Разработка метода определения релаксирующего усилия затяжки в нестационарно нагруженных болтовых соединениях тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.04 ВАК РФ

^ ^Йнисте^У^во науки, высшей школы и технической политики

~ 5 ДПР 1993 Российско® Федерации

Самарский государственный технический университет

На правах рукописи

ТОМЭ Валерий Федорович

УДК 539.376

РАЗРАБОТКА МЕТОДА ОПРЕДЕЛЕНИЯ РЕМКСИЕУЩЕГО УСИЛИЯ ЗАТЯЖКИ В НЕСТАЦИОНАРНО НАЮТЕНШХ БОЛТОВЫХ СОЕДИНЕНИЯ!

Специальность 01.02.04 - Механика деформируемого твердого тела

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Самара - 1993

Работа выполнена в Самарском государственном техническом университете и в Самарском филиале института машиноведения им. А.А.Благонравова РАН

Научный руководитель - доктор технических наук,

профессор Ю.А.Еремин

Официальные оппоненты - заслуженный деятель науки и техники РФ,

доктор технических наук, профессор С.И.Иванов

кандидат физико-математических наук, доцент А.С.Луканов

Ведущая организация - Самарское государственное научно-производственное предприятие "Труд"

Защита состоится "2-( " СО^рл^Я 1993 г. в ованнЬго со:

часов

на заседании специализированного совета Д 063.16.02 Самарского государственного технического университета по адресу: 443010, г. Самара, ул. Галактионовская, 141.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Самарского государственного технического университета.

Автореферат разослан уУ-^ЦЯ'й 1993 г.

Ученый секретарь специализированного совета /

д.т.н., профессор дЛС^у/ Клебанов Я.М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Среди большого количества проблем, свя-ных с надежностью и долговечностью деталей энергоагрегатов, отакшдх в условиях высокой температуры, особое место зани-т вопросы обеспечения прочности и плотности различных флан-кх соединений.

Релаксационная стойкость является важным критерием работо-собности нестационарно нагруженных болтовых соединений ыки роторов газотурбинных двигателей, маневренных паровых бин), определяющим как плотность стыков, так и долговечность ельных деталей. Из опыта эксплуатации авиационных газотурбин-двигателей СГТД) известны нередкие случаи раскрытия стыков ора под нагрузкой, что приводит к возникновению дополнитель-ударных усилий и снижению выносливости стяжных болтов. Уменьшение первоначальной затяжки обусловлено накоплением логических деформаций во всех деталях нестационарно нагру-ного соединения, включая вызванные ползучестью перемещения езьбе на участке свинчивания. Реологическая податливость ьбового соединения, которую обычно не учитывает (ее опреде-ие представляет наибольшую трудность для расчета), в ряде чаев оказывает решающее влияние на снижение сопротивления аксации.

Поэтому тема диссертации, посвященная разработке метода опре-ения релаксиругацего усилия затяжки, учитывающего деформиро-ие всех элементов нестационарно нагруженного болтового соеди-ия, является актуальной.

Цель диссертации. Разработка метода определения релаксации лий в затянутых болтовых соединениях, подверженных нестацио-ному температурно-силовому нагружению.

Научная новизна. На основе синтеза эксперимента и расчета и смотрения резьбового соединения как единого целого разра-ан метод определения релаксирунцего усилия затяжки болтовых динений, подверженных нестационарному температурно-силовому ружению. Разработана методика построения по результатам на-ных экспериментов реологических моделей, адекватно описы-щих податливость резьбовых соединений при нестационарном пературно-силовом нагружении. С использованием многоуровне-

вой схематизации разработана методика построения реологических моделей резьбовых соединений по результатам численного эксперимента.

Практическая ценность. Разработанный метод реализуется с помощью сравнительно простой вычислительной процедуры и обеспечивает достоверный прогноз релаксационной стойкости с учетом реальннх условий эксплуатации нестационарно нагруженных болтовых соединений. Получены определяющие соотношения, адекватно описывающие ползучесть материалов деталей и резьбовой пары реальных болтовых соединений ротора ГТД. Выполнено расчетно-зкснериментадьное исследование релаксационной стойкости стыков ротора ПД при нестационарном нагружении повторяющимися блоками нагрузок, соогветствувдих режимам цолетного цикла. Показано, что роль реологической податливости резьбовой пары в анализируемых случаях соизмерима со вкладом стеркня болта в процесс релаксации.

Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы внедрены в расчетную практику СГ НШ1 "Труд".

