Закономерности и гипотезы накопления усталостных повреждений и оценка долговечности деталей машин тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.06 ВАК РФ

<> АКАДЕМИЯ НАУК БЕЛАРУСИ ^_ИНСТИТУТ НАДЕЖНОСТИ МАШИН

УДК 620.178.3 БОГДАНОВИЧ Александр Вальдемарович

ЗАКОНОМЕРНОСТИ И ГИПОТЕЗЫ НАКОПЛЕНИЯ УСТАЛОСТНЫХ ПОВРЕЖДЕНИЙ И ОЦЕНКА ДОЛГОВЕЧНОСТИ ДЕТАЛЕЙ МАШИН

01.02,06 — Динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Минск 1994

Работа выполнена в Белорусском государственном университете транспорта.

Научный руководитель: Доктор технических наук,

профессор Сосновский Л. А.

Научный консультант: Академик МИА,

кандидат технических наук Шуринов В. А.

Официальные оппоненты: Доктор технических наук,

профессор, лауреат Государственной премии Республики Беларусь Почтенный Е. К.

Кандидат технических наук, лауреат Государственной премии Республики Беларусь Горбацевич М. И.

Оппонирующая организация: ГСК.Б ПО «Го-мсельмаш».

Защита состоится «^Т*"» января 1995 г. в час. на заседании специализированного совета Д 006.27.01 в Институте надежности машин АНБ по адресу: 220072, Минск, ул. Скорины, 12.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИНДМАШ АНБ.

Автореферат разослан «*гР» декабря 1994 г.

Ученый секретарь специализированного совета,

кандидат технических наук,

старший научный сотрудник В. А. Андрияшин

(О Белорусский государственный университет транспорта

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ. Болынннешо легален машин и конструкций п эксплушачнп шитершется сложным режимам нафуження. Поэтому одна из важных задач и инженерной практике - достоверная оценка их додтвсчнос ш.

При расчет* ресурса деталей машин используют гипотезы суммирования усталостных повреждений (УП). В настоящее время существует несколько десятков такт пшотсч, практическое применение которых затруднено по ря|у нрични. Среди них: недостаточная экспериментальная обоснованность, сгсугсгвис рекомендации по области рационального использования, определению параметров и коэффициентов, неучтенное!!, влияния на процесс накопления УП комплекса конструктивных, технологических н эксплуатационных факторов.

Актуальной задачей ресурсною прогнозирования является разработка и совершено вопапне экспериментальных ii расчетных методов ускоренной оценки характеристик сопротивления усталосл! детапей машин.

Эксплуатация мпошх деталей к конструкций при наличии п них дюймов пша тренпш г^ебует разработки методов пропюзнропдши их живучее ш. Примени гельно к пластичным конструкционным материалам меюлы лннейиой механики разрушения неприменимы. Имеющиеся же подходы нелинейной механики в инженерных приложениях встречают ряд 1рудноскй принципиального характера. В этой связи стоит задача разработки и совершенствования методов определении характеристик циклической трспшпостойкости материалов, опенки живучести деталей и конструкций при упр'укчпасшчсском деформировании.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Разработка и обоснование моделей суммирования УП, методик раечезно-экспериментальной оценки ресурса деталей машип и конс1рукшш на стадии до появления магистральной трещины и на стадии ее развития в условиях уиругопластического деформировали с учетом комплекса определяющих факторов.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ. Применены методы теории серозтпостей и магматической статистики, корреляционно!« анализа, экспертных оценок, моделирования и подобия, тпотезм суммироваипя УП, статистическая теория усталостное разрушения (УР). НАУЧНАЯ НОВИЗНА:

- разработаны методика расчет но-эксперимсталнюго прогнозирования долговечности легален машин на основе использования нескольких шпотез суммирования усталостных повреждений; программа реализации данной методики па ЭВМ; способ ускоренных испытаний материалов на усталость и фрстшш-усталость (а.с. СССР 1762182); методика построения стохасшчсских связей между пределом выносливости н основными характеристиками механических свойств; миоговариангоые алгоритмы для

ускоренной расчсшо-эксисримснгалыюй оценки характеристик сопротивления усталости деталей мшиш;

- разработаны три модели суммирования повреждений, ьоюрыс учитывают влияние уровня действующих напряжений на сплюнь нелнпсйносш процесса поврежденное™, конструктивные и гехполошчсские особенноеш дс1атн, условия се исшлтаиия с учетом заданной вероятности цератрушешш, исходное структурное состояние детали, историю ее патружепня;

- ратработаш методика экспериментальной оценки комплекса параме трон циклической трещнностойкосш материалом при уттруюпласш ческом деформировании;

- предложен кршерий перехода материалов в хрупкое соеюянис;

- установлены святи между поперечной составляющей пластической деформации образца, с одной стороны и ишеетпыми параметрами трсщиностоикости (коэффициентами интенсивности напряжений и деформаций, раскрытием вершины трешниц, J-шпстралом, нрамишюй деформацией н радиусом пластической тоны у вершины треишны), с jpyioii стороны;

- разработаны мера локальною повреждения и модель для оценки живучести тел с трещинами при нерегулярном уирутшласшчееком деформировании; выполнена на основе 'лой модели расчешая оценка живучести рамы кормоуборочшко.комбайна.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ;

- построены номо1раымы для экспрессной оценки предела выносливости коисфукнцошшх сталей по известным значениям предельных напряжений при _ монотонном нагружешш; получены етохасшческне связи между пределом выносливости и основными характеристиками механических свойств- сталей 40 и 08ХШ112Т, в том числе для последней с учетом эксплуатационной наработки п условиях радиационной) облучения;

- установлены корреляционные святи, ношолякшше определи а, значении параметров упрочнения q и рачунрочнецпя m 1инотсзы суммиршшшя повреждений Л.А.Соспопскои) но свойствам Материала н параметрам натруження; предложено ц обосновано использование величины у = q/m в качестве параметра состояния материала при неретулярном шшшчесюм иатрулхнии;

экспериментально' получены характеристики циклической третшюсшйкосш штатных статей 20пс, 30, 45, 09i 1С, 20ГСФТЛ к 20ХГСАФЛ, которые могут быть использованы при расчетах живучести деталей и конструкций;

- экспериментально щучено влияние размеров компактных обратив на характеристики циклической трспшноснжкосщ сталей 30, 45 и 20ГСФТЛ.

