Долговечность конструкции

Изучение циклической прочности при нестационарных режимах имеет большое принципиальное и прикладное значение, так как позволяет глубже узнать природу усталости, рациональнее использовать материал и точнее определять долговечность конструкций в эксплуатационных условиях. Однако расчет усложняется. Необходим огромный экспериментальный материал для того, чтобы выяснить закономерности изменения пределов выносливости при различных спектрах нагружения. Должны быть учтены факторы концентрации напряжений, состояния поверхности и т. д., влияние которых на вид кривых усталости при нестационарных режимах может быть иным, чем при стационарном нагружении, и очень значительным (см. рис. 187). ...-^-•,. . --'Ч

Оборудование предприятий нефтехимии и нефтепереработки работает в условиях действия механических напряжений, высоких температур и коррозионно-активных рабочих сред, инициирующих возникновение и накопление повреждений, приводящих со временем к нарушению его работоспособности. Современные методы механики деформируемого твердого тела позволяют прогнозировать долговечность конструкций на основе расчета напряженно-деформированного состояния для любой точки конструкции. Но для расчета напряженно-деформированного состояния на действующей конструкции необходимо точное знание всех термомеханических режимов эксплуатации либо текущей диаграммы нагружения. Знание исходных на момент изготовления конструкции механических свойств металла недостаточно, так как они в процессе эксплуатации существенно изменяются. Проведение стандартных механических испытаний на действующей конструкции невозможно, поэтому в настоящее время расчет напряженно-деформированного состояния для оценки долговечности осуществляется с использованием данных о свойствах материала в исходном состоянии, что не обеспечивает необходимую точность.

повреждений сопровождается изменением механических и электрофизических свойств металла конструкции. Современные методы механики деформируемого твердого тела позволяют прогнозировать долговечность конструкций на основе расчета напряженно-деформированного состояния для любой точки конструкции [17, 18, 33]. В качестве примера на рисунке 3.5.1 представлена картина распределения напряжений, полученная в результате расчета напряженно-деформированного состояния испытательного образца с концентратором напряжения. Расчет произведен применением комплекса программ для инженерного моделирования электромагнитных, тепловых и механических задач методом конечных элементов ELCUT.

Оборудование предприятий нефтехимии и нефтепереработки работает в условиях действия механических напряжений, высоких температур и коррозионно-активных рабочих сред, инициирующих возникновение и накопление повреждений, приводящих со временем к нарушению его работоспособности. Современные методы механики деформируемого твердого тела позволяют прогнозировать долговечность конструкций на основе расчета напряженно-деформированного состояния для любой точки конструкции. Но для расчета напряженно-деформированного состояния на действующей конструкции необходимо точное знание всех термомеханических режимов эксплуатации либо текущей диаграммы нагружения. Знание исходных на момент изготовления конструкции механических свойств металла недостаточно, так как они в процессе эксплуатации существенно изменяются. Проведение стандартных механических испытаний на действующей конструкции невозможно, поэтому в настоящее время расчет напряженно-деформированного состояния для оценки долговечности осуществляется с использованием данных о свойствах материала в исходном состоянии, что не обеспечивает необходимую точность.

повреждений сопровождается изменением механических и электрофизических свойств металла конструкции. Современные методы механики деформируемого твердого тела позволяют прогнозировать долговечность конструкций на основе расчета напряженно-деформированного состояния для любой точки конструкции [17, 18, 33]. В качестве примера на рисунке 3.5.1 представлена картина распределения напряжений, полученная в результате расчета напряженно-деформированного состояния испытательного образца с концентратором напряжения. Расчет произведен применением комплекса программ для инженерного моделирования электромагнитных, тепловых и механических задач методом конечных элементов ELCUT.

