Оценка трещиностойкости конструкций с учетом структурно-механической неоднородности сварных соединений

Москвичев, Егор Владимирович

Оценка трещиностойкости конструкций с учетом структурно-механической неоднородности сварных соединений тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.06 ВАК РФ

Москвичев, Егор Владимирович АВТОР

кандидата технических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Красноярск МЕСТО ЗАЩИТЫ

2013 ГОД ЗАЩИТЫ

01.02.06 КОД ВАК РФ

Диссертация по механике на тему «Оценка трещиностойкости конструкций с учетом структурно-механической неоднородности сварных соединений»

Автореферат диссертации на тему "Оценка трещиностойкости конструкций с учетом структурно-механической неоднородности сварных соединений"

На правах рукописи

Москвичев Егор Владимирович

ОЦЕНКА ТРЕЩИНОСТОЙКОСТИ КОНСТРУКЦИЙ С УЧЕТОМ СТРУКТУРНО-МЕХАНИЧЕСКОЙ НЕОДНОРОДНОСТИ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ

01.02.06 - Динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Новосибирск - 2013

5 ДЕК т

005542647

Работа выполнена в ФГБУН Специальное конструкторско-технологическое бюро «Наука» Красноярского научного центра Сибирского отделения Российской академии наук и на кафедре «Диагностика и безопасность технических систем» ФГАОУ ВПО «Сибирский федеральный университет».

Научный руководитель: доктор технических наук,

СКТБ «Наука» КНЦ СО РАН, заместитель директора по научной работе

A.M. Лепихин

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор кафедры «Физика прочности» Национального исследовательского ядерного университета МИФИ

Е.М. Морозов

доктор физико-математических наук, профессор,

ФГБУН Институт гидродинамики им. М.А. Лаврентьева СО РАН, главный научный сотрудник

B.М. Корнев

Ведущая организация: ФГБУН Институт физико-технических проблем

Севера им. В.П. Ларионова СО РАН

Защита состоится 23 декабря 2013 г. в 14:00 на заседании диссертационного совета Д 003.054.02 при ФГБУН Институте гидродинамики им. М.А. Лаврентьева СО РАН по адресу: 630090, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 15.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института гидродинамики им. М.А. Лаврентьева СО РАН.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах с подписью, заверенной печатью организации, просим направлять в адрес диссертационного совета на имя ученого секретаря, а копии отзывов по электронной почте

Автореферат разослан «¿2 » /-^¿Ъ&ЬЯ 2O13KrUflGUZOV0HyDf,°-

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор физико-математических наук

(Щ^Г" В. Д. Кургузов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Проведение расчетов на трещиностойкость сварных конструкций с учетом особенностей напряженно-деформированного состояния сварных соединений с трещиноподобными дефектами является одной из наиболее сложных задач механики разрушения. Наличие остаточных сварочных напряжений и структурно-механической неоднородности приводит к существенным усложнениям процессов деформирования в области трещин. Как правило, эти процессы имеют ярко выраженную нелинейность, что указывает на необходимость использования нелинейных характеристик трещиностойкости при оценках опасности дефектов.

Особенности нелинейного деформирования структурно-неоднородных сварных соединений в основном рассматриваются с использованием моделей «мягких» или «твердых» прослоек, отражающих макронеоднородность сварных соединений. Указанные модели позволяют оценить опасность сквозных трещин, находящихся в однородной «твердой» или «мягкой» прослойке. Для поверхностных, внутренних и произвольно ориентированных дефектов, а также дефектов, находящихся на границе раздела указанных прослоек или пересекающих их, решение задачи о напряженно-деформированном состоянии и оценка опасности дефектов осуществляются, как правило, численными методами.

Практический интерес при проведении расчетов сварных конструкций на трещиностойкость представляет исследование влияния микроструктурной неоднородности металла на характеристики трещиностойкости сварных соединений, поскольку свойства металла при переходе от одной зоны к другой изменяются и имеют существенный статистический разброс.

В рамках диссертационной работы исследовано влияние структурно-механической неоднородности на характеристики трещиностойкости сварных соединений с использованием вероятностных моделей механики разрушения и теории надежности, а также сформулированы основные принципы и алгоритмы численного анализа трещиностойкости сварных соединений. Это позволило дать предложения по развитию методов расчета показателей трещиностойкости сварных конструкций, что определяет актуальность работы.

Основанием для выполнения диссертационной работы послужили:

- проект 111.20.3.4 «Методы анализа живучести и разрушений повреждаемых конструкций при аварийных нагрузках и критерии защищенности технических систем от тяжелых катастроф» программы фундаментальных исследований СО РАН III.20.3 «Исследование многоуровневых процессов деформирования и разрушения неоднородных материалов и конструкций, живучести и аварийных ситуаций технических систем»;

- технические задания на выполнение НИОКР по хозяйственным договорам с ОАО «Красмаш» и ОАО «НПП СибЭРА».

Цель работы заключается в исследовании влияния структурно-механической неоднородности металла сварных соединений на характеристики трещиностойкости и развитии методов расчета сварных конструкций.

Задачи исследования:

1. Анализ известных моделей и методов оценки характеристик трещиностойкости сварных конструкций с учетом особенностей структуры сварных соединений.

2. Проведение экспериментальных статистических исследований особенностей структурно-механической неоднородности металла, характеристик механических свойств и трещиностойкости для различных зон сварных соединений.

3. Разработка численной конечно-элементной модели оценки характеристик трещиностойкости сварных соединений с учетом вариаций характеристик структурно-механической неоднородности.

4. Оценка влияния вариаций характеристик структурно-механической неоднородности на трещиностойкость типовых сварных соединений.

Методы исследований. Общая методология исследований базируется на использовании расчетно-экспериментальных методов механики деформирования и разрушения. При анализе напряженно-деформированного состояния и показателей трещиностойкости использовались методы теории упругости и механики разрушения, метод конечных элементов (МКЭ). Обработка экспериментальных данных осуществлялась статистическими методами теории вероятностей. Экспериментальные исследования включали методы механических испытаний металлов для определения характеристик механических свойств и трещиностойкости сварных соединений, металлографический анализ структуры исследованных сталей.

Научная новизна работы заключается в определении статистических вариаций и особенностей влияния структурно-механической неоднородности металла на характеристики трещиностойкости сварных соединений, обеспечивающих дальнейшее совершенствование методов расчета на трещиностойкость сварных конструкций.

