Разработка и реализация методов управляемой пластической деформации элементов конструкций с целью повышения их устойчивости тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.04 ВАК РФ

¡о.^ " Н 9 %

(. и,

I

т;:.;.?с;со;1 ордш трудового красного знамени болитахшльсза^ институт

На правах рукописи воронцов Александр Петрович удк 539.3:534.1

/-лсрлботга И РСШЗАЦШ ПЗТОДОЗ УПРАВЛЯЕМОЙ ...JvC7.7T.X3X0:; ДаИКЭДКИ £ЛЕ;,ЕНТ0В. КОНСТРУКЦИЙ

с цщ>ю пшьеееия их ум&йвости

01.02.04 - Механика деформируемого твердого тела

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Тверь 1992

Работа выполнена на кафедре сопротивления материалов, тоорпп упругости и пластичности Тверского политехнического кнст/.тута

Научный руководитель; доктор технических наук, профессор Зубчанинов Б.Г.

Официальные оппоненты; доктор физико-математических наук, профессор Толоконников I.A.

доктор технических наук, профессор Лебедев A.A.

Ведущая организация - Санкт-Петербургский шгкенерко-строи-тельный 1шститут

Защита состоится {? в 1С часов на заседании

специализированного совета К 063.22.02 Тверского ордена Трудового Красного знамени политехнического института по адресу: 170023, г. Тверь, наб. Афанасия Никитина, 22

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института

Автореферат разослан " Ü " ЛМУ_129;? г.

Л ;

,! ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА. РАБОТЫ

| Актуальность проблемы обусловлена тем, что одной из вашей-,';пшх задач инженерной практики является снижение материалоемкости при одновременном обеспечении прочности, устойчивости и надегло-сти различных конструктивных элементов и конструкций в целом.

Во многих случаях несущая способность конструкций зависит от поведения отдельных элементов и очень часто определяется их устойчивостью в упругопластнческой стадии.

Стремление к снижении веса заставляет искать различные пути наиболее полного использования прочностных ресурсоз работы материала, в том числе и за счет предварительного упрочняющего пластического деформирования (улругопластической тренировки).

На практике ваяны истории нагруяения, приводящие не только к повышению но и к снияениэ несущей способности. При этом одна и та яе история предварительного нагруяения по отношению к эксплуатационным воздействиям может как повышать, так и сникать ее, а монет быть нейтральной, но оказывая существенного влияния. Эти истории необходимо рассматривать во взаимосвязи с последующими эксплуатационными нагруяешяки.

Вопросы влияния улругопластической тренировки на устойчивость стер;яней, пластин, оболочек изучены недостаточно. Имеется лишь незначительное число работ, посвященное этой проблеме. Мало изучено поведение таких элементов в конструкциях. Нет достаточной информации о влиянии старения материала на эффекты увеличения или снижения несущей способности элементов конструкции за счет изменения свойств материала, подвергнутого предварительному пластическому деформированию.

Общая характеристика рассматриваемой проблемы позволяет считать исследования влияния упругопластической тренировки элементов конструкций на их несущую способность важными и актуальными. Накопление соответствующих теоретических и экспериментальных данных имеет решающее значение для реализации эффективных путей предварительного нагруяения,, создания специальных установок по проведению управляемого пластического деформирования, разработке практических методов расчета и проектирования рациональных менее материалоемких конструкций.

В диссертации представлены результаты исследований, выполненных автором в соответствии с тематикой НИР кафедры сопротив-

ления материалов, теории упругости и пластичности, включенной в координационный плгш ¡линвуза СССР по тематике деформируемого твердого тола на 1985-1990 гг.-к в "Программу комплексно:; стандартизации методов "расчета к испытаний на прочность" Госстандарта СССР.

Целью работы является разработка и реализация управляемого процесса пластического деформирования с цельэ упрочнения материала элементов конструкций, повыяегая их несущей способности и устойчивости; теоретлчоское и экспериментальное изучение закономерностей поведения стер;хкей, пластин и оболочек поело упруго-пластической тренировки.

В задачи исследовании входило:

- анализ современного состояния вопросов упругопластического выпучивания и устойчивости стер;:;ней, пластин и оболочек, связанных с предварительным пластически.! дефюрмированием по заданным программам;

- теоретический анализ выпучивания, устойчивости и закрмииео-кого поведения предварительно тренированных смато-изогнутых стержней;

- разработка и создание установок для реализации управляемых процессов пластического депортирования (предварительно:! тренировки) стержней, прямоугольных пластин и цилиндрических оболочек;

.- экспериментальное исследование выпучивания и устойчивости^ предварительно тренированных стерглей, пластин и оболочек;

- исследование влияния естественного старения на устойчивость тренированных стержней.