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на Всесоюзной научно-технической конференции "Надежность и долговечность машин и приборов" (Куйбышев, 1984 г.); Республиканской научно-технической конференции "Математические модели процессов и конструкций энергетических турбомашин в системах их автоматического проектирования" (Харьков, 1985 г.); П,ХП Всесоюзных конференциях по конструкционной прочности двигателей (Куйбышев, 1988, 1990 г.г.); У1 Национальном конгрес се по теоретической ч прикладной механике (Варна, 1989 г.);. П Всесоюзной научно-технической конференции "Гидроупругость и долговечность конструкций энергетического оборудования" (Каунас 1990 г,); УШ Всесоюзной школе " Расчет и управление надежностью больших механических систем" (Кабулегти, 1990 г.); П межреспубликанской научно-технической конференции "Совершенствование средств и методов расчета изделий машиностроения" (Волгоград, 1990 г.); УП Всесоюзном съезде по теоретической и прикладной механике (Москва, 1991 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 4 статьи, 9 тезисов докладов на Всесоюзных и международной научно-технических конференциях.

Объем -работы. Диссертация состоит из введения, четырех раз-элов, заключения и приложения. Содержит 175 страниц машино-гсного текста, включая 45 рисунков, 21 таблицу и библиографию ) 124 наименований.

Во введении обоснована актуальность рассматриваемой пробле-i и изложены цели работы.

Первый -раздел посвящен обзору литературы по ?нме диссертации постановке задач исследования, выполненного в лоответствии с шатическим планом НИР Самарского ордена Трудового Красного тмени политехнического института имени Е.В.Куйбышева на 1981385 и 1985-1990 г.г., научно-технической программой Минвуза !$СР "Надежность конструкций", общеакадемнческой программой 1овышение надежности систем "машина-человек-среда".

Анализ работ отечественных и зарубежных авторов, посвящен-¡х исследованию релаксации усилий в затянутых .Тданцевых соем ■ шшх, показал, что известные расчетные методы оценки релакса-гонной стойкости на базе простейших технических теорий ползу-гсти ограничены случаями постоянной или медленно изменяющейся »грузки и не дают достоверного прогноза при нестационарном гмпературно-силовом нагружении. Реологическая податливость гзьбового соединения, определение которой представляет нанявшую трудность и которая обычно не учитывается в расчете, в 1де случаев оказывает существенное влияние на снижение сощ.о юления релаксации.

В связи с этим была поставлена задача разработки метода феделения релаксирующего усилия затяжки, учитываидего дб*ср-фование вбех элементов нестационарно нагруженного болтового »единения. 3 основу метода положено построение реологической щели резьбового соединения, под которой понимаются определяю-ю соотношения, непосредственно связывавдие вызванное ползу-¡стью перемещение опорного торца гайки (характерное переценив) с растягивающей болт силой С[ (обобщенная нагрузка) и ¡мпературой 7"

Конкретизация оператора Д выполнена в соответствии с шоменологическим методом построения реологических моделей »нструкций (РМК) Ю.П.Самарина и Ю.А.Еремина, где для консгрук-

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

(I)

тивного элемента любого уровня сложности предложены соотношения, которые по структуре аналогичны уравнениям состояния, описывающим ползучесть материала при нестационарном неизотермическом на-гружешш. Основной вариант таких соотношений применительно к резьбовому соединению имеет вид

4г£<5«, ¿игУкЫйП-викЪ иоН-,

Л

(2)

где 8и , Sv , Sw - вязко-упругая, вязко-пластическая и вязка? составлящие 8р (соответственно), время £ для краткости опущенс

Второй таздел посвящен разработке расчетно-экспериментальногс метода определения релаксирующего усилия затяжки на основе построения реологической модели резьбового соединения по данным специально организованного натурного эксперимента. С этой целью разработана методика и проведены испытания на ползучесть резьбовых соединений MIO х 1,5 из жаропрочных сплавов ХН73МЕГЮ (БИ698) и 1Н68ШТКК (Ы1693). Конкретизация реологических параметров соотношений (2) выполнена по методике Ю.П.Самарина по серии кривых ползучести, построенных по результатам испытании при нескольких фиксированных уровнях Q и Т и имеющих участок возврата при полной разгрузке по Q (рис. I). Адекватность полученных соотношений подтверждена экспериментальной проверкой, при ступенчатых режимах изменения нагрузки и температуры. На рис.1,1 в качестве примера показаны результаты экспериментов (точки) для резьбового соединения из сплава ЭП693. Сплошные линии - расчет по уравнениям (2). Цифры на графиках обозначают режимы по схеме нагружения (рис. 1,а). Режим 5 соответствует полной разгрузке по Q .