Основные положения, выносимые на защиту:

— численная конечно-элементная модель расчета характеристик трещиностойкости на основе концепции ./-интеграла для сварных соединений с учетом случайного характера распределения механических свойств металла в сварном шве;

— алгоритм и программа на языке Ansys Parametric Design Language (APDL) для расчета на трещиностойкость с учетом случайного распределения предела текучести в различных зонах сварных соединений;

— экспериментальные данные о распределении механических свойств и характеристики трещиностойкости Jc для стыковых сварных соединений из сталей 09Г2С и 12Х18Н10Т;

— расчетные оценки трещиностойкости сварных соединений элементов конструкций с учетом структурно-механической неоднородности.

Практическая значимость работы заключается в том, что полученные экспериментальные данные о распределении механических свойств и параметра трещиностойкости Jc в сварных соединениях сталей 09Г2С и 12Х18Н10Т и разработанная конечно-элементная модель расчета на трещиностойкость

позволяют проводить уточненные расчеты прочности, ресурса и надежности сварных конструкций с учетом влияния структурно-механической неоднородности сварных соединений.

Внедрение результатов исследований осуществлено в ОАО «Научно-производственное предприятие «СибЭРА» при оценках предельных состояний тонкостенных сосудов давления, в учебном процессе при чтении лекций для студентов специальности «Динамика и прочность машин» Политехнического института ФГАОУ ВПО «Сибирский федеральный университет», а также в ОАО «Красноярский машиностроительный завод» в рамках научно-исследовательской работы, выполненной СКТБ «Наука» КНЦ СО РАН, что подтверждается актами внедрения.

Достоверность научных положений, результатов и выводов

обеспечивается: применением методологии исследований, основанной на трудах зарубежных и отечественных ученых; использованием нормативных документов в области расчетов и испытаний на прочность и трещиностойкость; использованием статистических данных по характеристикам механических свойств и трещиностойкости конструкционных сталей; применением современных вычислительных технологий конечно-элементного моделирования; анализом результатов физического эксперимента.

Личный вклад автора заключается в постановке и реализации целей и задач данного исследования, разработке основных положений научной новизны и практической значимости, проведении испытаний и обработке экспериментальных данных, формулировке численной модели для анализа характеристик трещиностойкости сварных соединений с учетом структурно-механической неоднородности, проведении расчетов на трещиностойкость, обобщении и внедрении полученных результатов.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на: VII Всероссийской конференции молодых ученых по математическому моделированию и информационным технологиям (Красноярск, 2006 г.); IX Всероссийской конференции «Современные методы математического моделирования природных и антропогенных катастроф» (Барнаул, 2007 г.); I НТК «Экспертиза промышленной безопасности опасных производственных объектов в условиях Крайнего Севера» (Якутск, 2009 г.); VI Всероссийской конференции «Механика микронеоднородных материалов и разрушение» (Екатеринбург, 2010 г.); II Всероссийской конференции «Деформирование и разрушение структурно-неоднородных сред и конструкций» (Новосибирск, 2011 г.); 19th European Conference on Fracture (Казань, 2012 г.); IV Всероссийской конференции «Безопасность и живучесть технических систем» (Красноярск, 2012 г.); Международной конференции «Живучесть и конструкционное материаловедение» (Москва, 2012 г.); 7th International Conference on Materials Structure & Micromechanics of Fracture (Чехия, 2013 г.); объединенном семинаре кафедр «Динамика и прочность машин» и «Диагностика и безопасность технических систем» СФУ (Красноярск, 2012 г.), на семинаре «Проблемы природно-техногенной безопасности» СКТБ «Наука» КНЦ СО РАН, семинаре

отдела механики деформируемого твердого тела Института гидродинамики им. М.А. Лаврентьева СО РАН (Новосибирск, 2013 г.).

Публикации. Основное содержание работы отражено в 15 научных публикациях, в том числе в 6 статьях в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК РФ для опубликования результатов научных исследований, 8 тезисах докладов конференций, а также в отчетах по проектам и договорам НИОКР. Получено 1 свидетельство о регистрации программы для ЭВМ в Фонде алгоритмов и программ СО РАН.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка использованных источников и приложений. Основное содержание работы изложено на 92 страницах. Общий объем работы с приложениями — 102 страницы. Работа содержит 8 таблиц и 41 рисунок. Список использованных источников включает 108 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дана общая характеристика работы, обоснована актуальность проблемы, сформулированы цель, научная новизна и практическая значимость полученных результатов.

1. Механика разрушения сварных конструкций

При расчетах сварных соединений и конструкций традиционно используют два основных метода расчета: на статическую прочность и прочность при переменных напряжениях. Их применение регламентировано различными нормативными документами. На современном этапе проявляются тенденции усложнения процедур расчетов, обеспечивающих учет влияния различных факторов и отражающих новый уровень знаний о механизмах и процессах разрушения сварных соединений. Вводится учет различной прочности отдельных зон соединений в зависимости от приложения внешних и внутренних усилий. Широко применяются численные методы расчета, позволяющие адаптировать применение критериев механики разрушения при расчетах сварных соединений.

Практическое использование критериев механики разрушения для оценки свойств металлов, анализа напряженно-деформированного состояния, проведения расчетов на трещиностойкость сварных соединений рассматривалось в работах Алешина Н.П., Болотина В.В., Винокурова В.А., Волченко В.Н., Гиренко B.C., Злочевского А.Б., Карзова Г.П., Кирьяна В.И., Копельмана JI.A., Куркина С.А., Касаткина Б.С., Ларионова В.П., Лепихина A.M., Лобанова Л.М., Лукьянова В.Ф., Махутова H.A., Махненко В.И., Напрасникова В.В., Патона Б.Е., Попова A.A., Слепцова О.И., Шахматова М.В., Ющенко К.А., Бурдекина Ф.М., Уэллса А., Каназавы Т. и др.

Применение методов механики разрушения к сварным конструкциям базируется на использовании силовых (а0 Кс), деформационных (5С, К\ес) и энергетических (Jc) критериев. Расчеты прочности и ресурса при упругом деформировании проводятся с использованием коэффициентов интенсивности напряжений для базовых расчетных схем сварных соединений. Однако в большинстве случаев разрушение сварных соединений происходят при

напряжениях больше предела текучести ат. Это предопределяет использование критериев упругопластического деформирования (деформационных и энергетических öc, Klec, Jc), которые достаточно объективно характеризуют свойства металла и сварных соединений и носят интегральный характер в условиях протекания пластических деформаций при разрушении.