Присущая пластикам высокая коррозионная стойкость во многом определяет долговечность конструкций, особенно тех, которые подвергаются воздействию соли и других активных ингибиторов. Сопротивление пластиков повреждению при случайном ударе намного выше, чем сопротивление пластичных металлов, хотя энергия, поглощаемая при этом, может быть существенно ниже. Способность же материала к поглощению энергии проявляется в разной степени в зависимости от конкретной ситуации, поэтому в процессе испытаний данного автомобиля на столкновение должны быть определены необходимые требования по безопасности и все элементы автомобиля должны удовлетворять этим требованиям.

В настоящей работе основное внимание будет уделено механическому моделированию и' моделированию тех физических процессов и явлений, которые оказывают влияние на прочность и долговечность конструкций.

Надежность и долговечность конструкций,- работающих на динамические воздействия, как известно, обусловливаются не только характером и величиной нагрузки, но и динамическими характеристиками конструкции и материала, из которого она изготовлена. Поэтому целью экспериментальных исследований в нашем случае наряду с определением деформаций, возникающих в элементах конструкции, является также изучение физико-механических и динамических характеристик материала и конструкции в целом. Динамические характеристики определялись по осциллограммам собственных колебаний конструкции. Об однородности структуры стеклопластика и изменении ее во времени можно судить по скорости распространения ультразвуковых колебаний. Деформации материала в различных точках конструкции определялись по осциллограммам вынужденных колебаний.

Изучение циклической прочности при нестационарных режимах имеет большое принципиальное и прикладное значение, так как позволяет глубже узнать природу усталости, рациональнее использовать материал и точнее определять долговечность конструкций в эксплуатационных условиях. Однако расчет усложняется. Необходим огромный экспериментальный материал для того, чтобы выяснить закономерности изменения пределов выносливости при различных спектрах нагружения. Должны быть учтены факторы концентрации напряжений, состояния поверхности и т. д., влияние которых на вид кривых усталости при нестационарных режимах может быть иным, чем при стационарном нагружешш, и очень значительным (см. рис. 187).

Проблема длительной прочности элементов машин, приборов и аппаратов является традиционной, но за последние годы она расширилась и приобрела особое значение в связи с новыми задачами, которые ставят такие быстро развивающиеся отрасли техники, как энергетическое и химическое машиностроение, авиакосмическая техника и др. Долговечность конструкций приходится оценивать во многих случаях в условиях нестационарных силовых и температурных режимов нагружения, при этом могут протекать различные процессы длительного разрушения. К таким обычно относят статическую усталость, возникающую в результате выдержки конструкционных элементов во времени под действием усилий, мало- и многоцикловую усталость, связанную с циклическими сменами усилий безотносительно ко времени выдержки, а также процессы поверхностных разрушений при действии напряжений и агрессивных сред. При этом возможены еще и другие, комбинированные процессы. Длительному разрушению подвержены не только традиционые металлические, но и различные новые неметаллические материалы — полимеры, керамики, стекла и различные композиты, причем многие неметаллические материалы обнаруживают как циклическую, так и указанную статическую усталость практически в любых температурных условиях, ввиду чего проектирование изделий из этих материалов неизбежно наталкивается на необходимость их расчетов на длительную прочность.

Особенно большое влияние на долговечность конструкций при колебаниях температуры оказывает коррозия, так как при коррозии на поверхности образуется мелкая сетка трещин, которые повреждают наружный слой металла и являются концентраторами напряжений. В свою очередь, переменные напряжения способствуют разрушению окисной пленки и облегчают непосредственный контакт металла с теплоносителем, что также усиливает коррозию. Скорость роста трещин при этом увеличивается во много раз. При воздействии коррозионной среды предел выносливости сталей значительно снижается, причем различные стали имеют существенно различную чувствительность к воздействию коррозионной среды.