РЕАЛИЗАЦИЯ РАБОТЫ. Ратработаиные 'методики и протраммпые средства внедрены в ГСКБ ПО Томсельмаш", в учебный протее КелГУТа, а

также использованы дня обоснования работоспособности деталей автосненного устройства во ВНИИЖТе.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные роулытны рабош докладывались на научно-технической конференции молодых ученых п специалистов БелИИЖТа "Повышение эффективности тралепиршых снстсм н технологических процессов" (Гомель, 1988 г.), XVI научно-технической конференции кафедр БелИИЖТа и ДорНТО Белорусской железной дороги "Пуш технической) перевооружения и модернизации железнодорожного транспорта" (Гомель, 1989 г.), Всесоюшои симпозиуме но механике разрушения "Трсшиносмйкость материалов н элементов конструкций" (Житомир, 1990 г.), ТТ Всесоюзной пзучпо-гсхннчсской конференции Тидроуиругостъ и долговечность энергетического оборудования" (Каунас, 1990 г.). Xj Международном коллоквиуме но механической усталости металлов (Киев, 1991 г.), JV Республиканской научно-технической конференции "Понышеине надежности и долтвечносш машин и сооружений" (Одесса, 1991 г.), VIII Международной конкуренции но механике рачр)111сния (Киев, 1993 г.). Международном симпозиуме по трибофатикс (Гомель, 1993 г.) н на Международной конференции "Колебания н волны в вколоти, технолотческнх процессах и днашостке" (Минск, 1993 г.).

ПУБЛИКАЦИИ. По теме диссертации опубликовано 19 работ.

ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертация ниюжсиа на 283 страницах машинописною текста, содержи г: введение, нягъ глав, выводы н приложения; шиночаег 80 рисунков. 43 таблицы и список' лшерагуры из 200 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В цервой тане обоснованы актуатытёп. работы, ее цель, сформулированы основные задачи исследования. Выполнен обзор и дай краткий анализ ряда наиболее известных шпотез суммирования УП. Предложена классификация гипотез но пяти основным признакам: мере УП,.' виду нагруження, характеру суммирования, стадийности nporiecca УП, виду напряженною состояния.

Во второй шанс оиисани четыре предлагаемых многовариантных алгориша ускоренной расчеттт-эксиериментальной оценки характеристик сопротивления усталости и долговечности деталей и элементов конструкций.-Алгоритмы предусматривают альтернативный выбор метода определения той или иной характеристики сопротивления усталости. Так, алгоритм ускоренной статистической оценки характеристик сопротивления устатости предполагает, в частности, функцию распределения ГШ получать путем сокращенных статистических испытаний на усталость или в» основе стохастических корреляционных святей между ПВ И другими

харакк-риешкамн механически* cvoiício кшериала. PatpaC>oiamibiü способ сокращенных иепшашш на усчалосп. (а.с. 1762182) предусматривает одноиременнос нспьианис на вибросчепде нескольких обра mon рашои длины при консольном плоском ниное в роошшепом режиме; рсалтусмыс при лоы амн.ипуям напряжений нропоршюначмш длинам обра шов.

Дчя получения сгохаешчсских корреляционных croncií между ПВ и харак|ерпси1ками механических ci>oîiem выборочные шачсиия 11В и харамсрпстикн механических enoiiem елсдуо раскола! ап> в парнакионные ряды н попарно сопосгавляп- элемешы имучеппых рядов с одинаковыми норядкоиыми номерами. Сюхаешческис лакисим ocih между ИВ и харамериешкамн: пределам» нрчмноеш и u-кучссгн. ударно» «ятеосп.го, опюетсльпмми удлинением н сужением после patpuua. - nocipocHM для ciîlïii 40. Подобною мша «шкпмоан между ПВ п iiicp.tocii.io но Брннсллю и lid Внкксреу liocipociiu для слали (ЖХ1Ш12Т, в юм числе и с учетом ихенпапшниинпи нарабожн п условиях ртцпапшишою облучения. На основе последних iiocipoeiia номо1ра»ша для иригиошон оценки ПВ с чадаппон пероя мшсп.ю и lamiemioeiii oí племени мкшлуапшнн сти 08Х1Ш12Т.