Научная новизна состоит:

- в разработке модифицированного алгоритма и программы решения задач о выпучивании и устойчивости предварительно тренированных стергшсп;

- в решении конкретных задач о выпучивании и устойчивости сжато-изогнутых стеряной с учетом упругой разгрузки и вторичных пластических деформаций на ЗЫ;

- в практической реализации процессов управляемого пластического деформирования на созданных экспериментальных установках для стерянвй, пластин и оболочек;

- в разработке методики экспериментальных исследований по реализации упругопластической тренировки стершей, прямоугольных

пластин н цилиндрически оболочек, в ток числе, икевгцих начальные технологические искривления, а также материал, которых подвергался естественному и лскусствейному старению.

Практическая ценность состоит в разработке модисицированно-го алгоритма и програглщ расчота на задачи о выпучивании и устойчивости тренированных стер::шей с учетом измененных упруго-Езастачесхгх свойств гатсраала а их слпязяя на распределена© зон разгрузи! и вторичных пластически:! деформаций.

Полнены оценки слияния гябкост:;, эксцентриситета, а тагха уровней упругопластической треилровкк на предельные нагрузки впацентрешга стер:шей.

1!редаз:::ен метод повышения несуще;! способности внецентренно с::.атых стергдей за счет применения слоистых злементов с разнотре-нпрованными слоя-'/л.

Разработка серия действующих моделей установок, на которых реализован процесс 'равляецого пластического деформирования для стер:::ной, шхастнн и ¿¿олочек с целью ¡.^вшенпя их устойчивости а несущей способности.

Достоверность результатов теоретических исследований подтверждается апробацией алгоритмов на модельных вариантах н частных задачах с известным аналитическим решенной, а таксе хорош.! соответствие.'.: результатов расчетов с дакнкг/л экспериментальных исследований.

Реализация результатов работы. Результаты исследований внедрены в расчетную практику конструкторско-технологпческого бюро. Экономический эуйект составил 37 тыс.руб. Разработанная методика упругопластической тренировки и проведения экспериментальных исследований тренированных стерглей пластин и оболочек так^е нашла свое отраженно в методических рекомендациях "Ме-.'ды испытания стернней пластин и оболочек на устойчивость за пределом упругости" Госстандарта СССР (Р.54-314-91).

Полуденные результаты могут быть использованы в проектной и расчетной практике конструкторских и научно-исследовательских организаций.

Апробация работы. Основные результаты диссертации долодвны и обсуздены на научно-технических конференциях Тверского политехнического института (1980-1991 гг.); МезвузоЕскпх семинарах по .механике деформируемого твердого тела кафедры сопротивления мате-

риалов, теории упругости и пластичности Тверского политехнического института (1980-1391 гг.); Всесоюзном симпозиуме по устойчивости в механике деформируемого твердого тела (Калинин, 1981); на III научно-практической конференции "Молодые ученые и специалисты - народному хозяйству Нечерноземья (Калинин, 1982 г.); на XI и Ш научно-технической конференциях "Проблемы обеспечения качества, надежности, прочности и долговечности машиностроительной продукции (Калинин, 1985, 1987 гг.); на Всесоюзном симпозиуме по устойчивости в механике деформируемого твердого тела (Калинин, 1986 г.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано- 10 печатных работ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа содержит введение, шесть глав, основные выводы, список литературы (195 наименований, в т.ч. 46 - иностранных) и приложения. Общий объем работы составляет 2/3 стр., в т.ч. /36 страниц машинописного текста, рисунков, таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дается общая характеристика, обосновывается.актуальность проблемы и формулируется цель работы.

Первая глава - посвящена анализу современного состояния теории и методов исследования устойчивости упругопластических стержней как изолированных, так и являющихся частью конструкции..

В обзоре рассмотрены классические подходы и их ограниченность в применении к упругопластическиы системам, особенностью работы которых является зависимость напряженно-деформированного состояния от истории нагрунепия. Сложные пути нагружения приводят к деформационной анизотропии пластических свойств материалов, оказывают влияние на жесткость системы и вызывают значительную неоднородность напряженного состояния.

• Значительный вклад в разработку и обоснование методов рас- • чета упругих и неупругих систем на устойчивость Енасли работы отечественных ученых В.В.Болотина, А.С.Вольмира, А.Б.Гекмерлин-га1, Э.К.Григолюка, А.И.Гузя, В.С.Гудрамовича, В.Г.Зубчанинова, А.А.Ильшина, В.Д.Клшникова, Ю.Н.Работнова, А.Р.Рконицына, Ф.С.Ясинского и др., а такие зарубежных исследователей - К.Е;се-ка, Т.Кармана, А.Щдагера, Ы.Сьюэлла, С.П.Тимошенко, Дг.Хатчип-

сона, Ll.Xopim, Р.Хилла, Ф.Ееши и др.

