Двухосному растяжению

Сдвиг является частным случаем двухосного напряженного состояния, так как два главных напряжения не равны нулю.

где NO. и стс,2 определяются в соответствии с указаниями п.8. 12 СНиП Н-23-81*. При этом принимается ус = 1. Ввиду двухосного напряженного состояния должно быть соблюдено условие

Расчет трубопровода как балки кольцевого сечения на неосесимметричные нагрузки не отвечает действительному напряженному состоянию трубопровода, так как при действии на него неосесимметричной нагрузки закон плоских сечений теряет силу. При действии неосесимметричных нагрузок (внутренние отложения пыли, конденсат, ветровая нагрузка, обледенение и т.п.) трубопроводы, имеющие обычно вид тонких оболочек, работают не как плоские конструкции, а как пространственные системы (оболочка с жесткими опорными кольцами), находящиеся в условиях двухосного напряженного состояния. На действие этих нагрузок трубопроводы рассчитывают как оболочки на основе гипотез технической (полубезмоментной) теории оболочек.

одноосного нагружения путем изгиба, растяжения или изгиба с вращением образцов. Однако тензометрирование в полете воздушных судов гражданской авиации [12] указывает на существенную роль двухосного напряженного состояния с переменным соотношением компонент главных напряжений от одного этапа полета к другому. Может одновременно меняться частота, форма цикла, температура окружающей среды и прочее. Следовательно, в эксплуатационных условиях необходимо осуществлять управление ростом трещин в условиях многокомпонентного или многопараметрического воздействия. Реакция материала на это воздействие в виде скачка трещины в цикле нагружения становится интегральной характеристикой энергетических затрат в условиях многопараметрического воздействия. Перейти в такой ситуации от информации о поведении материала в лабораторных условиях опыта к условиям эксплуатационного нагружения можно только на основе теории подобия. Поведение материала подобно, если сохраняется неизменным ведущий механизм усталостного разрушения при разнообразном сочетании условий внешнего воздействия. Фактически речь идет о рассмотрении поведения материала как некоторой самоорганизующейся системы, когда в ней происходит распространение усталостной трещины. Самый важный для практики принцип самоорганизации состоит в том, что до достижения некоторых критических условий несущая способность материала с развивающейся усталостной трещиной остается неизменной. Следует, правда, оговориться, что речь идет об области многоцикловой усталости. В такой постановке вопроса необходимо использование нового научного направления — синергетики, созданного Хакеным [13,14] и развиваемого применительно к анализу поведения металлов В. С. Ивановой [15,16]. Указанное научное направление изучает открытые системы, эволюция которых во времени происходит при непрерывном обмене энергией с окружающей средой в направлении уменьшения энтропии. Переходы от одних способов протекания процессов эволюции к другим реализуются дискретно в соответствии с упорядоченной иерархией процессов самоорганизации. Обмен энергии реализуется на разных мае-

осное напряженное состояние со стабильными от полета к полету характеристиками -0,45 < Я,а < -0,21, находящимися в диапазоне углов 150 -180° для области наибольшей повреждаемости изученной зоны. Для наземных этапов характерен большой разброс и динамика изменения параметров напряженного состояния при отрицательном соотношении главных векторов (табл. 1.1) Для нижней поверхности концевой части крыла напряженное состояние близко к одноосному во всем диапазоне углов ориентировки вектора главных напряжений. Закономерности изменения напряженного состояния верхней поверхности крыла являются аналогичными. Для фюзеляжа реализуется двухосное напряженное состояние в диапазоне -0,5 < ^а <1,5. Исследования крыла самолета Ту-154Б также показали наличие двухосного напряженного состояния материала [10]. Для корневых сечений нижних панелей крыла средние значения режимов полета соответствовали изменению соотношения главных напряжений -0,48 < Х,а < 0,15 в диапазоне

пуска двигателя с постепенным возрастанием оборотов двигателя и могло в последующем происходить в процессе стационарного нагружения диска при его выдержке под нагрузкой в полете. Нагрев и длительная выдержка под нагрузкой при достижении критической длины усталостной трещиной в условиях двухосного напряженного состояния

У поверхности влияние параметров внешнего воздействия на поведение материала удобно рассматривать с позиций эффекта закрытия или раскрытия берегов трещины, установленного Элбе-ром [1]. Как уже было указано в предыдущих разделах, развитие трещины у поверхности происходит в условиях двухосного напряженного состояния материала при сочетании продольного сдвига и отрыва с формированием скосов от пластической деформации. Эта ситуация остается неизменной на протяжении всех этапов роста трещины вплоть до перехода к окончательному разрушению. Поэтому определение условий раскрытия трещины по поверхности образца путем оценки только растягивающей компоненты не в полной мере отражает процессы деформации и разрушения материала в вершине трещины. Тем не менее, определяемая величина раскры-

Исследованию подвергались крестообразные модели трех типов со сквозными и поверхностными трещинами на специальных устройствах (рис. 6.17). Модели из сплава АК4-1Т1 с пределом текучести 320 МПа имели толщину 1,2 и 2 мм с центральным отверстием, от которого производилось выращивание сквозной трещины при постоянной асимметрии цикла R = 0,5 в диапазоне соотношения главных напряжений -0,1 < А,а < 0,1 при Q = (0,3-0,4) [86]. Модель была оптимизирована методом конечных элементов таким образом, что при ее загрузке по двум осям в центральной зоне поле равномерного двухосного напряженного состояния располагалось в пределах диаметра 20 мм. В указанных моделях выращивали сквозные усталостные трещины от центрального отверстия диаметром 2 мм.