В кулачковых механизмах с роликовым толкателем (коромыслом) от радиуса ролика зависят размер действительного профиля кулачка, контактные напряжения и, следовательно, прочность и долговечность конструкции. Следует выбирать rp
Долговечность сосудов определяется на предположении об эволюции дефектов в следующей последовательности: не обнаруживаемые методами контроля дефекты i \ подрастают под воздействием циклического нагружения до размеров обнаруживаемых дефектов h, затем достигают размера ?р - дефекта, подлежащего удалению (ремонту), затем возрастают до размеров наибольшего допустимого дефекта lq, а затем критического ^кр, после чего наступает процесс хрупкого разрушения. Таким образом, если определить величины tp, lq, и ?кр, знать скорость роста трещин и количество и количество циклов нагружения в год, то можно рассчитать срок службы (долговечность) конструкции. Поэтому скорость роста трещин является одним из наиболее значимых пара-

3. Критерии оценки прочности конструкции в целом, определяемые при стендовых, натурных и эксплуатационных испытаниях. При этих испытаниях выявляется влияние на прочность и долговечность конструкции таких факторов, как распределение и величина остаточных напряжений, дефектов,, технологии изготовления и конструирования металлоизделий и т. д.

Методы прогнозирования ресурса отдельных элементов рассматриваются как проверочные и должны служить основанием для принятия технических мероприятий по обслуживанию и ремонту оборудования. В силу недостаточной обоснованности использования значений коэффициентов запаса прочности, изменения режимов эксплуатации и др. долговечность конструкции (время до наступления полной потери- работоспособности) нередко оказывается больше назначенного ресурса.

Долговечность конструкции, особенно при циклическом нагружении, во многом определяется уровнем локальной напряженности металла. В связи с этим при изготовлении аппаратов и их элементов необходимо обеспечивать плавные сопряжения металла шва с основным металлом с целью снижения степени концентрации напряжений. В некоторых случаях для повышения работоспособности сварных соединений целесообразно применение твердых швов, металл которых обладает более высокими прочностными свойствами, чем ос-

характеристики свойства материала сопротивляться внешней нагрузке, используемые в расчетах на прочность и долговечность конструкции, никогда не реализуются в эксплуатационных условиях многокомпонентного нагружения.

Если проверочные испытания не оказывают влияния на долговечность конструкции (под этим подразумевается, что накопление повреждений несущественно), то новое (усеченное) распре-

Облицовочный материал для трайлера-рефрижератора, часто подвергаемый повреждениям, должен легко очищаться и не должен поглощать запахи и влагу. Для циркуляции холодного воздуха в пространстве между грузом и стеной трайлера необходимы специальные ребра. Все эти требования вполне достижимы в случае применения полиэфирных смол, упрочненных матами из стекловолокна; при необходимости специальные слои, не содержащие волокон, улучшают внешний вид и долговечность конструкции.

При проектировании и расчете конструкции большое значение имеет вязкость разрушения. Используя этот параметр, определяют критический размер трещины и скорость роста трещины усталости, с помощью которых оценивают долговечность конструкции. При низких температурах рост трещины под действием постоянной нагрузки пренебрежимо мал. Однако следует обращать внимание на детали криогенной аппаратуры, имеющие температуру окружающей среды.

В работах [1, 2J приведены обычные кривые усталости ст — N (при заданной амплитуре напряжения) нескольких сплавов при температурах 295, 76 и 4 К. В работе [3] имеются кривые усталости при низких температурах при заданной амплитуде перемещения. Эти результаты получены при испытании круглых гладких или надрезанных образцов, где время до появления трещины значительно. В зависимости от уровня напряжения оно составляет до 90 % долговечности образца. Однако во многих крупных конструкциях трещины имеются (или предполагается, что они есть) еще до начала эксплуатации. Они могут появиться в процессе изготовления полуфабрикатов или при сборке. В таких случаях долговечность конструкции определяется только скоростью распространения трещины (da/dN). Знание этой характеристики необходимо для точной оценки ресурса.

Долговечность конструкции состоит в ее способности сохранять необходимые для эксплуатации свойства в течение заранее предусмотренного отрезка времени. Долговечностью называют и продолжительность надежной работы конструкции. Разумеется, обеспечить долговечность можно, лишь зная процессы, происходящие в конструкции (в том числе в ее материале) во времени и в условиях, в которых она работает.