Концепция нсуцругоС устойчивости, огрекающая роль истории нагрулення предложена В.Г.Зубчалпковкм, по которой процесс квазистатического нагруаенпя упруго-пластичесго^ системы становится неустойчивы::, если сколь угодно малому его продолжения соответствует катастрофическое развитие перемещении к деформаций. Исследование устойчивости сводится к получении и анализу зависимостей .меры выпучивания от действующей нагрузки. Предполагает определение бифуркационных и предельных нагрузок, а такжо исследование закрптичесгого поведения и влияния возможных возмущений на кривые процесса выпучивания. Именно эта концепция была использована в настоящей работе.

В работах Г.-.Вельского, В.£.Гадапева, А.З.Гемкерлинга, В.г.Зубогича, В.Г.Зубчанипова, С.А.Лейтеса, Ю.Р.Лсппка, Я.Г.Па-нозко, В.В.Шшаджяна и др., а та:о::е в исследованиях ряда зарубежных авторов проанализированы методы решоняя задач устойчпво-сти, рассмотрено влияние упругой разгрузки, а таксе правомерность принятия модели нелинейно-упругого тела. Во дшогом решение otic: проблем носит дискуссионный характер и очень остро ставит вопрос о экспериментальных исследованиях, которых по-прежнему недостаточно.

Отдельный раздел обзора посвящен влиянию предварительного-нагруженля на устойчивость элементов конструкций. ¿та проблема является недостаточно изученной. Имеются ллль отдельные работы,.к которым можно отнести исследования В.Г.Зубчанипова, A.B.Андреева, В. Н. Бас туна, В.£.Гахтева, Гахрахкслоэа K.M., Исаева O.K.,-Клшпикова В.Д. и др., а также некоторых зарубежных авторов.

Идея упругопластпческой тренировки стержней с целью повышения их несущей способности была предложена В.Г Зубчаниновым в 1970 г. Однако до сих пор эти вопроси являются мало изученными. В частности, не изучено как теоретически так и экспериментально поведение сжато-изогнутых тренированных стершей. Изучение их поведения с учетом развития зон упругопластических деформации возмогло на основе уравнений процесса, когда нагрузки, передаваемые на стержень меняются непрерывно. При этом даже небольшие изменения енсоиой нагрузки могут привести к конечны/, изменениям положения границ зон упругопластпчэских деформаций. ¡Сак показывают исследования В.Г.Зубчанинова п В.Ф.Зубовича наиболее' удоб-

ним является подход, пр:: котором решается задача Коек с началь- • нымп условиями, ог.ределсочимл состояние системы в начальный момент процесса нагрузхения, что позволяет использовать хорошо разработанный математический аппарат. Описание процесса выпучивания сяато-нзогнутых стершей позволяет учесть реальпие свойства материала, а так;:;е появление и развитие зон упругоиластичес-ких деформаций с учетом разгрузки отдельных волокон и образованием областей вторичных пластических деформаций.

Кет данных о поведены: тренированных элементов в конструкции, на изучено влияние естественного старения на устойчивость тренированных элементов. Отмеченные проблемы в полной -мэре относятся к пластинам и оболочкам.

Глава вторая посвящена описанию метода управляемой пластической деформации для повышения несущей способности эломонтов конструкций, а тагле экспериментальному исследованию елияния естественного старения на устойчивость тренированных стермнек.

Изменение физико-механических характеристик материала конструктивных элементов в процессе их изготовления и при разнообразных технологических операциях монет иметь как свои поло:яитель-ные, так и отрицательные последствия для работы на заданные эксплуатационные нагрузки. Очень часто элементы конструкций испытывают кратковременные перегрузки до напряжений, достигающих или превышающих предел текучести, что монет иметь решающее значение на их несущую способность.

Зависимость мезду напряжениями и деформациями материала стержня существенно влияет на кривую критических напрякении еда-тих стержней, которая устанавливает взаимосвязь ме;хду критическими напряжениями и гибкость» (С),,-Я ). Для стормля, теряющего устойчивость за пределом упругости, они вперв/ю очередь зависят от характера диаграммы сжатия материала за пределом упругости. На рис. 1а показаны две наиболее характерные диаграммы - с явно выраженной площадкой текучести и без нее. В зависимости от этого форма кривой Ölcp-Я. будет разной (рис. 16). При этом первая устойчивая нагрузка бифуркации будет определяться для центрально сжатого стержня касательно-модульной нагрузкой. Пусть этому моменту соответствует точка А на рис. 2. Будем нагрулсать стср:?:ень таким образом, чтобы превзойти точку А не допустив бокового гч-пучигания/ а таюхе представив возможность материалу стер;:шя расширяться в поперечном направлении. Доведем пагруиешю в этом

случае до некоторой точки В и разгрузим стержень. При повторном нагружении такого тренированного стержня и'определении его новой нагрузки бифуркации необходимо учитывать изменение диаграмм <з"-£ в соответствии с которым происходит увеличение зоны упругих деформаций при сжатии и уменьшении при растяжении (эффект Баупшн-гера).