Достоверная модель реологической податливости резьбовой пары позволила разработать эффективную методику расчета фланцевого соединения на основе одномерной стержневой схемы. Для остаточной затяжки Q получено выражение

6 / ° <( °оо . i У К * / 4 Г А

о ^б \ {о, и 'У / 1 к/ V

¿0 40 60 4- и 80

Рис. I. Кривые ползучести резьбового соединения М10 х 1,5 из сплава ЭП693

1—29

4Qo- -Jr~ [óp UhEpi(t)h] ,

6/o - начальное усилие с учетом нагрева, А/ - количество

где ^о - начальное усилие с учетом нагрева, элементов стягиваемого пакета, Д¿ . - упругая податливость и длина элемента (соответственно), индекс I относится к стержню болта.

Деформации ползучести элементов пакета и стержня болта находят с помощью уравнений, аналогичных по форме соотношениям (2) (с соответствующей заменой 8Р , на р и напряжение б ). Конкретизация реологических параметров выполнена по результатам испытаний исследуемых материалов ЭИ698 и ЭП693 на ползучесть при растяжении. Адекватность полученных уравнений состояния подтверждена экспериментальной проверкой при ступенчатом изменении напряжения и температуры. На рис. 2 в качестве примера показаны результаты, полученные для сплава Ш693.

: 4

0

1 (

1 1 1 [2

700 725 750

20 У) ВО

Рис. 2. Кривые ползучести сплава ЭП693

Достоверность предложенного метода проверена экспериментально | данным испытаний модельных болтовых соединении (рис. 3) из фопрочных сплавов ЭИ698 и ЗП6ЭЗ на релаксацию при ступенчатом менении нагрузки Р и температуры. На рис.4 в качестве примера вдставлены результаты, полученные для соединения из сплава

\шт У X 1 м 1

--- Г V- та Д л зе:

.Р

Рис. 3. Модельное болтовое соединение

Рис. 4. Кривые релаксации усилия затяжки модельного соединения (болт и обойма из сплава ЭП693)

Наибольшее рассогласование расчета (сплошные линии) и экстр! мента (точки) не превышало 7,5 % от величины начальной затяжки. Штриховыми линиями показан расчет, в котором не учитывалась ползучесть резьбовой пары. Доля податливости резьбового соединения в общем снижении монтажной затяжки за 80 ч нарабоо кг в анализируемых случаях (при отношении длины гладкой част: болта к диаметру {/с1 = 3,5) составила от 34 % до 89 % .

В третьем разделе дается методика расчета резьбовой пары на ползучесть и построение реологической модели по результатам численного эксперимента.

Феноменологический метод построения РЖ позволяет рассматривать любой элемент резьбовой пары, например, виток резьбы как единое целое и сформулировать соотношения, связывающие вызванные ползучестью перемещения (прогибы) середины бокс вой поверхности профиля в направлении оси х резьбы с обобщенной нагрузкой и температурой

б'Риыш,т)], «

где б - нагрузка на боковой грани, отнесенная к единице длины витка. При таком подходе становится возможным приманить к расчету резьбового соединения многоуровневую схематизацию -известный эффективный прием понижения размерности. Соотношения (4) формируются на более высоком уровне декомпозиции по результатам численного решения краевой задачи о ползучести витка резьбы и используются для определения прогибов § прг расчете податливости резьбового соединения на следующем,более низком уровне декомпозиции. При этом нет необходимости каждый раз решать соответствующую краевую задачу на отдельных участках длины свинчивания.

Конкретизация оператора А выполнена в форме, аналогичной уравнениям (2). Параметры реологической модели найдены по результатам специально организованного численного эксперимента. Расчет витка крепежных деталей из сплавов ЭИ698 и ЭП693 с шагом нарезки 1,5 мм выполнен методом конечных элементов. Программа определяющего численного эксперимента и методика обработки исходных кривых ползучести витка как целого аналогичны использованным при построении реологических моделей материало и резьбовых соединений по данным натурного эксперимента.