Одним из наиболее изученных критериев упругопластического разрушения является критерий критического раскрытия трещины 5„ который широко используется при анализе трещиностойкости сварных конструкций. Существование остаточных напряжений в сварных соединениях вызывает большую дисперсию результатов определения 5С, что приводит к необходимости использования эталонной 5-проектной кривой, которая огибает нижнюю границу экспериментальных данных (Wells A.A., Kanazawa Т., Гиренко B.C., РТМ. ИМАШ-ЦНИИТМАШ, 1978 г.):

где 5 - раскрытие трещины; / - длина трещины; ^ - деформация, соответствующая пределу текучести материала; /„ - функция, зависящая от особенностей геометрии дефекта, характеристик металла и нагруженности.

В настоящее время для оценки трещиностойкости сварных соединений наибольшее внимание уделяется применению энергетического критерия в форме J-иптсграла. Как критерий разрушения J-интеграл получил практическое использование в виде «./-проектпой кривой», связывающей безразмерный J-интеграл с относительной деформацией элемента (Turner С.Е., Kalna К., Begley J.A., Burdekin F.M., Махутов Н.А., Козлов А.Г.):

где У/ - текущие значения J-интеграла; Е - модуль упругости; ат - предел текучести; fj - функция, зависящая от особенностей геометрии дефекта, характеристик металла и параметров нагружения.

Функции (1) и (2), полученные по результатам численного анализа, позволяют оценивать влияние трещиноподобных дефектов на работоспособность конструкций и определять их предельное состояние с учетом напряженно-деформированного состояния в области дефекта, механических свойств материала и параметров нагруженности.

Дальнейшим шагом в развитии методов расчета сварных конструкций с применением критериев механики разрушения является разработка технологии решения задач ресурсного проектирования (Когаев В.П., Доронин C.B., Лепихин A.M.). В основе вычислительной технологии статистического моделирования лежат вероятностные функции нагруженности, размеров дефектов и характеристик трещиностойкости, кинетические уравнения развития усталостных трещин, конечно-элементные расчеты напряженно-деформированных состояний

(2)

и статистическая обработка ресурсных характеристик. Результаты представляются в виде расчетных кривых усталости, функций надежности и полных вероятностных диаграмм живучести, связывающих показатели прочности, надежности и ресурса, что дает возможность более точно выбирать значения проектных параметров.

Процессы деформирования и разрушения сварных соединений в значительной степени определяются их структурной и механической неоднородностью, обусловленной локальностью термомеханических процессов в металле при сварке. На этой основе были разработаны в 1960-х и 1970-х годах приближенные модели, которые основывались на представлении сварного соединения в виде «мягкой» и «твердой» прослоек с различными прочностными характеристиками (O.A. Бакши, М.В. Шахматов). Такие модели давали возможность аналитически оценить напряженно-деформированное состояние сварного шва с учетом пластического течения и обеспечили возможность расчетной оценки различных вариантов стыковых сварных соединений с неоднородными механическими свойствами.

Проблема оценки влияния неоднородности металла сварных соединений на характеристики трещиностойкости получила развитие в 1970-х и 1980-х годах. Были проведены экспериментальные исследования по определению характеристик механических свойств и трещиностойкости различных зон сварных соединений, что позволило давать оценку работоспособности сварных конструкций с дефектами в виде трещин, базируясь на сочетании традиционных подходов и методов механики разрушения. Результаты экспериментального определения критических значений характеристик трещиностойкости Кс, 5С и J-интеграла для различных зон сварного соединения описывались функциями распределения для которых наиболее приемлемым оказался закон распределения Вейбулла.

В начале 1990-х годов появились первые исследования структурной неоднородности сварных соединений с применением методов численного моделирования, в частности метода конечных элементов. Это позволило усложнить расчетные схемы и более корректно определять параметры трещиностойкости, такие как коэффициент интенсивности напряжений и J-интеграл, а также проводить анализ их зависимости от различных факторов.

Обобщение результатов проведенных исследований показывает, что структурно-механическая неоднородность сварных соединений оказывает существенное влияние на их трещиностойкость и требует дальнейшего изучения. Этот вывод предопределил постановку задач исследований в рамках данной диссертационной работы.

2. Экспериментальные исследования характеристик механических свойств и трещиностойкости сварных соединений

Исследования выполнены на сварных соединениях сталей марок 12Х18Н10Т и 09Г2С, широко применяемых в сварных изделиях машиностроения и строительных металлоконструкциях (таблица 1).

Для изготовления образцов использовались прокатные листы толщиной 10 мм, длиной 1000 мм и шириной 150 мм. Сварка проводилась автоматическим

способом под флюсом проволокой диаметром 2 мм. Для стали 12Х18Н10Т применялся флюс АН-26С и проволока 04Х19Н11МЗ, для стали 09Г2С - флюс АН-348А и проволока 08ГА. Сварка проводилась с двух сторон.

Таблица 1 - Механические свойства листового проката толщиной 10 мм

Сталь ГОСТ Модуль упругости Е, МПа Предел текучести ст„ МПа Временное сопротивление ст„, МПа Относительное удлинение 85, %

12Х18Н10Т 7350-77 1,98-105 235 530 38

09Г2С 5520-79 2,1-105 325 470 21

Для описания микроструктуры, определения характерных зон сварных швов и определения величины зерна были выполнены металлографические исследования. Границы зерен выявлялись методом травления поперечного сечения сварного шва. Для определения вариации микроструктурных свойств проводились измерения микротвердости вдоль поперечного сечения сварного шва. Для определения характеристик механических свойств испытывались стандартные цилиндрические образцы с диаметром рабочей части 3 мм. Характеристики трещиностойкости определялись на плоских прямоугольных образцах с краевой трещиной согласно ГОСТ 25.506-85 по схеме трехточечного изгиба (I = 54 мм; 6=12 мм; ? = 6 мм; /0 = 6 мм). Образцы вырезались из четырех областей сварного соединения, расположенных на расстоянии 0, 6, 8 и 25 мм от центра шва, по четыре образца из каждой области.

Испытания проводились на универсальной испытательной машине В ¡Б Б модели В ¡-00-201, предназначенной для механических испытаний образцов в интервале нагрузок до 5 кН. При испытаниях малоразмерных цилиндрических образцов использовался специальный реверсор, обеспечивающий испытания образцов на растяжение при общей схеме нагружения сжимающей нагрузкой.