• В главе рассматриваются особенности работы тренированных стержней - центрально и внецентренно сжатых, с начальный! несовершенствами формы, включенных в конструкцию, слоистых и составных.

Приведены результаты экспериментального исследования влияния естественного старения на устойчивость тренированных степеней при сжатии, что обусловлено неустойчивостью наклепанного состояния металла, в котором возможно самопроизвольное снятие искажений структуры. Влияние старения на устойчивость стершей в основном определяется изменением диаграмм сжатия и зависит от рода материала, уровня предварительной пластической деформации, а также воздействия температурного фактора и времени, прошедшего с момента тренировки. Исследования проводились на протяжении трех лет.

На рис. 3 показано измене:з:е предела текучести для разных уровней предварительной пластической деформации сжатия (ст.З: 0,55?, 1,15?, 1,5%) в зависимости от Бремени выдержки при комнатной температуре. Предел текучести в среднем повышался па 23-26$ и был наибольшим для образцов с исходной остаточной деформацией 1,6р. На рпс. 4 приведены сравнительные испытания на устойчивость центрально сжатых стержней (гибкость Л = 41) непосредственно после упругопластической тренировки ( &р- 0,011), а также после естественного и искусственного старения. Температурный режим последнего был обусловлен термообработкой клея БФ-2, используемого для наклейки тензорезисторов. Здесь прямоугольниками обозначены результаты испытаний- нетренированных стержней на .устойчивость, которые были подвергнуты искусственному старению с последующей выдержкой в течение трех лет при комнатной температуре; кружками - результаты испытаний тренированных стержней, подвергнутых естественному старению; треугольники - результаты для тренированных стержней искусственно состаренных. '

Па рис. 5 прпводены кривые выпучивания с.чатих стермкей ( Я = 41) в координатах ус;хдно-сбл:1;;;ен;:о концов стертая. Кривая I соответствует испытанию нетренированных стержней; 2 - испытанию тренированных стороной непосредственно после пластического деформирования ( 6Р= 0,011); 3 - тех ;;-:е стершюй после искусственного сгареш;я. Из приведенных,результатов сложат, что естественное старение для Ст.З повышает несущую способность центрально сжатых тренированных стершей и это необходимо учитывать в экспериментальных псследовгшиях, а таклге при практическом использовании тренированных стершей в реальных конструкциях.

В третьей главе приведены основные КЕазистатпческие уравнения процесса выпучивания смато-изогнутых трепировашшх стер;;шей. Уравнения процесса имеют вид: " (

ба^Ц^+^зс+Г^+М^+^С^С/УЛ/ССоСгС!), (I)

гдо &0(£,х ) - деформация осп; V/ (I, I ) - прогиб, Ме(Ь ),

СЦП - реакции евлзой на концо стер:;;ня при ГС = О, ) ~

момент от поперечной нагрузки, t - обобщенное время

с„=(3)

- месткостные характеристики, вычисляемые для каждого сечения с учетом развития упругонластичсских зон, = ^¿/¿6 - касательный модуль.

Основным! неизвестными являются £0 , V/ , Р , , , которые связаны ме;;;ду собой через дополнительные соотношения, получаемые из уравнений статики.

В используемом алгоритме учтены особенности распределения зон упругопластических деформаций, а также предисторил их развития в рассматриваемом сечении.

Механические свойства материала стержня определялись диаграммой ¿-£, которая приведена на рис. 6. Здесь - деформация, соответствующая пределу упругости материала, 60 - напряженно сжатия до которого образец нагружается в установке для уп-ругопластичоской тренировки, Ьа - остаточная деформация в стерши после тренировки. Предполагалось, что для материала стержня при повторно-переменных нагруяениях справедлив принцип Мазпнга и свойства при растяжении и сяатшш одинаковы ( ¡6^ I ~ 163] )•

i 5

i t f £_______i F ь.------¿ i-1 1 1 ГОШ

Рис. 4

Ю

зо го

F, к*

L^^n^ 3

/ ^ZL ~ A, Mu

Рис. с

Рис. 6

Поело упруго-иластическои тренировки диаграмма имеет другой вид (рис. 66) и I ¿j°|> lö'sl•

Ремепио задачи проводилось методом конечных разностей. Используя коночпо-разностние представления для производных уравнения (;2) для внутренних точок мо;:сно привести к виду:

k Wi-W(t,X), п.

где Lj. - квазилинейные формы, содсрма^ие нелинейности в коэффициентах через параметры жесткости Спу ■

Дчл получения полной системы уравнений нообходглю добавить четыре соотполоиля, витока'-^ио из геометрических граничных условий; (:: некоторых случали заменяются уревлокляш стлтакл)» кроме огого ;гссб;год:~.:о ;~.;оть зависимости, ус?а:ивл:шаз:.;13 связь параметров с зременоп "t

ii/,' (tp), w(t,t)y*(t, i\ а.ял -(5)

где L^a - г_.:э»т смысл линейных али угловых поре:.;он(ен;1л по концам стермнл и зависят от условий закреплений.