О ipeUA'iî шве iiuiiíwUiCü срапшиелыши апалиi ряда твесшых инннсл MI no oiiMiiu.iM данным. iUHiMM и i лшерагуры. Ан.инп проведен с помощью paipafioiaiiiioii HpoipaMMî.i па "ЭВМ, В котрольпую выборку вопит •jKiпгрннстадьпые роулмаш рашмх ашороп. ¡публикованные ча последние ■У) ле1. ОГи.см выборки cociaiiiii 155 оньгтп ( иол опытм понимается иснммннс ccpmi of>p:niíoi) и иденшлпт условиях нерегулярною иацпжения). При 'лом мак-риалы и условия исньнаиии был» раушчиммп, псиолмопаин обращы ü демеш panuiii конструкции и lexiio.ioimi ti кою» ¡синя. На рис. f иршч'Дсны ианбоис нннгтыс бдокп iipoipaMMimio üoí р> ження. реаппованнме при нспьпаниях. - они имели ратую пррдолжнклыюеи.. как и входящие в них ciyiienn. В качесте примера в íafutmc дана оценка отосшелмюк нтрспнюсш umoiei: А.Пддьм1рс1|а -M.Maiiuvpa (Л). C.B.Cepeiieeiia - В.П.Кмглила (Б). X.Kopieii» - ТДоллна (В), IГВ.Олешшка - гШ.Иачомовой (Г* и упрошенной модели E.K.llo4ie¡moio (Д) по пчni онышч Э.Я.Фндатиа и др. (Т) - плоские сварные обращы m eiitni 041?. при спммс|рнчпом и «ii5e. чеп.фсхсгупепчашп программный О.цд.: ñ.Ü.Кунаева и А.Д.Гloipi(>h.imi <[]> - иадкие круглые обрашы и» спина '->JU)í 7 при консольном нннСе с грашенисм. icMiicpaiype 800 "С i; ■laclóle í'.l Гп. iw шс o HCM'ia i ни блек; В.Э.Наилокскою <Щ) - кр\ымс обраты ni сими 45 с ра_чп\ашм коппешраюром при ашморичппч ы»К1>.'11>11пм винбе с процент и. есч».:1\1К11ч;пм»1 блок; Л.В.Коиопалова п Mji Biiiioipa.ioiHiii (ÍVl • t.jv.nnc cGpaiüM «модеni надо» с дп>м.ч тиотпиыми iuiüimmI н < i.i.iih Í5 при еимч.ен'очмпм кр\чсшш. i¡>elei) 1,чнчшми Д Л.Гч 1>Г»смд i\"> - i i¡umu Kpji.-iM, обрл'цм in ciívih

20N при iniiilie п о.июи нд-.чкч т. чаеича '^d fu. ipc\eivii' iri.iii.iii бюк.

1ГЧ r-J71 IJ-u, ^

XI 6 S рГ О 1 б\Л ? гГ1^ ?

иЧл 16

AniWKI [Ц к. п^ги.^

РисЛ. Типы блока программного напряжения

F(X)

0,95 0,9

0,0

0,7

0,Ь

0,3

0,2

IM 0,0b

0,01

0,1 0,2 0,3 0,5 I

2 3 5 ?

Рис.2. Функции распределения величины для

экспертного метода (I) и гипотез: С.В.Серенсена-В.П.Ногаева (2), В.М.Гребеника-В.К.Цапко (3), Н.В.Олейника-Н.И.Иахомовой 14), Х.Кортена-Т.Дола-на (5), Е.К.йочтенного (6), А.Пальыгрвна-Й.Майцара (7), ЛД.Сосновского (8)

Как uiwiui in tdfUuuu, и оншс Г наиболее ючиий иронии дае1 iiuiuieia Л, а потрслшосш но nnjoieiaM Б-Д досгаючни велики; в oiiuie Д наиболее _»ф(|к-кjiijiuii расчег по модели Ii; « от,не Д1 гочш.ш проинн даег модель Ii, а и uiiuiax ]_V, V - eounieicnieinro inuoie im Г и Д.

Графически сравнительный анализ гипотез но данным ьссй контрольной ныборкн предо аилен на рис.2, где • па ло1 нормальной вероятностной бумаге приведены функции распределения величины X=Np/N3 Оде Np - расчетное н Nj - опытное знамения долговечноеш). Он спиде icjibcnsyc 1 о существенном рассеянии величины X: в диапазоне вероятностен oi 0,01 до 0,99 ее значении различаются и =20...30 раз для каждой гипотезы.

Таблица

Гипотеза Погрешность A=i(N3-Np)/Njll00'.:<,'i дни опытных данных

I II Ш IV V

А 7,5 -50,1 13,1 -18,7 7,5

i; -12,9 15,7 59,9 34,1 26,2

в -38,4 68,9 1,5 -81,1 40,1

г 21,4 -33,0 26,1 4,8 21,4

. д -55,3 -56,4 -53,0 -32,6 -0,8

Экспортный -4,4 -12,2 ' 9,5 -17,2 18,8

метод

1$ такой ситуации трудно дай рекомендации о ¡ом, какую гипотезу использовать и каждом конкретном случае. Полону предлагается подход, согласно которому для расчетно-экспергшетпальнои оценки долговечности N2; обьскта принимают несколько известных и апробированных гипотез накопления >11 и ведут расчет но каждой из них. При этом предполагается, что автор гипотезы выступает н роли эксперта, т. с. даег отделигьш "результат испытании"; причем все условия и ограничения, накладываемые автором на гипотезу, выполняются. Получении; таким путем данные рассмаг-ртшаются как случайная выборка н для се обработки применяется статистический метод экспертных оценок. В результате получают функцию распределения долговечности Ы^р.

В последней строке таблицы даны погрешносш средних значении Му долговечности,'вычисленных описанным методом но шли опытам, а па рис.2 дана функция распределения 1, полученная эксперт!чш методом по всем опытам контрольной выборки. Приведенные результаты свидетельствуют о том, что'предложенная методика оказалась эффективнее любой из рассмотренных гипотез суммирования УП.

Выполнены: расче тно-эксисричстанная опенка ресурса сложной cnapiioií конструкции - ccpiiiiitoii опоры ножа иччеп.чаюпкю аппарата кормоуборочнон) кочбаина КС'К-100 п npoiiioi лолювечностп ногою Koncip) Kl uníiui о варпаша лот нтделпя на основе предложенною эксперпгаю метода. Кчулыагы расчета были подтверждены данными nciii.ilaimii п эксплуатации.

IIa основе пптефялг.нон меры повреждения [I - (I - n/N)1"]'1 рпчработапы три модели суммирования VII. учитывающие характер накопления MI па каждой ciyiieiin блока нафуженпя, конструктивные и технологические особенности лета™, класс материала н ею исходное структурное состояние'.

Для ре.гппаппп метола экспертных опенок ISV требуется определять параметры п коэффициенты ninoiei накопления УП, характернешкн сопротивления усьгтоаи мгиериаюв. При решении этих чадач рскоменлусгся испо п.шпаы. р.црлботанпые способ ускоренных испытании, ночофлчмм для oiiciimi III) конструкционных cTaicii по известным шлченням нредеп.ных нанрч moni при монотонном иатруженин и сгохастческне спят между 11В п основными характеристиками механических cnoiic in, описанные n i.iaoe 2, а для опенки сопротивления устал ост детхтеп - paipnóoiainiue в том ле i.iane мпоювариантные атюрнтмы.