Модели из сплава АК6 были толщиной 10 мм в центральной части, диаметром 20 мм, где было реализовано равномерное поле двухосного напряженного состояния [89]. В образцах выращивали поверхностные трещины, для чего с одной из сторон крестообразной модели наносили концентра-

Во всех случаях при вариациях соотношением главных напряжений в диапазоне -1,0 < Хс < 1,0 имело место формирование усталостных бороздок, шаг которых соответствовал измеренной СРТ по поверхности крестообразной модели вдоль ее траектории. При одновременной вариации нескольких параметров цикла нагружения можно подобрать такое сочетание их величин, что процесс распространения усталостной трещины будет эквивалентным для разных ориентировок траектории трещин в пространстве (рис. 6.18). На основании этого были проведены расчеты поправочной функции F(X.0, [R = 0,5]) и определены эквивалентные характеристики процесса распространения усталостной трещины в поле двухосного напряженного состояния для различного расположения в пространстве плоскости излома в центральной части образца. Независимо от ориентации трещины кинетически процесс распространения трещины является эквивалентным и описывается единой кинетической кривой (5.63) и (5.64) (рис. 6.19). Некоторое смещение представленных кинетических кривых относительно указанной единой кинетической кривой связано с влиянием толщины пластины на закономерности роста усталостных трещин, которые не рассматривались при построении представленных кинетических кривых. Единая кинетическая кривая введена для описания поведения сплавов на основе алюминия при толщине пластины не менее 5 мм.

Влияние двухосного напряженного состояния материала на СРТ и долговечность резко снижается при возрастании асимметрии цикла. При максимальной асимметрии цикла 0,8 влияние двухосного нагружения проявляется достаточно слабо. Этот факт может быть объяснен доминированием механизма разрушения путем скольжения при одноосном нагружении с асимметрией R = 0,8 и более (см. раздел 6.1). При небольшой амплитуде переменного цикла роль второй компоненты нагрузки не проявляется в кинетике трещин из-за того, что размер зоны пластической деформации сам по себе мал/Изменить размер зоны можно за счет мощного источника энергии, который вызывает существенное пластическое деформирование материала. В условиях высокой асимметрии цикла вторая компонента нагрузки не может оказаться таким источником энергии. Величина ее амплитуды определяется асимметрией R = 0,8 и поэтому очень

осям. Выполненные расчеты напряженного состояния материала при отсутствии асимметрии цикла и симметричном сжатии показали, что при использованном в испытаниях уровне напряжения а\ = 0,67оо,2 наступает макротекучесть и материал упрочняется [75]. Это приводит к снижению СРТ даже по отношению к симметричному (двухосному) растяжению крестообразного образца.

перпендикулярно оси действия второй компоненты нагружения. В результате этого в процессе развития полуэллиптических по форме фронта трещин происходит формирование сферических частиц в перемычках между мезотуннелями в условиях двухосного растяжения-сжатия, когда сжимающая компонента, лежащая в плоскости распространения трещины, ориентирована перпендикулярно оси мезотуннелей (рис. 6.25). Переход к двухосному растяжению приводит к сохранению эффекта мезотуннелирования трещины, но процесс формирования каких-либо частиц в перемычках между мезотуннелями полностью прекращается. Их разрушение происходит путем преимущественного сдвига, как и в случае распространения сквозных трещин при двухосном нагружении крестообразных моделей.

Переход от одноосного растяжения к двухосному растяжению-сжатию сопровождается ослаблением напряжения сдвига, обеспечивающего деформацию материала в направлении перпендикулярном плоскости пластины. Поэтому при малых величинах второй компоненты сжатия размер зоны в направлении роста трещины снижается, а не возрастает. Последующее увеличение сжимающей компоненты нагрузки сопровождается одновременным увеличением всех параметров зоны пластической деформации и уменьшением интенсивности сдвигового напряжения в направлении перпендикулярном плоскости пластины.