Крпводч эти пять соотношений к дифференциальной форме с использованием тех mg дискретных преобразований получаем систему уравнений вида, которую момио продставить в матричной форме:

A-if =ß (s)

Mo, = F.

R = ("ß-) ß.= / я , i= '.2,3,-- •, П-1

А = ( Ann) - матрица тоэмфициентов квазилинейных йорм. Lv Ajj=fljj,}=Kj/(Aa:ja, l\jhi = F-s-KjJ(AX)2t

AjV2=j/V£, (7)

После задания начальных условий

öo(t0j=Qoo; M,(t0)~M00, F(t.)-F. (8)

переходим к задаче Kos«.

Решонио проводится по магам в сочетании с последовательными прпбла-.оггллми. На начальном этане полагаем t =F (гдер -параметр погрузки), а при cii/dF»p ( J3 - заранее задаваемый параметр) переходов к t - f . где i - величина прогиба сред-

него сечения стержня.

В четверток главе на основе результатов расчетов изучается поведение внецонтрешю сжатцх тренированных шарш;рно опертых стержней прямоугольного поперечного сечения. Использовано безразмерное представление: ? = Р = д= л / I, й = е- Ас /и/у. =6 /Я. Варьировались: материал - Л!,1г-6, Ст.З в состоянии поставки и пластически деформированных для первого материала до одного, для второго - до двух уровней напряжений тренировки; гибкость - Л = 43,3, 57,4, 83,С; эксцентриситет - т = о-Ю-4, о-Ю-2, 6-Ю-1, 1,5, 3. Свойства материалов во всех случаях задавались кусочно-линейной аппроксимацией зависимости (£). _ _

Кривые выпучивания стержне!! представлены в координатах Г-и/ и Р-й на рис. 7 и 8. Цифрами 1,2,3 обозначены кривые, отражающие результаты расчетов стержней, имеющих различные эксцентриситеты ( т, = 6-Ю-4, м2 = 6-Ю-2, Щ = о-Ю-1); цифрами с кружками - результаты расчета тренированных стержней - для Ст.З до двух уровней тренировки (¿гР1 = 255 1,31а, 8Р, - 15,2-1'СГ3; ¿тйа= 275 Ша, 8р2 - 27,1-10~3), для АМг-З до одного уровня (<ЬгЛ> ш 135 Ша; = 1,6-1(Г3).

На рис. 9 в координатах Р-Я представлены результаты, зависимости предельных нагрузок от гибкости стержня и величины эксцентриситета. Не заштрихованные кружки и соответствующая игл сплошная линия определяют результаты расчетов нетренированных стержней; полузаштрихованные кружки и штриховая линия - стержням, тренированным до первого уровня напряжений; заштрихованные кружки и штрих-пунктрирная линия - стержням,тренированным до второго уровня.

На рис. 10 приведены характерные картины развития зон упру-гопластических деформаций для нетренированных и тренированны:-: стержней (Л = 43,3; т = 1,5, т = 3, <|3 = ¿ТР / 6Г = 1,29) .при нагрузке соответствующей пределыюму значению. Обозначения зон на этом рисунке: I I - упругость, - пластичность от сжатия, Щ - пластичность от растяжения, ЦЦ - разгрузг.а из неупругой области.

Из анализа кривых выпучивания, дшки.п_;и развития зон упру-гопластических деформаций установлены следующие основные закономерности. Эффект увеличения предельных нагрузок, при одном уровне 'упругопластичоской тренировки уменьшается с увеличением екс-

Рис.. 10

центриситета и гибкости. Он бил наибольшим для стержней, имевших наименьший эксцентриситет ( т = 10~4). Градиент уменьшения нагрузки в закритпческой стадии работы для тренированных стержней бал насколько больше, чем у таких не нетренированных стержней. Последнее объясняется снижением жесткости, обусловленное более ранним развитием пластических доформаций от растяжения.

Нет необходимости учитывать эффекты упругой разгрузки и вторичных пластических деСормацдй дая трош1рованных стержней с эксцентрисистотамп при т. 5 0,6. В этом случае пластические деформации от растяжения наблюдались' лшь в закритической стадии работы. При увеличении уровня тренировки и эксцентриситета ( уп> О,В) необходимо учитывать возмо:хность более раннего возникновения пластических деформаций от растяжения, которое приводит к уменьшению жесткости стержня и сникогапо предельных нагрузок. Для стершей, изготовленных из Ст.З стшзшю предельных нагрузок для трешфованных стержней было больше, чем для таких же из А1МГ-0. Сто могло объяснить различием в диаграммах растяжения (сжатия) материалов, наличием у Ст.З площадки текучести.