Па ххнове контрольно!! ш.торкн ы.тодпена опенка параметров упрочнения (q) и paiMipo'HieiHu (ni) innciciM Л.Л.Сосиопского:

s

>Z 11 - (I - iy,/N,)"T' = 1- 0)

i=!

где А - число б.юкон плфуд.ення до yciaiocnioio рачрушенпя (УР); i = I...S - nop'iTKoBi.iii номер ступени и Споке пафуження; i)l(-, - число циклов денсгпич Ьтон ачпштулы напряжении в блоке иафуження; N¡ - число циклов до У!1 при этом уровне напряжении. Покачано, 4tq величина у = q'm является параметром состояния материата при iiepeiy.'HpiiOM циклическом ширужепин. Усчаиотсны корреляционные спят между параметром у п оспопнымп .характеристиками механических свойств маюриата и нэгруженноамо исследуемою обьекта. На рис.2 представлена функция распределения пешчшш X для модели (I), полученная с учетом лих свяки по данным копфотмюн выборки, - она иллюстрирует удовлетворительную точность прошота.

D четвертой... гтдпе рафаботаиа методика экспериментального определения комплекса силовых, деформационных н энергетических

ь

характеристик циклической трещиностойкости материалов при упругопластическом деформировании на основе подхода Л.Л.Сосновского.

Согласно этому подходу, вязкость разрушения пластичных материалов определяется с помощью предельной величины поперечной составляющей пластической деформации (утяжки) <рс или радиуса пластической зоны гс у вершины трещины. Методика предусматривает при стандартных испытаниях на трещиностонкость производить измерение утяжки <р образца (рис.3,а) и затем строить диаграмму циклического упрутопластического разрушения образца с трещиной (диаграмму ЦУПРОТ).

Рис.3. Схемы: а - шмерешы узякхи и компактном обрате.

С - диаграммы ЦУПРОТ В этой дтгафамме по оси абсцисс откладывают абсолютные (ф) или стноситсльные (\(/=фЛв) значения утяжки, а по осп ордннат - значения коэффициента интенсивности напряжении (КИП) К^, или раскрытия в вершине трещины (РВТ) 8, или З-интеграта, или коэффициента интенсивности деформаций (КИД) К[с. При эгом значения КИН при плоском напряженном состоянии вычисляются с учетом поправки на пластичность:

К,1 =-- íi/T-VdVI ,,),

(2)

где а - номинальное напряжение; Y(l|/l-„) - поправочная функция, вычисляемая с учетом действительной птошатн l'| еечеиня образца, занятого треншнон длиной I; I*',, - поминальная площадь опасного сечения образца, величина f:|/l;„ являемся мерой поврежденное i и образца, а функции V учитывает не только leOMCipiHO образца и схему его ндфужепня, по и (iiiiieipxibHOl нелпчипу пластической леформанпи в опасном сечении.

Предлагается с трон 11. ни ытда лшнраммм НУПГОГ. D.niai рлмма OCS (рис.3,6) строится » предположении, что патружа в процессе испытаний оектстся постоянной до полною разделение обраша па две части (это иошожно, если испытательная машина достаточно жеелкая ши скоросы. нафуження высокая). О-даатрамма (Х'|?ч стришся с учеюм падения патрули в холе долома образна (мида машина имее! относительно малую жесткость или скорость натру л.енпя низкая) Характерными гонками этих диаграмм являюкя: А - начало циклическою долома (ей сор1ветствуег параметр K.ff); li - начато статического долома (параметр КС1); С, С| -

момент досшженшт ji«:t,i.oii предельном величины <pL (параметры К| и . , характеризующие пикническую вя¡кость разрушения Maiepiuia); S, S| - момент разделения образца па части (параметры К К .' = 0) при максимальном ушнренип <[\v

Для аналитического описании кривой ()В(' 0-дна1рамии предложено два ьыражения:

K,' =Klv[(4' ■ " О)

К,г = К^м//'!',)1"-, (-4)

где К,, <|/|, Ш|, iii2 ' нарамефы, определяемые экспериментально. Ипю.кеиа меюднка определения значений этих параметров. Установлены зависимости между утяжкой <р и параметрами фещиностойкости: радиусом т пластической зоны, продольной деформацией Ah, РВТ б, J-ннгетралом, KHIÍ К| к КПД К[,.

Па основе разработанной методики проведены широкие экспериментальные исследования циклической трещиностонкости рада углеродистых (20нс,30,45) и легированных (20ГСФТЛ, 20ХГСАФЛ, 09Г2С)

пластичных сталей, в результате которых получен комплекс характеристик трещиностоихости и сопротивления устатости исследованных сталей. Установлено влияние размеров компактных образцов и дефектности (для стали 20ГСФТЛ) на параметры сопротивления усталости н трещнностойкости. На рис.4 представлены D- и (^-диаграммы ЦУПРОТ для образцов толщиной 20 и 40 мм из стали 30. Как видно из рис.4, параметры КГср, К^.* являются константами материала, в то время как другие параметры трещнностойкости зависят от толщины („ образца. Если выполнить преобразования координат О-диаграммы: К^ в К^К^/К^ при Кг/ иКв= 1 + (К,р - Кг/)/К/ при К]р > Кг/, а также (р в ф=<р/фс (или ф/<ря), то можно построить обобщенную О-диаграмму ЦУПРОТ для образцов любого типоразмера из данного материала (рнс.5). Предложены преобразования подобия и построены обобщенные О-Днаграммы ЦУПРОТ для исследованных сталей. Обобщенные и Р-диаграммы могут быть использованы для построения соответствующих индивидуальных диаграмм ЦУПРОТ образца любого типоразмера.

