с.

35. Методика контроля напряженно-деформированного состояния магистральных газопроводов с помощью пластин-свидетелей / Сост.: А.А.Каминский, В.Н.Бастун, Л.М.Шкарапута, Т.Я.Мельникова, С.В.Карпов. - М.: ВНИИгаз, 1987. - 51с.

36. Регламент контроля напряженно-деформированного состояния газопроводов с помощью пластин-свидетелей / Сост.: С.Б.Карпов, Н.А.Карпова, А.А.Каминский, В.Н.Бастун. - М.: ВНИИгаз, 1987. - 15с.

37. Бастуя В.Н., Шкарапута Л.М. К определению связей между напряжениями и деформациями при сложных процессах нагрукения на основе учета деформационного упрочнения материала // Проба, прочности. - 1987. - №б. - С.49-54.

38. A.c. 1300292 СССР, МКИ GOIB 7/18. Датчик контроля уровня напряжений в конструкциях // В.Н.Бастун, А.А.Каминский, С.В.Карпов // Открытия. Изобретения. - 1987. - №12. С.162.

39. A.c. 1366866 СССР, МКИ G0IB 5/30. Устройство для получения слепка поверхности // В.Н.Бастун, Л.А.Калинина, Т.Я.Мельникова, Л.Н.Шкарапута // Открытия. Изобретения. - 1988. - й2. -c.I6Ö.

40. Бастуй В.Н. О неразрушающем контроле напряженно-деформированного состояния элементов конструкций на основе реиенкп задачи генезиса деформационной анизотропии // Прикл.механика. -1989. - 25, №3. - С.58-64.

Подписано к печати а/2.1959л Ш19649. Формат 60x84/16. Бумага офсетная Усл.-печ.лист.2,0. Уч.-изд.лист 2,0

Тираж/оо. Заказ. /432-_Бесплатно____

ФОЛ Института электродинамики АН УССР, 252057, 1Сиев-57, проспект Победы, 56.