Критическое значение ./-интеграла определялось по результатам испытаний образцов на трехточечный изгиб с записью диаграммы «нагрузка - перемещение точки приложения нагрузки» по значению максимальной разрушающей нагрузки по формуле

с~ Е (Ь-1)( к' (>

где ц = 0,3 - коэффициент Пуассона; Е - модуль упругости; I - исходная длина трещины; Ъ, I - размеры поперечного брутто-сечения образца; Кс - условный критический коэффициент интенсивности напряжений; Арс - работа, соответствующая пластической части под диаграммой нагружения образца; % = 2; к= 1.

Условный критический коэффициент интенсивности напряжений Кс определялся по формуле

, _РС-Ь

f - л/г>3

У, = 3,494

1-3,39бГ Л+ 5,839^

(4)

где Рс - максимальная нагрузка; Ь — расстояние между опорами.

Исследование микроструктуры сварного шва из стали 09Г2С показало, что металл шва имеет феррито-перлитную структуру с величиной зерна 7—8 по шкале ГОСТ5639-82 (средний диаметр зерна порядка 22...31 мкм). Микроструктура основного металла стали 12Х18Н10Т состоит из аустенита и небольшого количество 5-феррита. Размер зерен вблизи сварного шва соответствует 3^ номеру шкалы ГОСТ 5639-82 (средний диаметр зерна находится в пределах от 88 до 125 мкм). Величина зерен в основном металле соответствует 7-8 баллу (средний диаметр зерна равен 22...31 мкм).

Результаты измерения микротвердости НУ, временного сопротивления ав, предела текучести сгт, относительного удлинения 5ю и относительного сужения \ук по различным зонам сварных соединений представлены на рисунке 1. Показатель степени деформационного упрочнения т для всех зон сварного соединения лежит в пределах 0,12...0,14 для стали 09Г2С и 0,15...0,17 для стали 12Х18Н10Т.

Для стали 09Г2С временное сопротивление в металле шва составляет в среднем 570 МПа и повышается в ЗТВ до уровня 630 МПа, в зоне основного металла снижается до 590 МПа. Аналогичный характер изменения наблюдается для предела текучести. В сварном шве из стали 12Х18Н10Т средние значении временного сопротивления и предела текучести практически не изменяются при переходе от одной зоны к другой и составляют порядка 670 МПа и 400 МПа соответственно. Однако в металле шва наблюдается увеличение вариации свойств по сравнению с другими зонами.

Среднее значение ./-интеграла для стали 09Г2С (рисунок 1) изменяется незначительно при переходе от одной зоны к другой и находится в пределах 80...90 кДж/м2. Однако, в ЗТВ разброс значений относительно среднего значительно выше, чем в других зонах и составляет 50... 120 кДж/м2, что объясняется значительной микроструктурной неоднородностью, характерной для ЗТВ. Аналогичные результаты наблюдаются для стали 12Х18Н10Т, для которой среднее значение ./-интеграла находится в пределах 500...550 кДж/м2 с наибольшим разбросом в ЗТВ порядка 360...700 кДж/м2.

Результаты статистической обработки экспериментальных данных, представлены в таблице 2 в виде средних значений и коэффициентов вариации НУ, ат, ав, ./-интеграла для различных зон сварных соединений.

Наибольшего значения коэффициент вариации ./-интеграла достигает в ЗТВ - 0,26 для 09Г2С и 0,19 для 12Х18Н10Т. В основном металле сварного шва из стали 09Г2С коэффициент вариации равен 0,14, в металле шва - 0,07. Соответственно для стали 12Х18Н10Т — 0,05 в основном металле и 0,04 в металле шва.

Относительное удлинение. 5,„ Относительное сужение,

-15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 30 Расстояние от центра шва. мм

• Предел текучести, о,, О Временное сопротивление, а.

10 15

20 25

• Относительное удлинение, <510 о Относительное сужение, у.

г боо 1

Рисунок 1 - Изменение характеристик механических свойств и трещиностойкости по различным зонам сварных соединений (слева - 09Г2С; справа - 12Х18Н10Т)

Таблица 2 - Средние значения х и коэффициенты вариации v механических

Зона сварного шва Микротвердость, HV Предел текучести Временное сопротивление J-интеграл

X V X, МП а V X, МПа V х, кДж/м" V

09Г2С

Основной металл 264 0,07 442 0,04 593 0,02 84 0,14

ЗТВ 263 0,05 466 0,07 631 0,01 87 0,26

Метал шва 269 0,08 414 0,06 571 0,04 89 0,07

12Х18Н10Т

Основной металл 394 0,07 397 0,07 686 0,004 481 0,05

ЗТВ 400 0,07 406 0,05 668 0,02 545 0,19

Метал шва 432 0,10 420 0,16 661 0,07 495 0,04

Согласно экспериментальным данным выраженной зависимости между вариациями характеристик микротвердости, механических свойств и трещиностойкости не наблюдается, при этом вариация У-интеграла превышает вариации других исследуемых величин. Полученные результаты послужили основой для разработки численной конечно-элементной модели сварных соединений.

3. Моделирование структурно-механической неоднородности и расчет характеристик трещиностойкости сварных соединений

При формировании расчетной модели сварного соединения, учитывающей особенности изменения характеристик механических свойств и трещиностойкости (раздел 2), материал сварного соединения представлен как совокупность малых структурных элементов с различными случайными свойствами, на которые большое влияние оказывают предел текучести и временное сопротивление металла различных зон сварного шва. С учетом этого материал различных зон сварного соединения описывался совокупностью элементов с различным случайно распределенным пределом текучести и собственной диаграммой деформирования. В качестве базовой характеристики трещиностойкости использовался критерий в форме ./-интеграла, при этом в численной конечно-элементной модели сварного соединения учитывалось: нелинейность процессов деформирования; случайное распределение механических свойств; соответствие масштабов конечных элементов и малых структурных составляющих материала.