В расчете резьбового соединения использована схема И.А.Биргера с непрерывно идущими витками. Для определения осе

бой силы в поперечных сечениях болта на участке свинчивания выведено дифференциальное уравнение, интеграл которого имеет вид

-7(A«L(Z,Í)+AJ4(Z,¿)). <5)

Здесь 2 ^

Ф(z,t) - линейная комбинация характерных реологических перемещений элементов резьбовой пары , Аг >7 ~ постоянные коэффициенты, зависящие от геометрических параметров соединения и упругих констант материалов болта и гайки, И - высота гайки, Z - расстояние от свободного торца гайки:

Решение получено численно шагами по временным слоям методом начальных деформаций. Найденные на каждом шаге в сечении Z =И прогибы д'р витков болта и гайки и осевые зазоры б" за счет поперечного перемещения основания витков (радиальные деформации тела гайки и болта) определяют реологическую податливость резьбового соединения

. (о

Здесь индекс I относится к болту, индекс 2 - к гайке.

По результатам вычислений для резьбовых соединений MIO х 1,5 и MI4 х 1,5 из сплавов ЗИ698 и ЭД693 построены кривые ползучести резьбовой пары как целого, которые являются исходными для конкретизации параметров реологической модели (-2). При этом программа определявшего численного эксперимента и методика обработки исходных кривых аналогичны использованным в натурном эксперименте.

Адекватность полученных определяющих соотношений проверена экспериментально по данным натурных испытаний на ползучесть и релаксацию при ступенчатых режимах нагружения (рис. 1,4). При хорошем качественном соответствии расчета (штрихпунктирные линии) и эксперимента (точки) количественный прогноз хуже, чем с помощью модели, построенной экспериментально (сплошные-линии).

Такое рассогласование обусловлено не учтенными в расчете особенностями нагружения в зонах контакта витков и, по-видимому, третьей стадией ползучести в наиболее нагруженных витках резьбы.

В четвертом разделе показано применение разработанного метода для решения практически важных задач. Выполнено исследование релаксации усилия затяжки болтового соединения диска компрессора высокого давления ГЦ; (рис. 5) при нестационарном нагружении повторяющимися блоками нагрузок, соответствующих режимам полетного цикла. Программа полетного цикла представлена на рис. 6, нагрузки на режимах- - в табл. I.

Рис. 5. Болтовое соединение диска компрессора ГТД

РД

з

{

г

го "с

о

р=о

Ь

0,16 ч

1 ч

1ч

Рис. 6. Программа нагружения стыка в полетном цикле

Таблица I

Нагрузки, действующие в деталях стыка компрессора ГЩ

Номер ступени И. кН Режим т, °с Нагрузка, кН

А й

I 506 9,76 5,86

15 23,53 2 638 6,42 3,87

3 349 11,80 7,08

Сравнивались конструктивные варианты стыков с разными 1атериалами стяжных болтов. Податливость резьбового соединения НО х 1,5 определялась с помощью реологических соотношений (2), юстроенннх по данным натурного эксперимента. Результаты рас-сета показаны на рис. 7. Сплошные линии соответствует соедине-шю с болтом и гайкой из сплава ЗИ698, штрихпунктирные - кре-[ежным деталям из сплава ЭП693. Цифры на графиках обозначают >ежимы нагружения (рис. 6, табл. I). Нулевой режим соответ-:твует температуре монтажа соединения ( То = 20 °С). Остаточ-юе усилие на других режимах (рис. 7,6) получено с учетом из-¡енения затялки за счет нагрева.

В гладкой части болта и элементах стягиваемого пакета при жсплуатационных нагрузках и температурах деформации ползу-юсти отсутствует. Несмотря на это происходит заметное снижение затяжки - до 20 % от мошажного усилия С1М = 23,53 кН за 00 циклов наработки (стык с крепежными деталями из сплава С693). Сопротивление релаксации в анализируемых случаях полностью определяется реологическими деформационными свойствами «зьбовой пары. Релаксационная стойкость выше у стыка с болтом :з сплава ЗИ698, где максимальное снижение монтажной затяжки а 100 циклов не превышало 7:5 %.

Выполнено исследование релаксационной стойкости болтового оединения колеса турбины ГЩ в условиях нестационарного на-ружения по режимам полетного цикла. .Пля определения податли-юсти резьбовой пары М14 х 1,5 использована реологическая, мо-,елъ, построенная по данным численного эксперимента. Показано, что в анализируемых случаях ( I /6 =6,7) ползучесть езьбового соединения заметно снижает релаксационную стой-;ость, хотя это влияние меньше, чем в стыках с короткими стяж-ыми болтами, доля податливости резьбовой пары в общем умень-

01,

кН

21

18

15

23,5

кН 20,5

17,5

(

/4,5

к0 0

—__2_ 6

1 --

2

0 0,5 1,0 а 2,5

I * IV 0 л_

цц^—~ --- Г"----—.