Показано, что на основе зависимостей предельных значений утяжки фс и ушнрения <р8 от номинальной толщины образца можно прогнозировать переход материала в хрупкое состояние при заданной температуре. Так, для компактных образцов из стали 30 критическая толщина соответствующая этому переходу при комнатной температуре, составляет »75...90 мм, а для стаин 45 =50...65 мм (рис.б).

Установлено, что влияние дефектов литья в образцах из стали 20ГСФТЛ сравнимо с влиянием острых поверхностных концентраторов напряжений. Крупные дефекты настолько ослабляют металл, что образцы разрушаются в тех сечениях, где уровень номинальных напряжений на 6...9% меньше, чем в его опасном сечении.

Для пластичных материалов предложена мера локального повреждения, исходя из концепции об опасном обгеме деформируемою твердого тела. В качестве опасного на стадии роста трепданы принимается объем материала, локально пластически деформированный перед фронтом трещины. 'Гида мера повреждения

со = аюс = (г1 + 0.5яг2)/(гс1с + 0.5ягс2), (5)

где П, г, 1 - текущие значения опасного объема, радиуса пластической зоны и длины трещины; Пс, гс, 1с - их критические значения. Живучесть тела с трещиной, определяется по выражению

Рис. 4. Экспериментальные 1>-и 0 - диаграммы 11УПРОТ для компактных образцов толщиной 20 мм (I) и 40 мм (2) из стали 30

Рис.5. Обобщенная ]) -диаграмма Ц/11Р0Т для компактных образцов толщиной 10 (1), 20 (2) к 40 (3) ми из стали 45

0,8 <Ь Шс

Рис.6. Масштабные зависимости предельных значений величины у для компактных образцов из стали 30 11) и 45 (2)

Рис.7. Зависимость ресурса рамы УЭС £04 "Г1олесье-2Б0" от длины начальной 3 трещины в опасном сечении левого лонкерона

30 40 50 А

■01 ш

N* = П - (0„)п,кН/[С|.лКП1к(п1к +1)], (0)

где С,, 1ПК - константы; (0о - Мера начального локальною УИ; лК = К| -К,(, - разность текущего К| и порогового Кц, КИП. В качестве меры №„ предлагается использовать относительную длину трещины тр^Д., относительную площадь сечения, занятою трешннон Юр = 1:|Л'С, или относительный опасный объем соп = П/Пс.

При блочном натружешш с i=l...s ступенями живучесть летали или конструкини можно оценить по формуле: s

N* - Nc/ICVnV+DSUKj^ nic/d-w,,;)"1»!]]. (7)

i=l

В uaiwi_1лдв< на оспопс имеющихся данных об эксплуатационной

нафужешшеш несущей системы самоходкою кормоуборочнот комбайна УЭС "Полсс|.с-250" выполнен но pa ipaOoianimii метлике проптл се живучести.

Предвари |елмн> были нешпаны па циклическую лрсищностонкостъ обрашы то.лпншон 0 мм ill пали ПУГ2С. пыроанпые из наиболее на1ружспн(чо элсмеша рамы УЭС - лсшно лонжерона, н получены все характернаики сонроппшепня разлшнш трещины. На основе выражения (7) выполнена расчетная опенка живучести лонжерона в зависимости от длины начально?! усталостной трещины (рис.7) с учетом ею эксплуатационной нафуженписгн. Поскольку срок службы УЭС "Полесье" составляет =12 лет, согласно рис.7 допустимый рашер начальной [ретины для этой машины не должен превышай. »2 мм.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Разр?богана методика расчстно-экспсрименгалпоп) прошолировання долговечноеm легален и конструктивных элементов на основе использования нескольких пшотез суммирования устадоешых повреждений, результаты расчет ни которым рассмагршшокя как случайная выборка для сташсшческою метода эксперты* оценок. Выполненная с помощью разработанной про1раммы на ЭВМ апробация методики на большом числе опытных данных - литературных и оригинальных - показала ее лффекшвность. Так, нрошоз долювечиостн сложной сварной конструкции -опоры ножа измельчающего aninpaia комбайна КСК-100 - сощасуется с данными испытаний ii эксплуаlanmi.

2. Значения характеристик сопротивления усталости материалов, необходимые для реализации указанной методики, рекомендовано определять с помощью разраГхнанных:

¡и шчсчПа ускоренных nein 11 апий материалов na усмчосн, ii фрсгпнп-yeia iikm. при пибршшружепнп (a.e. ССС'Г No 17C>21S2>;

6) ncimiikii посфоепия сюхасшческш cimieii исл.ду пределом '»Hiim'iimiicni и основными харлк lepiieшками механических cimiicm. Такие см «и получены дли чален 40 н U8XI8HI2T.*b i ом чнслс яч* последней с учетм .жсцлуачапноннои нарабщкн в условиях раднашюшкчо облучения:

ni номо|рачм для опенки предела huhociihiocih ни ншестым шачепнчм прс/лльнмх напряжении при монотипом iiatpy-Acitim примени teauto к Koiicipy мпюппым с пияч.

3. Прсдтлсн нарамечр у = ц/т п качеепч1 харамерткн еоетяппя маирши.ч при нерепчярном циклическом н.нруленнп. При том yeiuiionieiH.i Kuppeляцтчпплс cm ш, но толятшпе определи н> шачеиич пар.чче ipori упрочнения i| и paiynpo4neiiii:i m niiiuiciu суммирования усните iMi.i\ попрежденнн Л.Л.Сиспоисмпо ¡ц> мсхлнчч.кнм «люнетам Maiepii.cin и iiaipy;Kciiiiociii.