При проведении модельных расчетов использовался программный комплекс ANSYS, предназначенный для решения задач механики деформируемого твердого тела. На первом этапе были выполнены тестовые расчеты J-интеграла для пластины с центральной трещиной при упругом и упругопластическом деформировании методом интегрирования по областям и методом прямого интегрирования. С учетом симметрии в конечно-элементной модели рассматривалась четверть пластины (рисунок 2). Размеры пластины принимались Ъ = 50 мм и h = 150 мм. Длина трещины / = 13 мм, (X = lib = 0,26). Растягивающее

напряжение а = ЗООМПа; ат = 350 МПа; т = 0,12; ц = 0,3; Е = 2,1 ■ 105 МПа. Диаграмма деформирования описывалась линейным упругим участком и

участком со степенным упрочнением (а = е"'; а = а/аТ; е = е/ет).

Рисунок 2 - Расчетная схема растяжения пластины с центральной трещиной и контуры интегрирования вокруг вершины трещины

/-интеграл рассчитывался для серии контуров (рисунок 3) для которых, значение /-интеграла постоянно и в упругом случае составило ./ = 18,82 кДж/м2, что хорошо согласуется с аналитической оценкой по формулам:

./ = ^ = 18,78 кДж/м2, К, = ' ~ + 0326X1 = 62,87МПаУм . (5) Е л/Г^Х

В упругопластическом случае значение ./-интеграла составило 64 кДж/м2. Для последующих контуров значение У-ингеграла нестабильно, что объясняется особенностями граничных условий конечно-элементной модели. За истинное значение рассчитанного ./-интеграла принимались значения, не зависящие от контура интегрирования.

На втором этапе рассматривалась модель структурно-неоднородного стыкового сварного соединения с трещиной на расстоянии 5 мм от центра шва, в виде пластины в плосконапряженном состоянии под действием растягивающих напряжений. Среднее значение предела текучести в сварном соединении представлялось кусочно-линейной функцией расстояния от центра шва. Значения такой функции в точках перехода от одного интервала к другому соответствовали экспериментальным значениям, полученным для соответствующих зон сварного соединения (рисунок 1). Значение предела текучести для упругопластических элементов в области вершины трещины задавались путем случайной генерации по симметрично усеченному нормальному закону распределения с максимальными и минимальными значениями равными: среднее плюс-минус два среднеквадратичных отклонения. Полученное таким образом распределение предела текучести в конечно-элементной модели представлено на рисунке 4а.

90 85 80 75 „ 70 S 65 Д60 5 55 • 50 § 45

35 30 25 20 15 10 5 0

lili угопластическое деформирова етод интегрирования по области )ямой метод интегрирования

Упр ние

3-м

4 - п

Упр угое деформирование етод интегрирования по области эямой метод интегрирования

1 - м

2-щ

.-1- ,—.

■ Ч ■ ■ ■ ■ ■ ■ i i

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 Номер (размер) контура

Рисунок 3 - Сравнение значений /-интеграла при растяжении пластины с центральной трещиной при упругом и упругопластическом деформировании

357 376 396

Контур №50

1 1... 1 1 i i ; i i мм

а) б)

Рисунок 4 - Распределение значений предела текучести в конечно-элементной модели для металла шва, ЗТВ и основного металла, МПа (а); пластическая зона в вершине трещины (б)

Расчет У-интеграла проводился для всех контуров, входящих в упругопластическую область в вершине трещины. Значение У-интеграла становится стабильным по достижении 50 контура и составляет 6446 Дж/м2. Это объясняется тем, что последующие контуры полностью охватывают пластическую зону (рисунок 46). Вид и размер пластической зоны определяется конечными элементами, находящимися в пластическом состоянии по критерию Мизеса.

В рамках предложенной модели исследовано влияние коэффициента вариации предела текучести на результаты расчета ./-интеграла (рисунок 5). Коэффициент вариации постепенно увеличивался с шагом 0,05 и проводились

соответствующие расчеты значений ./-интеграла при различных значениях предела текучести, изменяющихся от 300 до 500 МПа.

: 7500 ■

-300 1-350 400 -450 -500

0,1 0,15

Коэффициент вариации

Рисунок 5 - Зависимость ./-интеграла от вариации при различном среднем значении предела текучести

Как показывают результаты расчета, с увеличением вариации предела текучести /-интеграл возрастает. Этот эффект объясняется тем, что в процессе нагружения «слабые» элементы, с меньшим пределом текучести, переходя в пластичное состояние, достигают больших значений деформаций. Чем больше вариация предела текучести, тем выше вероятность (до некоторого предела) появления элементов с большими пластическими деформациями, что приводит к возрастанию работы нагружения и ./-интеграла. Это особенно выражено при наименьшем пределе текучести в 300 МПа, когда увеличение ./-интеграла может составлять до 13% относительно неоднородного случая.

4. Модельные расчеты на трещиностойкость элементов сварных конструкций

При проведении расчетов на трещиностойкость сварных конструкций, как правило, в качестве критериев используются коэффициент интенсивности напряжений, раскрытие трещины и /-интеграл. Критериальные соотношения записываются в форме:

К?<К1с; 5?<51с; (6)

где , ./,' - значения, рассчитанные для элемента конструкции с трещиной; Ки., 8к., Jlc - критические значения, определяемые экспериментально на модельных или стандартных образцах.

Учет факторов структурно-механической неоднородности напрямую не входит в формулы (6) и может быть реализован путем введения в расчетные

значения критериев К\, 5', J¡ поправочных функций и коэффициентов. Уровень структурно-механической неоднородности сварного шва в значительной мере определяется вариацией предела текучести (рисунок 5). Критериальные соотношения, учитывающие структурно-механическую неоднородность при известных зависимостях параметра трещиностойкости от коэффициента вариации предела текучести можно представить в виде:

К^Ъ+КХг^Къ, 5, =8, +5'(к)<5[с; Jl=Jl+J^{v)<Jlc, (7)

где Кх, б,, Jl - расчетные параметры трещиностойкости с учетом структурно-механической неоднородности; К\У), 5'(К), J' (V) - поправочные функции; V -коэффициент вариации предела текучести в сварном шве.

Данный подход может быть использован при проведении расчетов на трещиностойкость по формулам (1) и (2) при наличии соответствующей информации для определения поправочных функций 8'(У), J, (V). Использование ./-интеграла апробировано для двух типов сварных соединений, представленных на рисунке 6, с определением соответствующих поправочных функций J'(V). Распределение среднего значения предела текучести в сварных швах принималось в соответствии с таблицей 2.