В этой же главе приведены результаты расчета слоистых стержней, у которых, в зависимости от условий работы стержня, отдельные слои подвергаются предварительному пластическому деформированию растяжением или сжатием. На рис. II приведены кривые выпучивания двухслойных стержней прямоугольного поперечного сечения (рис. На -£т.З, Л = 43,3, М = 1,5; рис. Пб - АМг-8,

Л = 57,4,т = 3), у которых слои подвергнуты предварительному пластическому деформированию противоположного знака до одного уровня остаточных деформаций. Кривая I на этих рисунках отвечает выпучиванию стержней, имеющих те до размеры и тот же материал, что у двухслопп-гх стержней. Кривые 2-4 соответствуют выпучи-вашш двухслойных стержней, имеющих слои, тренированные до трех уровнен ( ¿ТР/6Т = 1,00; 1,17; 1,29).

Из рис. II видно, что применение таких стержней позволяет существенно увеличить пределы устойчивости и несущую способность .-зпецэлтГ'СШЮ сжатого стержня за счет расширения диапазона его упругой работы.

Пятая глава посвящена экспериментальному исследованию влияния предварительного пластического деформирования на устойчи-сос?ь стержне;;, р-лс'ютшжгп; изолированно и в конструкции. Приве-

Р:;с. 15 Рис. IG

депо описание установки для упругопластической тренировки стрг. ней (принципиальная схема приведена на рис. 12), а такте методики проведения экспериментов.

Кспытывались стержни прямоугольного поперечного сечения. Варьировались гибкость ( = 23,1, Л, = 28,9; Я3 = 43,3, Л„ = 57,0, = 69,3, Лв = 8о,6), а также величина эксцентриситета нагрузки (т,= 0, = 0,6, й-ц = 1,5, т„ = 3). Отражены результаты испытаний шарнирно опертых тренированных и нетренированных стерхней, изготовленных из материалов: Ст.З, АЫг-б, АМцТ.!., На рис. 13 приведены кривые выпучивания центрально, а на рис. 14 внецентренно сжатых стержней. На рис. 15 и 15 приведены зависимости ¿-Д. Здесь кривая I - отвечает гиперболе з;1лера; 2 - ка-сательно-модульпой нагрузке для центрально сжатого сторжня; 3-6 - кривые, построенные по результатам расчетов трошфован-ных стержней. На этом не рисунке нанесены экспериментальные точки. Незаштриховачные кружки отвечают испытаниям нетренпровшишх сторжней. Полузаштрихованные и заштрихованные кружкп отвечают испытания!,1 тренированных стержней (первые до уровня Д = =

= 1,08, вторые - = 1,17). Полученные экспериментальные кривые выпучивашя, а также значешш деформаций, отражающие данные тензомотрирования в отдельны:: точках стер:шя находятся в удовлетворительном соответствии с результатами численных исследований. В этой ;;се главе рассмотрена методика по сниконига степеш начальных несовершенств для изогнутых стержней с целью повышения их предела устойчивости. Она основана на выборо оптимальной истории деформирования, и которая представляет сочетание правки стрежня и метода упругопластической тришровки.

На рис. 17 приведены результаты испытаний таких стершей. Здесь кривые I и 2 те не, что и на рис. 15. Прамая 3 соответствует уровню максимальной нагрузки при тренировко стор::шя. На этом же рисунке нанесены экспериментальные точки: треугольники соответствуют предельным нагрузка».!, полученным при испытании шарнирно опертых центрально сжатых стержней без залетных начальных несовершенств, квадратики - стержням, подвергнутым тренировке, круши - стержням, имеющим величину остаточного прогиба (максимальная величина составляла Уа = / /А = 0,1), вызванный предварительным поперечным изгибом и подвергнутые правке, заштрихованными кружками показаны точки, соответствующие продольным нагрузкам для стержней, подвергнутых правке и упругопластической тренировке. Полученные результаты показывают, что мо

существенно повысить (в 2 раза) несущую способность сжатого стержня с несовершенствами.

Б ото!; же главе приведены результаты испытаний двухслойных внецентренло сжатых стержней, изготовленных из Ст.З. Тренированные растяжением и сжатием слон были жестко скреплены между собой с помощью "Эпоксидной шпатлевки". На рис. 18 приведены экспериментальные кривые выпучивания таких стержней ( Я = 57,4,и= 3). Кривая I - отвечает выпучившего стального стержня прямоугольного сечепия. Кршзые 2 и 3 - ввпучивашпо двухсло:Шых стержней, имеющих слои тренированные до ;цзух уровней ( А = отр/ ¿г = 1,08, 1,17), Полученные результаты подтвердили выводы (глава 4) о возможности существенного повьжюшш несущей способности внецентрен-но сжатых стержней.

В этой глагл также отражены экспериментальные исследования Т-образных рам, тлеющих тренированные стойки. Показано, что поведение их в конструкции во многом сходна с поведением внецонт-ренио сжатого сторжпя. ¡дТ>Т,окт увеличения продельных нагрузок был наибольшим (32л') в случао узловой передачи нагрузки. Для стержней с вшу злое ой передачей нагрузки наблюдалось его снижение, которое как а в случае изолированных внецентренно сжатых стержней было связано с развитом зон пластических деформаций от растяжения.