4. Па основе оСнЛщення иичхшмх 1) ликрагуре н предложенных п лапкой paGoiv yiKiipeiiiHiix меюдоп испытании paipafioiaijm 4 мшчтшрчаппшк ачнциич.! для UKciipciciioii panic ню-жепернмен i а. н.ной оценки v.ipaKiei Iii. 1чк i i'iipuiiiiiчення уенпосш детей машин.

l'a ipaOouiibi ipil моде ni суммирования повреждений. (una in кошрмх ччн ii.iiiaci влияние уровня .'K'iielHyioHUix нанриaciiihí lia cieiieiib m iiihchiiociii процесса нипрс адспнчсш. шорая - копсфукпп'.пме II плпо ичичсекне оюбентклн некий. уеюния се нснынишя с учешм ММШИЧ1 ¡кронное m iicpaipyiiiciim, 1рсп.я исходное cipyKiypiioc iik тиши Ленин, нсюрню ее иа|ружепня.

(> I'aip.iooijim мепинка лаперимспидыпш iikhkii силовых. деформационных H JilepivnriccKiix ппрамс i рои циклической ipciiiimi'.cioiiMKill MaiepiuiioB при унруюнллетчсском деформировании, основанная на lUMcpeiiHH локальной пласшчсскои деформации у вершины ipviiiuuM и nocí роении aiiaipaM.Mii циклическою упруишлаетческою paipyiiieiiim. Получены с номощмо данной метлики харак lepiieiiiKii i рентное юйкосга пластичных cnueíi; 20не. 30. 45. (WI"2C. 20ГСФТЛ. Л).ЧГ(\\ФЛ. кшорые -мот fir,ni, неночыонанм мри рлечеых жнвучссш .клаки ii KoncipyKilHii.

7. "ÍKciiepiiMcii ильин щучено мияппс р.имероп компактах обратив на xapaKiepiieiiiMi циклической ipeiiiinioc loiikoc m eiaicii .HI 45 и 20ГХ.'ФТЛ. На основе предложенных прсобра шнаиин подобия посфоспы обобщенные Д1кнр,|.ммм циклически) унруюп.иоическою рлрупи пи:; обра шов in eiaicii 30 и 45. Покаипо. чю с их помощью можно построим. ипдниидуа'шпде ди.цраммы iüí.v. 1',1'ieeKii> ynpyioin.vnnecKoio р.нрупышч »бра¡нов любою пнюра мера.

Нснсримстально но.лучены масинабние мвисичш. ш предельных ныченнй yi.-ia.Kii и уширення кчмпамною обр.иил чн cian.ii 30 и 45. IIa

OCIIOliC Jlll\ lailllL IIMui II II IIUIIIUIICII |||)|>|||1Н h pli II14L CK l'Il II' 11 ! ni M M KllMllllhlIIOlU uÓp.llll.l. COOIHC 1С HIJIOMICII IU|K \Oiy )K.I UIIIIUV. I I.LICII II XpVHkiH

cocioiiiiiie ( -7.S...4S мм j i im с i íl ut 30 и '-Ml. (>"> мм .nil cum 45),

X. Ус ыноидсны ». 114 ill мс.-му hoik реЧИОН ClICialLHHOIIICII IM.U. IH'lLukull деформации ofipa ны. с пикш строим, и п шссшми харак upiu hik.imii

ipClllllllOCIliilKiiCIH (KU >|к|»Ш1|сН| jMII IIIIICIICIIIIllOCIII II.UI|M( 4IIIII II jlCl|ll>pMIHIIHI. p.KKpUIHCM HcpilHlilbl ipuilllllll, J-IIIIICip.LIUM. |l,llli)'.(iM нлпсшчсскои ion 11 и про lo.iuiuii деформ.шнен ), с .ipjioii строим. Прел io.í.l nu мерм ink,I iMioio повреждения и Moic.ii, для опенки /t. и in чес i н Ic.u с ipeiiiiiiiiiii при нериу шрном >ii[)>ioii i.il.tickeкчм дефорчирон.пши. Выношена расчета» оценка ¿ипучесш рамы У')С "I loiiccbc-2M)" im imioiic пред lo.t.eiiiKiii мстдккн

l'.np.ióiii,пни,le mcioiiikii и iipoipaMMi.i, снохой uKopuiiiian iKiii.iiaiiiiii м.пернадои na wi.iiiicii, ii фрс!hihi->claiol 11. .iiiicipciiu n IC'KIj HO Томссльмаш".

Основные pe ly.ll,i.ill i iliceeplainiii ныолены ncic.i)iuiiiii\ mf> iiik.iiiihiv I ljouaiiiiiuiM ЛВ. 11>рк.1|ик ИМ О снят coiipoiiiii кипя >4.1.101 in 11 liicpiociii копс|р)кпионны\ claim // Пошипите >|»j>u.immiviH ip,tiieiiupiiii.i\ ciicicM h kMiii;iiiiiriai.iit цршкееои: Мисриалы u.i>mu -iсx.n. koiiiJi/ Под ред. l pjuiona IIC. - lomcjii. Ьс|ИИЖ1',19Х<).. (M Ы-117.

2. Kocapui Л.Н., Luí laiioiiiri All., Ml 11.11 иск C\M. ')k>.iicpiiMcili.iii,iiiie исследование соприum iciiiin jeiaiuciii и ник.шческои ipciiiiiiiocioiiMiciH с III-111 20ГСФТЛ, нрнменлемон .tin aiiiocilL link// 11) ill ieMiH4v.ci.oio Перевооружения И модерпнlainiii л с iciiioaopiu.lliMo ipjiicHopiu Ici. докл. XVI 11.1)411.-lexil. Koii,f). ка(|к-др |>е.|ИИЖ'1а и ДорИТО 1>с.1,ж .1 Ч.Н/ Oil', pel. C.B.UkpfuKoii. - Гомель' liclHim', 19X9. - (MOO.