Анализ результатов показывает, что с возрастанием вариации предела текучести расчетное значение параметра трещиностойкости ./-интеграла также возрастает и может увеличиваться до 17% и более по сравнению с расчетом без учета структурно-механической неоднородности, когда коэффициент вариации равен нулю. Полученные поправочные функции позволяют учесть это влияние в аналитической форме. Построение аналогичных функций для различных типов сварных соединений может служить основой для инженерных расчетов сварных конструкций с учетом структурно-механической неоднородности.

Были выполнены поверочные расчеты на трещиностойкость сварного сосуда высокого давления (шаробаллона), изготовленного из стали 12Х18Н10Т и применяемого в ракетных двигательных установках. Шаробаллон представляет собой сферическую тонкостенную оболочку, сваренную из двух полусфер, с внутренним радиусом 185 мм; толщиной стенки 5,4 мм; толщиной пояса усиления 7,5 мм и шириной пояса 40 мм. Расчетная схема сварного соединения с полуэллиптической трещиной предполагала расположение трещины вдоль и поперек сварному шву. Расчеты выполнялись методом конечных элементов в упругопластической области с учетом параметров распределения предела текучести в сварном шве, определенных по результатам эксперимента. Использование разработанной модели позволило дать оценку влияния структурно-механической неоднородности на характеристики трещиностойкости конструкции шаробаллона.

/ = 10 мм; а = 5 мм; а = 200 МПа сталь 09Г2С

0,05 ОД 0,15 0,2 Коэффициент вариации

Х{у)= 1380088К2 -3516,

/ = 20 мм; а = 10мм; А = 5 мм; а = 300 МПа сталь 12X18Н ЮТ

0,05 0,1 0.15 0,2 Коэффициент вариации

У'(К)=4426,1К2 -562,45К

Рисунок 6 — Поправочные функции J' (V) для стыкового и крестового соединений

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Структурно-механическая неоднородность является одним из основных факторов, оказывающих существенное влияние на характеристики трещиностойкости сварных соединений, что требует его учета при проведении расчетов сварных конструкций с технологическими и эксплуатационными дефектами.

2. Выполнен комплекс экспериментальных исследований характеристик механических свойств и трещиностойкости сварных соединений сталей 09Г2С и 12Х18Н10Т с определением коэффициентов вариации микротвердости, предела текучести, временного сопротивления и ./-интеграла в различных зонах сварных соединений.

3. Сформулирована расчетная модель сварного соединения, учитывающая особенности изменения характеристик механических свойств (предела текучести) и трещиностойкости (/-интеграла), с использованием которой получены зависимости значений /-интеграла от вариации предела текучести по зонам сварного соединения.

4. Разработаны алгоритм и программа к конечно-элементному пакету ANSYS, учитывающие структурно-механическую неоднородность металла шва при расчете на трещиностойкость сварных соединений.

5. Разработана методика расчета на трещиностойкость сварных соединений с учетом структурно-механической неоднородности, основанная на использовании поправочных функций зависимости значений ./-интеграла от вариации предела текучести по зонам сварного соединения.

6. Проведенные расчеты на трещиностойкость типовых сварных соединений (стыковое, крестовое) показали увеличение расчетных характеристик трещиностойкости, приводящее к недооценке опасности трещиноподобных дефектов в сварных конструкциях.

7. Экспериментальные результаты, разработанные алгоритм и программа, методика расчета на трещиностойкость использованы при проведении поверочных расчетов тонкостенного сосуда высокого давления (шаробаллона) ракетной двигательной установки, что подтверждается актом внедрения ОАО «Красмаш».

Основные результаты исследований и положения диссертации опубликованы в следующих работах:

- публикации в изданиях, рекомендованных ВАК России:

1. Москвичев Е.В. Оценка надежности сварных соединений трубопроводов, содержащих дефекты в виде непроваров / A.M. Лепихин., Е.В. Москвичев // Вестник Сибирского государственного аэрокосмического университета им. акад. М.Ф. Решетнева, 2007. - Вып. 1 (14). - С. 123-124.

2. Москвичев Е.В. .Вероятностное моделирование предельных состояний и оценка ресурса и надежности трубопроводов / A.M. Лепихин, Е.В. Москвичев // Вычислительные технологии, 2008 - Том 13. — Спец. вып. 2 - С. 47-51.

3. Москвичев Е.В. Оценка влияния структурной неоднородности сварного соединения на величину ./-интеграла / A.M. Лепихин., Е.В. Москвичев // Деформация и разрушение, 2010. -№10. — С. 28-33.

4. Москвичев Е.В. Особенности численного моделирования для оценки прочности и нагруженности конструкций антенных систем / Е.В. Москвичев, О.Ю. Кротов, C.B. Доронин, Ю.П. Похабов, Н.П. Шарин // Вестник Сибирского государственного аэрокосмического университета им. акад. М.Ф. Решетнева. -

2012.-№6(46).-С. 149-152.

5. Москвичев Е.В. Несущая способность металлоконструкции антенной мачты при внештатных условиях нагружения / А.Е Буров, Е.В Москвичев. // Ремонт, восстановление, модернизация, 2013. - №3. - С. 31-33.

6. Москвичев Е.В. Структурно-механическая неоднородность и трещиностойкость сварных соединений сталей 09Г2С и 12Х18Н10Т / Е.В. Москвичев, A.M. Лепихин // Заводская лаборатория. Диагностика материалов,

2013.-№6.-С. 50-54.

- публикации в других изданиях:

7. Москвичев Е.В. Применение методов вероятностного моделирования для оценки надежности сварных соединений магистральных газопроводов, содержащих дефекты в виде непроваров // Тез докл.УН Всерос. конф. молодых ученых по математическому моделированию и информационным технологиям -Красноярск: ИВМ СО РАН, 2006. - С. 61-62.

8. Москвичев Е.В. Вероятностное моделирование ресурса и безопасности магистральных трубопроводов // Тез докл. IX Всерос. конф. «Современные методы математического моделирования природных и антропогенных катастроф»

- Барнаул: ИВЭП СО РАН, 2007. - С. 76.

9. Москвичев Е.В. Особенности расчета ресурса трубопроводов на стадии роста усталостных трещин / A.M. Лепихин, Е.В. Москвичев, Н.А. Чернякова // Тр. I научно-технич. конф. «Экспертиза промышленной безопасности опасных производственных объектов в условиях Крайнего Севера»: — Якутск: ЗАО НИИ «ФизтехЭРА», 2009. - С. 46.