В составе редуктора ЗК подвергаются двухосному растяжению от динамической нагрузки в результате вращения. Эта ситуация для полотна ЗК полностью аналогична нагружению дисков компрессоров и турбин авиационного двигателя. Существующие вибрации в двигателе, в том числе и от газодинамического потока, могут порождать колебания дисков, что приводит к возникновению многоцикловой усталости и быстрому исчерпанию дисками их долговечности (см. главу 9). Эта же

а — [78]; б — [193]; в — образец Оклахомского университета; ?, — нагружающее приспособление к образцу [31]. 1 — несущий слой из композита, подверженный двухосному растяжению; 2 — сотовый заполнитель из алюминия; 3 — несущий слой из композита, подверженный двухосному сжатию; 4 — образец; 5 — нагружающий рычаг; 6 — трос; 7 — приклеенные нагружающие пластины; 8 — образец

Максимальные напряжения возникают в точке А, напряженное состояние в которой соответствует двухосному растяжению. Значения этих напряжений,

СОПРОТИВЛЕНИЕ ОТРЫВУ — среднее растягивающее напряжение в момент разрушения путем отрыва. Хотя одновременный отрыв но всему сечению соответствует бесконечной скорости развития трещины и потому никогда не осуществляется, С. о. является полезной хар-кой кон-струкц. материалов. При прочих равных условиях с ростом С. о. склонность к хрупкости падает, а конструктивная прочность растет. С. о. для хрупких при растяжении материалов совпадает с обычным пределом прочности. Для оценки С. о. материалов, пластичных при растяжении, необходимо воздействие охрупчивающих факторов: понижение темп-ры или увеличение скорости нагружения; введение надрезов или трещин; переход к двухосному растяжению. В этих случаях оценка С. о. не всегда является бесспорной. С. о. большей частью силт.чо повышается с измельчением структуры. Многие факторы различно, иногда противоположно, влияют на С. о., и сопротивление плястпч. деформации, напр.. с повышением содержания углерода в низко-отпущенных сталях С. о. падает, а твердость растет (см. Отрыв, Излом отрыва).

приборе и по методике ЦНИИТМАШа. Наряду с другими методами для оценки пригодности листового металла для глубокой вытяжки, когда условия деформирования близки к двухосному растяжению, может быть успешно использован метод гидростатической вытяжки, позволяющий фиксировать давление жидкости, служащей пуансоном, и глубину выдавливания. Этот метод чувствителен к влиянию дефектов поверхности заготовки (рискам, царапинам, местным утонениям и т. п.). По результатам испытаний по этому методу могут быть построены кривые упрочнения. Степень упрочнения — весьма важная характеристика, определяющая технологические возможности стали при холодном деформировании. Диаграммы упрочнения могут быть построены по результатам испытаний на растяжение с использованием для расчетов уравнения, предложенного С. И. Губкиным,

где V- - молярный объем металла; R и Т - универсальная газовая постоянная и абсолютная температура; о0 = и при асо - 0; аср = = (d + о'2 +а3)/3; а и сг2, о3 - компоненты главных напряжений в элементе. Значение и0 устанавливается известными экспериментальными методами при заданных условиях коррозионного воздействия среды и температуры. Величина среднего напряжения <уср зависит от характера напряженного состояния, реализуемого на корродирующей поверхности образца или конструкции. Минимальное значение о-ср (при приложении нормальных напряжений) возникает в случае одноосного растяжения (сжатия) напряжением Ст] и составляет 1/3 oh Максимальное практически достижимое значение стср составляет 2/3 аь что соответствует двухосному растяжению с равными компонентами напряжении (а] - аг). Большинство элементов трубопроводов работает в условиях двухосного состояния. В работе [18] проведены коррозионные испытания листовых образцов, нагружаемых постоянным прогибом по схеме чистого изгиба. Применены образцы двух типов: прямоугольные, т.е. пластины с соотношением сторон поперечного сечения B/S - 5, и круглые. В прямоугольных образцах при изгибе реализуется напряженное состояние, близкое к одноосному, а в круглых - двухосному.

где V - молярный объем металла; R и Т - универсальная газовая постоянная и абсолютная температура; и0=и при аСр=0; 0ср=(°"1+о"2+о"з)/3; аь аг, а3 - компоненты главных напряжений в элементе. Значение о0 устанавливается известными экспериментальными методами при заданных условиях коррозионного воздействия среды и температуры. Величина среднего напряжения сгср зависит от характера напряженного состояния, реализуемого в металле. Минимальное значение стср (при приложении нормальных напряжений) возникает в случае одноосного растяжения (сжатия) напряжением О] и составляет 1/3 Oj. Максимальное практически достижимое значение 0ср составляет 2/3 аь что соответствует двухосному растяжению с равными компонентами напряжения (Oj = cr2). Большинство элементов трубопроводов работает в условиях двухосного состояния.

Симметричный изгиб на кольцевой опоре. На растянутой поверхности образца под пуансоном создается напряженное состояние, близкое к двухосному растяжению. Трещины развиваются в центре образца вглубь по сечению и вдоль по поверхности стекла. Вид трещин по сечению не отличается от описанного для изгиба сосредоточенной нагрузкой. В плоскости образца трещины прямолинейны и совпадают с радиусом испытываемых дисков (рис. 60, а—в).