Шестая глава посвящена экспериментальным исследованиям влияшш уиругопластичесгой тренировки на устойчивость прямоугольных пластин и. цилиндрически: оболочек.

Реализован процесс упругопластической тренировки для указанных тонкостенных элементов. Приведено описание установок и методика проведения экспериментов.

Испытаны на продольную устойчивость тренированные пластины при шарнирном закреплении прот:июположно нагруженных краев. Два других края были свободными. Основные результаты испытаний .приведены на рис. 19. Здесь квадратиками обозначены критические напрякошш, полученные по результатам испытании на устойчивость. Кружками - нспь,тага1Я тренированных пластин. Сплошная линия -расчетная зависимость критических напряжений без учета разгрузки. Результаты экспериментов подтвердили возможность существенного увеличения предельных нагрузок.

кроме отого било пронодопо исследование влияния истории

предварительного двухосного пластического депортирования на устойчивость прямоугольных пластин. Испытания проводили по следу1>-щим программам:

1 - сжатие вдоль длинной стороны до потери устойчивости;

2 - предварительное сжатие (в специальной-установке) вдоль длин-

ной стороны (3 уровня), разгрузка к повторное сжатие (испытание на устойчивость) в том же направлспли (серии 2-4);

3 - предварительное.растяхение вдоль длинной стороны (I уровень),

разгрузка и последующее сжатие в том же направлении (серия 5)

4 - сжатие едоль длинной стороны (2 уровня), разгрузка, растяжение в поперечном направлении (3 уровня), разгрузка и повторное

сжатко в продольном направлении до потери устойчивости (серия 6-II); ;

5 - сжатие вдоль длинной стороны (2 уровня), разгрузка, сжатые

в поперечном налравлешш (4 уровня), разгрузка и повторное сжатие в продольном налравлешш до потери устойчивости (серии 12-19).

- На рис. 20 представлены результаты испыташш на устойчивость пластин серий 1-5. Сплошные линии - расчетная зависимость критических напряжеюп"; без учета разгрузки, штриховые линии -уровни предварительного нагружеш:я. Кружкамл с цифрами, соответствующие номерам серий обозначены осреднеиные результаты, разброс которых не превышал 14Г'. На рис. 21 представлены с .шовные результаты испытшшй пластин серий 6-Э, где - превышение уровня предварительного нагружеш:я над соответствующим пределом текучости 1.:атериала. Ка:сдая точка получена осреднением результатов испытаний серии из о пластин; штриховые линии, соединяющие экспериментальные точки, имеют условный характер.

Полученные результаты показывают, что предварительные де-соорг.кровачия пластин по программе 4 приводит к повышешго критических напряжений, а по программ о - их снижешю. Указанные эффекты необходимо учитывать при прсектировашш реальных конструкций так кск они могут существенно повлиять на несущую способность последних. Результаты испытаний тренированных оболочек (Ст.45) на устойчивость приведены на рис. 22. Варьировались толщина стенки цилиндрической оболочки .(3 размера) и уровни упруго-пластической тренировки (2 уровня). Кривые 1,2 - представляют значения нагрузки <у , полученные по «одогицярозгшюй • теории В.Г.Зубчанинова с учетом измзнешщх диаграмм материала за счет

it IB Л M 9 r 5)1

т ¡a—< Г ! Г— 250 >8

12 Л 2*0 J 2/ f 1---^

15 s* Г 2iO ZlO Д(ДНпд

Рис. 21

упругопластической тренировки. Зксперименталыше точки отмечены круккамп: не заштрихованные - нетренированные оболочки; полуза-штркхованные и заштрихованные - соответствуют предельны:.! нагрузкам для оболочек, подвергнутых предварительному нагругкению до двух уровней нагрузки ( 500 ¡«¡Па, <УтР.г= 53°

Результаты испытаний показали, что упругоиластическая тре-шровка и е это:.! случае приводит к повышению пределов устойчивости и мол;ет быть реализована на практике.

5SO

SOO

4SO

Аоо

Ю го 50 «О ÍO СО 1Q

Рис. 22

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Разработан кодифицированный алгоритм и составлена программа расчета на ЗШ задачи о выпучивании и устойчивости предварительно тренированных стерший при упругопластических деформациях.

2. Б геометрически и физически нелинейной постановке решена задача о выпучивании предварительно тренированных внецентренно сяатых шаржрно-опертых стермней прямоугольного поперечного сечения с учетом упругой разгрузки и вторичных пластических деформаций. Получены соответствующие расчетные кривые выпучивания.