10. Москвичев Е.В. Влияние структурной неоднородности сварного соединения на характеристики трещиностойкости // Тез. VI Всерос. конф. «Механика микронеоднородных материалов и разрушение». - Екатеринбург, 2010.-С. 62.

11. Москвичев Е.В. Влияние неоднородности механических свойств сварного соединения на трещиностойкость // Тез. докл. II Всерос. конф. «Деформирование и разрушение структурно-неоднородных сред и конструкций».

- Новосибирск, 2011. - С. 70-71.

12. Moskvichev Е. The effect of mechanical heterogeneity on finite element numerical evaluation of -/-integral for cracked weld joints // Book of Abstracts 19 th European Conference on Fracture. «Fracture Mechanics for Durability, Reliability and Safety» - Kazan Foliant, 2012. - P. 349.

13. Москвичев Е.В. Численные и экспериментальные исследования структурно-механической неоднородности и трещиностойкости сварных соединений // Безопасность и живучесть технических систем: Тр. IV Всерос. конф. - Красноярск: ИФ СО РАН, 2012. - Т.1: Пленарные доклады. Секция 1. Научные обоснования прочности, ресурса и безопасности технических систем. -С. 164.

14. Moskvichev Е. The experimental study and numerical estimation of fracture toughness of heterogeneous welded joints // Book of Abstracts. 7 th Intern. Conf. on Materials Structure and Micromechanics of Fracture - Brno, Czech. Republic (July 1-3, 2013) - Vutium, 2013. - P. 60.

- патенты и свидетельства:

15. Свидетельство о государственной регистрации программы № PR11051 «Макрос к конечно-элементному пакету ANSYS для учета структурно-механической неоднородности металла при расчете трещиностойкости сварных соединений». Разработчик: Москвичев Е.В. Заявитель: СКТБ «Наука» КНЦ СО РАН. Дата регистрации: 2011-10-28.

Подписано в печать 19.11.2013. Печать плоская Формат 60x84/16 Бумага офсетная. Усл. печ. л. 1,0 Тираж 100 экз. Заказ № 3811

Отпечатано полиграфическим центром Библиотечно-издательского комплекса Сибирского федерального университета 660041, г. Красноярск, пр. Свободный, 82а, тел.: +7(391) 206-26-49, 206-26-67 E-mail: print_sfu@mail.ru

Текст научной работы диссертации и автореферата по механике, кандидата технических наук, Москвичев, Егор Владимирович, Красноярск

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Специальное конструкторско-технологическое бюро «Наука» Красноярского научного центра Сибирского отделения Российской академии наук

На правах рукописи

КЧьи iiii.fi 7

Москвичев Егор Владимирович

ОЦЕНКА ТРЕЩИНОСТОЙКОСТИ КОНСТРУКЦИЙ С УЧЕТОМ СТРУКТУРНО-МЕХАНИЧЕСКОЙ НЕОДНОРОДНОСТИ

СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ

01.02.06 - Динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор А.М. Лепихин

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение 4

Глава 1. Механика разрушения сварных конструкций........................ 10

1Л. Методы расчета элементов сварных конструкций по критериям механики разрушения......................................................... 10

1.2. Исследования структурно-механической неоднородности

сварных соединений............................................................ 19

1.3. Технологии численного моделирования деформирования и разрушения сварных соединений............................................. 25

1.4. Постановка задач исследования......................................... 29

Глава 2. Экспериментальные исследования характеристик механических свойств и трещиностойкости сварных соединений............................... 31

2.1. Материалы, образцы и методика экспериментальных исследований..................................................................... 31

2.2. Результаты экспериментальных исследований сварных соединений........................................................................ 41

2.3. Вариации характеристик структурно-механических свойств

и трещиностойкости............................................................ 50

Глава 3. Моделирование структурно-механической неоднородности и расчет характеристик трещиностойкости сварных соединений............. 53

3.1. Принципы численного моделирования структурно-неоднородных сварных соединений ........................................ 53

3.2. Особенности расчета /-интеграла методом конечных элементов

в программе АЫБУБ............................................................ 56

3.3. Формулировка модели структурно-неоднородного стыкового сварного соединения с трещиной и расчет /-интеграла ................ 60

3.4. Влияние параметров модели на результаты расчета /-интеграла. 67

Глава 4. Модельные расчеты на трещиностойкость элементов сварных

конструкций............................................................................................................................................................70

4.1. Развитие методов расчета на трещиностойкость сварных конструкций ..........................................................................................................................................70

4.2. Расчет на трещиностойкость типовых сварных соединений............71

4.3. Расчет на трещиностойкость сварного сосуда высокого давления........................................................................................................................................................75

Основные результаты и выводы......................................................................................................80

Список использованных источников..........................................................................................82

Приложение А. Макрос к конечно-элементному пакету АЫ8У8 для

учета структурно-механической неоднородности сварных соединений... 93

Приложение Б. Акты внедрения диссертационной работы 98

ВВЕДЕНИЕ

предложения по развитию методов расчета показателей трещиностойкости сварных конструкций, что определяет актуальность работы.

Основанием для выполнения диссертационной работы послужили:

- проект III.20.3.4 «Методы анализа живучести и разрушений повреждаемых конструкций при аварийных нагрузках и критерии защищенности технических систем от тяжелых катастроф» программы фундаментальных исследований СО РАН III.20.3 «Исследование многоуровневых процессов деформирования и разрушения неоднородных материалов и конструкций, живучести и аварийных ситуаций технических систем»;

- технические задания на выполнение НИОКР по хозяйственным договорам с ОАО «Красмаш» и ОАО «НЛП СибЭРА».

Задачи исследования:

- анализ известных моделей и методов оценки характеристик трещиностойкости сварных конструкций с учетом особенностей структуры сварных соединений;

- проведение экспериментальных статистических исследований особенностей структурно-механической неоднородности металла, характеристик механических свойств и трещиностойкости для различных зон сварных соединений;

- разработка численной конечно-элементной модели оценки характеристик трещиностойкости сварных соединений с учетом вариаций характеристик структурно-механической неоднородности;

- оценка влияния вариаций характеристик структурно-механической неоднородности на трещиностойкость типовых сварных соединений.

показателей трещиностойкости использовались методы теории упругости и механики разрушения, метод конечных элементов (МКЭ). Обработка экспериментальных данных осуществлялась статистическими методами теории вероятностей. Экспериментальные исследования включали методы механических испытаний металлов для определения характеристик механических свойств и трещиностойкости сварных соединений, металлографический анализ структуры исследованных сталей.