2

5 20 40 ВО ц ь 100

О

Рис. 7. Графики изменения усилия затяжки стыка диска компрессора ГТД в первом полетном цикле (а) и по циклам (б)

шении монтажной затяжки за 100 циклов нагружения составила от II % до 34 %.

В заключении сформулированы основные результаты и выводы.

На базе синтеза эксперимента и расчета разработан метод определения релаксирукщего усилия затяжки нестационарно нагруженных болтовых соединений, основанный на построении реологической модели резьбового соединения, согласно которой податливость резьбовой пары как целого непосредственно связывается с нагрузкой и температурой.

При этом получены следующие результаты:

1. Разработана методика построения реологических моделей, описывающих податливость резьбовых соединений, подверженных нестационарному температурно-силовому нагружению. Параметры реологической модели конкретизируются по результатам специально организованных как натурных, так и численных экспериментов.

2. По результатам выполненных экспериментов построены реологические уравнения для описания нестационарной ползучести в не-из от ернических условиях жаропрочных сплавов ЭИ698 и ЭП693 и резьбовых соединений MIO х 1,5 из этих сплавов.

3. Выполнено расчетно-экспериментальное исследование релаксационной стойкости стыков ротора Г1Д в условиях нестационарного нагружения повторящимися блоками нагрузок, соответствующих режимам полетного цикла.

4. Показано, что реологическая податливость резьбовой пары является существенным фактором снижения релаксационной стойкости стыков с короткими стяжными болтами.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНО В СЛЕДУШИХ РАБОТАХ:

1. Томэ В.Ф. Применение теории управления к исследованию ползучести резьбовых соединений// Прочность и надежность конструкций: Межвуз. сб., науч. тр.-Куйбышев: Куйб. авиац. ин-т, 1981.- С. 160-164.

2. Томэ В.Ф. Исследование релаксации усилия затяжки болтовых соединений дисков газотурбинных двигателей// Прочность и аолговечность элементов конструкций: Сб. науч. тр.- Куйбышев: Куйб. авиац. ин-т, 1383.- С. I08-II3.

3. Томэ В.Ф. Исследование ползучести резьбы и релаксации напряжений в болтовых соединениях дисков газотурбинных двигателей// Теоретико-экспериментальный метод исследования ползу-

чести в конструкциях: Межвуз. сб. науч. тр.- Куйбышев: Куйб. авиац. ин-т, 1984.- С. 35-41.

4. Томэ В.Ф. Об одном подходе к исследованию ползучести и релаксации усилий в затянутых резьбовых соединениях// Надежность и неупругое деформирование конструкций: Сб. науч. тр.-Куйбышев: Куйб. политех, ин-т, 1990.- С. 68-77.

5. Еремйн Ю.А., Томэ В.Ф. Нестационарная ползучесть резьбового соединения"и релаксация напряжений в болтовых соединениях дисков газовых турбин// Математические модели процессов и конструкций энергетических турбомашин в системах их автоматического проектирования: Тез. докл. Респ. науч.-техн. конф. Ч.П. ' (II-13'сентября 1985 г.).- Харьков, 1985,- С. 68-69.

6. Еремин Ю.А., Томэ В.Ф. Релаксация напряжений в затянутых резьбовых соединениях при нестационарном нагружении// Тез.докл. Шестой национальный конгресс по теоретической и прикладной механике (25-30 сентября 1989 г.).- Варна (НРБ), 1989.- С. П.37.

7. Еремин Ю.А., Томэ В.Ф. Метод расчетно-экспериментального определения релаксирувдего усилия затяжки нестационарно нагруженных болтовых соединений роторов ТТЛ// Конструкционная прочность двигателей: Тез. докл. ХП Всесоюз. науч.-техн. конф. (12-14 июня 1990 г.).- Куйбышев, 1990.- С. 49-50.

8. Еремин Ю.А., Томэ В.Ф. Расчетно-экспериментальный метод исследования релаксации усилия затяжки нестационарно нагруженных болтовых соединений// Гидроупругость и долговечность энергетического оборудования: Тез. докл. П Всесоюз. науч.-техн. конф. (26-29 июня 1990 г.).- Каунас, 1990.- С. 102-103.

9. Еремин Ю.А., Томэ В.Ф. Метод расчетно-экспериментального исследования нестационарно нагруженных резьбовых соединений// Аннотация докл. УП Всесоюз. съезд по теоретической и прикладной -механике (15-21 августа 1991 г.).- Москва, 1991.- С. 147.