3. Ьои.ннлщч Л В. Ilcfcoiopiie iJhoiioMcpiiociii накои (синя jiiiinuuu* iiiüipc* кипи л lu ми it pu,L1011 pa i.iiriiiitiv классом'/ Гам Ac. • С.ЮГ

■t. Cociioiiehini JI.Л., Inii i.iiioiiM'i A.B. Ah.lih» iicKoiopi.it деформационных крнирнен циклической гренпнкк. ioiikih, ni/» 1 рентное такое 11. Muiepiiaioii и j.4cmciiioii коне ipskiillll l ei. докл. Щ Bcceoioi. спин, но механике.

pa>pw!mhm. - Kirm IIIIII All УССР, IWÜ.-4.I -С.49.

5 CociioiKкии Л A . Iioi.uininin А.Н.. Косарев Л.11. Влияние рлмероп на ...ip.iKiepiiciiiMi iniiJiiiV'CHiii ipcmiiiiocioiikociii иi.iciii'iiiMv ci.bicii.'/ Гам же. -4J.-C.79.

ó ('ранни 1сд|,111.ш aii.tiiH niiiiiigi накопления )е1,шочш-к повреждении и оценка их iioipeiiinoe ni ни данным JucHepiuiilwa (|д. ii>.no.liin um -A.B.liomaiioniriI// Вклад науки н повышение надежност н цолтиечносш манит и сооружении: Информ. сб. - Kiieii: Наук, думка. 1990. - С. 132.

7. CociioncKini Л.А., Ь'шдашшич A.B. С'тхаспнеска* aun. между преде ым ы.шослипосш и характеристиками »»ссамнсских cuoííciu ciajicii// Прибл. црочиос1н.-1У90,- N 3,- С.34-39.

S. CiKiioucKHH Л.А., Шноцгуэр В.А., Бшдатппп A.B. 06 оценке додювечносш деталей при wi6punaipyr.eiimicm//' Гндроумрутсть и

долговечность энергическою оборудовании: Тек докл. 11 Всссокм. научи.-тсхн. коиф. - Каунас: ИФ-ТПЭ Лиг. АН, 1990,- С.86-87.

9. Шуринов В.А., Шло пауэр В.А., Индман ПЛ., ЭГис.плии И.И., Козни Н.В., Сосшиккни Л.А.. Богданович А.В. Расчетио-уксисримснтальная опенка долювечносш опоры ножа// Тракторы и сельхозмашины.- 1991,- N1.-С. 17-20.

10. Сисновскнн Л.А., Хама а Л .А., Гетман А.Ф., Бабич U.K., [ниданович А.В. Комплексное эксиерпмсшальиое исследование свойств стали 08ХШП2Т и свяш с длительной эксплуатацией ГЦГ АЭС// Ikciii АН БССР. Сер. фп.-'i'jxn. иавук- 1991.- N1,- С.45-52,

11. Sosnovskiy L.A.jind Uogdanovich A.V. A Cumulative Wcar-anJ-F;atit;iic Damage Hypothesis// Xjlli Int. Colloquium on Mechanical fatigue of Metals (Kiev. USSR, May 13-17, 1991): Abstracts.- Kiev: Nauk. Dumka, 199L- P.254.

. 12. CiK-TiuiicKiiii Л.А., Бошановнч А.В. Сонроиниепие yciaiocni шномшшевот сплава Д16Т при про1раммном на1ружсшш в воэдухе н в коррозионной среде// Пробл. прочности,- 1991,- N 5.- С.50-55.

13. Ьошаношч А.В. О процессах уирочнения-ра эуирочнеши материала при коррошошю-мсхаинческой усталоеш// Повышение падс*:носш И додюьечиоеш машин и сооружений: Tei. дика. IV Республиканской иаучн.-гехн. копф,- Киев- ИПП АН УССР. 1491,- С.25-26.

14. Соемовскни Л.А.. ¿Пуринов В.А., Боиыновнч А.В. Гинокма накопления тиосоусталостпых иииреллсиш!// Механическая yeiaiocTb Металл»«: 1р. XI Мсждунар. колликииум,!/ От, pc,i П.Т.'Грошенжо: В 2 т.-Кнев, 1992,- Т.1.- С.179-184. • ISBN5-7702-0J78-I.

15. Боиаиович A.U., Ьекермаи А.Ф., Косарей Л.Н., Козлив А.В., Сосновский Л.А. Эш-нернисшальнос исследование комплекса хараысристк сопротивления усташеги сгалн 201СФТЛ для автосцепок// Веспшк ВНИ1ШТ.- 1992.-N 5.- С.41-44.

16. А. с. СССР N 1762182. Способ нсиишшш материалов в условиях фреташг-усгалости/ Л.А.Сосповскнй, В.А.Шлонауэр, А.В.Богданошгк-ОнуСд. в БИ, 1992.-N 34.

17. Sosnovskiy LA. and Bogdanovicli A.V. Cyclic elaMo-plastie fracture diagram for a specimen with a crack and its analysis// Fracture mechanics: successes and problems.- Collection of Abstracts VII1 Int. Conf. on fracture.-Lviv: Karpenko Physieo-Mechanical Institute, 1993.- Part П.- P.612-613.

IB. Богданович А.В. Накопление усталости* повреждений: основные закономерности и предсказание// Трение, изнашивание, усталость: Тез. докл. Междунар. сими, по трибофатике,- Гомель,1993,- С.21-22.

19. Сосновский Л.А., Богданович А.В. Дна! рампа ЦУПРОТ и концепции , Циклической вязкости разрушении// Кол сбитни и волны в экологии, техполошчсскнх процессах и диагностике: Тез, дохл. Междунар. конф.-Минск, 1993,- С. 120,

Р'ЛЮМЭ

Багдановш Аляксандр Вальдэмаравг!

Чакапамернасш i ппотэзы накаплення стомленасных пашкоджаиняу i ацэнка даугапечпасш дэталяу машын

Глом.теиасиь, меря пяшкоджанлеш, ппотэза накаплення пашкоджаиняу, дпутавечнаснь, , трэшчьшастонкасиь, жывучаспь, трэшчына, дыяграма цыюпчнага пругкагсласгычнага разбурэння.