Основные положения, выносимые на защиту:

- численная конечно-элементная модель расчета характеристик трещиностойкости на основе концепции J-интеграла для сварных соединений с учетом случайного характера распределения механических свойств металла в сварном шве;

- алгоритм и программа на языке Ansys Parametric Design Language (APDL) для расчета на трещиностойкость с учетом случайного распределения предела текучести в различных зонах сварных соединений;

- экспериментальные данные о распределении механических свойств и характеристики трещиностойкости Jc для стыковых сварных соединений из сталей 09Г2С и 12Х18Н10Т;

- расчетные оценки трещиностойкости сварных соединений элементов конструкций с учетом структурно-механической неоднородности.

и надежности сварных конструкций с учетом влияния структурно-механической неоднородности сварных соединений.

Достоверность научных положений, результатов и выводов

Автор выражает благодарность: заместителю директора СКТБ «Наука» КНЦ СО РАН, докт. техн. наук, профессору A.M. Лепихину, генеральному директору ООО «НИИ «СибЭРА», канд. техн. наук А.П. Черняеву, сотрудникам ОАО «Красмаш»; Красноярскому краевому фонду поддержки научной и научно-технической деятельности, Фонду содействия развитию малых форм предприятий

в научно-технической сфере за финансовую поддержку проведенных исследований, включая участие в международных конференциях, сотрудникам Отдела информационных технологий и методов риск-анализа СКТБ «Наука» КНЦ СО РАН за полезные замечания и советы при выполнении данной работы.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на: VII Всероссийской конференции молодых ученых по математическому моделированию и информационным технологиям (Красноярск, 2006 г.); IX Всероссийской конференции «Современные методы математического моделирования природных и антропогенных катастроф» (Барнаул, 2007 г.); I НТК «Экспертиза промышленной безопасности опасных производственных объек-тов в условиях Крайнего Севера» (Якутск, 2009 г.); VI Всероссийской конфе-ренции «Механика микронеоднородных материалов и разрушение» (Екатерин-бург, 2010 г.); II Всероссийской конференции «Деформирование и разрушение структурно-неоднородных сред и конструкций» (Новосибирск, 2011 г.); 19th European Conference on Fracture (Казань, 2012 г.); IV Всероссийской конференции «Безопасность и живучесть технических систем» (Красноярск, 2012 г.); Международной конференции «Живучесть и конструкционное материаловедение» (Москва, 2012 г.); 7th International Conference on Materials Structure & Micromechanics of Fracture (Чехия, 2013 г.); объединенном семинаре кафедр «Динамика и прочность машин» и «Диагностика и безопасность технических систем» СФУ (Красноярск, 2012 г.), на семинаре «Проблемы природно-техногенной безопасности» СКТБ «Наука» КНЦ СО РАН, семинаре отдела механики деформируемого твердого тела Института гидродинамики им. М.А. Лаврентьева СО РАН (Новосибирск, 2013 г.).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка использованных источников и приложений. Основное содержание работы изложено на 92 страницах. Общий объем работы с приложениями - 102 страницы. Работа содержит 8 таблиц и 41 рисунок. Список использованных источников включает 108 наименований.

ГЛАВА 1. МЕХАНИКА РАЗРУШЕНИЯ СВАРНЫХ КОНСТРУКЦИЙ

1.1 Методы расчета элементов сварных конструкций по критериям

механики разрушения

При расчетах сварных конструкций традиционно используют два основных метода расчета: на статическую прочность и прочность при переменных напряжениях. Применение их регламентировано различными нормативными документами, которые обязательны для типового проектирования [1-6].

В основу расчетов строительных сварных конструкций положены расчетные (нормативные) сопротивления материалов по пределам текучести (Яу), прочности (Яи) и выносливости При расчетах по данному методу

определяются допускаемые усилия с учетом коэффициентов надежности и условий работы, учитывающих специфический характер работы конкретных строительных объектов.

В основу расчета сварных соединений машиностроительных конструкций положены допускаемые напряжения, которые устанавливаются в зависимости от свойств материалов (ат, ов) и соответствующих коэффициентов запаса. Допускаемые напряжения для сварных швов машиностроительных конструкций могут устанавливаться в зависимости от допускаемых напряжений основного металла. Это положение позволяет рассматривать сварные соединения равнопрочными основному металлу, не производя определения величин усилий, действующих в них и исключая необходимость учета ряда переменных факторов.

В разное время были предложены различные методы расчета сварных соединений при переменных нагрузках [5-8]. СНиП П-23-81 [5] предусматривает расчет на выносливость с учетом концентрации напряжений, условий нагружения и уровня прочности стали, при этом элементы конструкции и сварные соединения разделены на 8 групп. Чем выше номер группы, тем значительнее концентрация напряжений в сварном соединении и ниже его прочность. В методе ИЭС-ИМАШ [6] сварные соединения разделены на 12 конструктивных групп по уровню

концентрации напряжений и в отличие от СНиП, в этом методе большое внимание уделяется влиянию остаточных напряжений от сварки. Учет влияния числа циклов и асимметрии цикла осуществляется по диаграммам, приведенным для каждой конструктивной группы. Расчет числа циклов оценивается согласно линейной теории накопления усталостных повреждений.

При разработке нормативных документов в области расчетов на прочность и ресурс в качестве одного из основных требований является возможность широкого инженерного применения предполагаемой процедуры расчетов. В некоторых случаях это достигалось ценой снижения экономичности и долговечности сварных конструкций. На современном этапе проявляются тенденции усложнения процедур расчетов, обеспечивающих учет влияния различных факторов и учитывающих новый уровень знаний о механизмах и процессах разрушения происходящих в сварных соединениях. Во-первых, вводится учет различной прочности отдельных участков соединений в зависимости от приложения внешних и внутренних усилий [7]. Это в ряде случаев позволяет проектировать более экономичные конструкции в отношении объема наплавляемого металла. Во-вторых, ведутся работы и достигнуты успехи в применении численных методов расчета, позволяющих адаптировать критерии механики разрушения при расчетах сварных соединений, что открывает возможность применения более прочных, но менее пластичных присадочных металлов. Одновременно это позволяет проводить обоснованные расчеты на статическую прочность и прочность при переменных нагрузках в условиях понижения пластичности материала при применении высокопрочных металлов и в условиях низких температур.

Практическое использование к