<ЬМГ|А • о 2 г-

• i -/=-

• © G ТГ"— о

3. Разработана и созданы экспериментальные установки для реализации управляемого процесса пластического де£ормпроваш-1я (упругоиластпчоской тренировки) стержней, прямоугольных пластин и цилиндрических оболочек.

4. Осуществлены процессы упругопластпческой тренировки для стержней из Ст.З, ЛМг-З, AT.iii.-I и получены экспериментальные кривые выпучивания центрально и внецентренпо сжатых стержней. Глакси-. мальное увеличение предела устойчивости имело место у центрально сжатых стер::-;ней и достигало 25^". Аналогичные результаты получены для предварительно тренированных прямоугольных пластин и цилиндрических оболочек.

5. Предложен способ повыжошш пределов устойчивости внецентренко сжатых стержне!! при ¿ч > 1,5, заключающийся в применении слоистых или составных стержней, у которых отдельные слои подвергаются предварительному пластическому деформиропашпа растяжением или сжатнсм. й&ект увеличения предела устойчивости длД. двухслойного внецентрешю" сжатого стёржня~(йа =3 ,51 = 43,3), кмегоцуего слои, деформированные растяжением и сжатием до одинакового уровня напряжений тренировки, составляющих 1,18 от пределов текучести, достигал 15,г5.

6. Предложен способ повышения продолов устойчивости стержней с начальныгд несовершенствами, заключающийся в одновременной правке путем пластического' деформировашя и тренировке стержня. Экспернментрльно удалось получить почти полноо устранение начального прогиба и существенно повысить предел устойчивости (в два раза).

7. Проведены экспериментальные исследования предварительно тре-шроЕгллнх стержней в Т-образных рамах. ЭйТект увеличения пределов устойчивости при угловой передачи нагрузки был наибольшим и составлял 32^.

8. Обнаружено некоторое повышение (6-8/1) пределов устойчивости для предварительно тренированных стержней, материал которых был подвергнут естественному и искусственному старению.

Список опубликованных работ по теме диссертации

I. Воронцов А.П., Зубчзлишов В.Г. Влияние упруго-пластической тренировки сжатия стер;;шей на их несущую способность //Всес. симп. по устойчивости в мох де<Торм. тв. тела: Тезисы докл.-¿ал-пшн, 1281.- С. 60-81.

2. A.c. 932358 (СССР) Устройство для упруго-пластического деформирования длинномерных образцов при сжатии /А.П.Воронцов, В.Г.Зубчанинов, В.Н.Лотов.- ОпУбл. в Б.И. 30.05.82,

& го.

3. Воронцов А.П. Реализация одного способа повышения несущей способности сжатых стержней //Молодые ученые и специалисты -народному хозяйству Нечерноземья: Тезисы докл. Ш научно-практической конфер.- Калинин, 1982.- С. 57-58.

4. Воронцов А.П., Зубчанинов В.Г. Экспериментальное исследование влияния упруго-пластической тренировки сжатия стержней на их несущую способность //Устойчивость в мех. десоорм. тв. тела: Материалы Всес. симп.- Калинин: КГУ, 1982.- С. 19-25.

Б. Воронцов А.П,, Зубчанинов В.Г. Повышение несущей способности сжатых стер:шей путем снижения степени начальных несовер-шеств //Пластичность и устойчивость в мех. деформ. тв. тела.

- Калинин: КГУ, 1904.- С. 19-25.

6. Воронцов A.II. Исследование вляяшя предварительного пластического деформирования на несущую способность прямоугольных •пластин //Вопросы качества, наделаю с ти, прочности и долговечности машиностроительной продукции: Тез. докл. XI научно-тех-нич. конфер.- Калинин, 1985.- С. 72-73.

7. Воронцов А.П. Влияние старения материала на эффект повышения предела устойчивости //Вопросы качества, надежности, прочности и долговечности машиностроительной продукции: Тез. докл.

ХП научно-техн.конф.- Калинин, 1987.- С. 146-147.

8. Воронцов А.П. оксперименгалыше исследования влияния предварительного двухосного пластического деформирования на устойчивость прямоугольных пластин //Устойчивость в мэх.деформ.

тв.тела: Материалы П Всес. симп.- Калищш: КГУ, 1987. -С. 67-75.

9. Расчеты и испытания на прочность. Методы испытаний стержней, пластин и оболочек на устойчивость за пределом упругости:

Р. 54-314-91./Ъ.Г.Зубчанинов, А.П.Воронцов, В.К.Ведерников, В.В.Гараников, М.Ш.Ыошкович, Н.Л.Охлопков, А.П.Андреев, А.З.Акимов.- U.: ВНПИЗС Госстандарта СССР, 1991.- 78 с. 10. Субботин С.Л., Воронцов А.П. Прослеживпгае процесса выпучивания рамных конструкций за пределом упругости //Актуальные проблемы теории пластичности и устойчивости: 11ежвуз. науч. сб.

- Тверь: ТвеПИ, 1991.- С. 103-108.