Вмкладзени вышк! зкеперыментальнага даследавання зпканамернасцеп накаплення стомленасных пашкоджанняу ва узорах сталяу 20нс, 30, 45, 09Г2С, 20ГСФТЛ, 20ХГСАФЛ, а таксама у элементах корма>'борачных машын. Мэта работы - распрацоука i пбфунгаванне мадэляу сумавання стомленасных пашколжанняу, методик разлкова-эксперыментальнан апэню даугавечпасщ дэталяу машын i канструкцьш на статьи да утпарэння маыстратьнай трэшчыны i на стадьн яе разп!цця ва умопах пругканластычнага дэфармавання з улкам коматекса вызначаючых фактарау.

Выпрабавашн праводзшеь на уш'версатьных машьшах УРС 50/50, УК1МОМ, UTS 10, ZDU 10 Ри, егбрастэпдзе ВЭДС-1500.

Распранапала методика разлжова-эксперыменгальнай яиэнк! даугапечпасш дэталяу з выкарыстаннем некальюх ппотэз сумавання пашкоджаиняу. Наказана яе эфектыунасць шляхам аналЬу шэрагу лЬаратуриых i арыинальных вопытных даных. Прапанаваны спосабы паскоранан ацэнм характарыстык супращулення стомленасвд матэрыялау i дэталяу. Агйсаиа методыка эксперыментальпага вызначэння комплексу cinaiibix, дэфармацыГшых i энергстычных иарамеграу трэшчынастонкасш матэрыялау пры цыклмныы нругкапластьгчным дэфармаваиш. Прапанаваны мера лакатытага пашкоджання i мадэль дтя ацэнк! жывучасш этементау машын з пластичных матэрыялау. Вмкананы прагноз жыпучасш рамы кормауборачнага камбанна на аснове зазначанай мпдэль

Вышк! работы укарлнены у ГС КБ ВА "ГОМСЕЛЬМЛШ", вучэбны працэс КелДУТа. Яны могуць быць выкарыстаны канструктарскЫ! i навзиова-даследчнм! устаиовакй, ямя занмагоцца праектаваннем i даводкан лэтаяяу i канструкиын, працуючых пры нераменных нагрузках.

IS

РЕЗЮМЕ

Богданович Александр Вальдемарович

Закономерности и гипотезы накопления усталостных повреждении и оценка долговечности детален машин

Усталость, мера поврежденности, гипотеза накопления повреждений, долговечность, трепшностойкость, живучесть, трещина, диаграмма цикличекого упругопдастнческого разрушения.

Изложены результаты экспериментального исследования закономерностей накопления усталостных повреждений в образцах из сталей 20пс, 30, 45, 09ПС, 20ГСФТЛ, 20ХГСАФЛ, а также в элементах кормоуборочных машин. Цель работы - разработка и обоснование моделей суммирования усталостных повреждений, методик расчетно-экспериментальной оценки долговечности деталей машин и конструкций на с илии до появления магистральной трещины и на стадии ее развита в условиях упругопластическош деформирования с учетом комплекса определяющих факторов.

Испытания проводились на универсальных машинах У ГС 50/50, УКИ-ЮМ, UTS 10, ZDM 10 Ри, вибростенде ВЭДС-1500.

Разработана методика расчетно-эксперименталышн оценки долговечности деталей машин с использованием нескольких гипотез суммирования повреждений. Показана ее эффективность путем анализа ряда литературных и оригинальных опытных данных. Предложены способы ускоренной оценки характеристик сопротивления усталости мл [¿риалов и деталей. Описана методика экспериментального определения комплекса силовых, деформационных и энергетических параметров трещиностойкости материалов . при циклическом упрупншастическом деформировании. Предложены мера локального повреждения и модель для оценки живучести элементов машин из пластичных материалов. Выполнен прогноз живучести рамы' кормоуборочного комбайна на основе указанной модели.

Результаты работы внедрены в ГСКБ ПО "ГОМСЕПЬМАШ", учебный процесс БелГУТа. Он» могут быть использованы конструкторскими н научно-исследовательскими организациями, занимающимися проектированием н доводкой деталей и конструкций, работающих при переменных нагрузках.

SUMMARY Bogdanovich Alexander Valdemarovich

Laws and Hypotheses of Fatigue Damage Accumulation and Machine Parts Life Prediction

Fatigue, extent of damage, damages accumulation hypothesis, life, crack growth resistance, crack life, crack, cyclic elasto-plastic fracture diagram.

. Results of experimental study of fatigue damages accumulation laws at specimens made of 20, 30, 45, 09HC, 20JOJ)T.TI, 20XFCA<WI steels and forage-harvesting machine elements are given.

The purpose of the woik is elaboration and foundation of fatigue damages accumulation models and procedures of calculated-experimental assessment of machine parts and constructions life at the fatigue crack initiation stage and crack propagation one under elasto-plastic straining into account of the main of complex factors.

Tests were carried out on universal machines YPC 50/50, VKH- 10M, UTS 10, ZDM 10 Pu, and vibrostand B3flC-1500.

The procedure of calculated-experimental evaluation of machine parts life with the usage of some damages accumulation hypotheses is worked out. Its efficiency being shown by means of analysis of a number of literature and original experimental data. Methods of accelerated estimation of fatigue resistance characteristics of materials and pans are suggested. The procedure of experimental definition of a complex of force, strain and energy parameters of fatigue crack growth resistance of materials under cyclic elasto-plastic straining is described. The extent of local damage and model for estimation of fatigue crack life of machine elements made of plastic materials are suggested. The prognosis of fatigue crack life of the frame of forage-harvesting combine based on this model is performed.

Thesis' results have been established at GSDI3 IG "GOMSELMACH" and BelSUT. They may be used by design bureaus and scientific-research institutions for elaborating and leading of machine parts and constiuctions which are working under cyclic loads.