Живучести конструкции

Проблема сохранения несущей способности конструкций после разрушения материала на участках концентрации напряжений известна как проблема «живучести» конструкций. Расчетная часть этой проблемы методами механики представляет основное содержание теории прочности конструкций. Последняя существенно отличается от теории прочности материалов способом описания явления разрушения. Если в классической теории прочности материалов [1—5] разрушение данного материала при заданном соотношении между главными напряжениями и активной нагрузкой описывается одним числом — пределом прочности, то в теории прочности конструкций для описания «живучести» на ранних стадиях процесса разрушения применяется функция координат и времени, характеризующая структурное повреждение материала — наличие в нем микротрещин, определяемое функцией повреждения или степенью растре-сканности [6, 7]. На более поздних стадиях, когда образуется видимая визуально трещина, анализируются условия равновесия и распространения полостей, моделирующих трещины [8, 9].

Разработка «живучести» теории прочности конструкций (на стадии разрушения) в настоящее время далека до полного завершения. Предложены дифференциальные уравнения для функции повреждения материала сначала без учета перераспределения напряжений 'в теле вследствие псхврждения [10], затем с учетом эффекта перераспределения напряжений [6]. Перераспределение напряжений, характерное для процессов разрушения реальных элементов конструкций, может быть использовано конструкторами для активного воздействия на «живучесть» путем локализации процесса повреждения (образования микроскопических трещин) вблизи участков концентрации на-

Как отмечалось в гл. 1, настоящая монография не затрагивает пока в надлежащем объеме вопросы малоцикловой живучести конструкций на стадии развития в них трещин малоциклового нагружения. Основой расчетов прочности и ресурса элементов конструкций с трещинами являются уравнения и критерии нелинейной механики циклического разрушения. Совместное рассмотрение двух стадий работы элементов конструкций — стадии до образования трещин (что является предметом настоящей монографии) и стадии их развития — должно способствовать обоснованному продлению ресурса безопасной эксплуатации и форсированию режимов работы.

ям и катастрофам. Вместе с тем в ряде случаев при обосновании надежности возникает необходимость расчета живучести конструкций на стадии развития трещин. Учитывая, что начальные трещины статического и циклического эксплуатационного нагружения возникают в зонах повышенных местных уп-ругопластических деформаций, такой расчет должен основываться на предварительном исследовании закономерностей развития трещин как заведомо нелинейного процесса. В настоящее время практически отсутствуют решения задач нелинейной механики циклического нагружения для тех случаев, когда размеры зон циклических пластических деформаций превышают размеры трещин и действуют экстремальные эксплуатационные нагрузки.

- проведение большого объема испытаний на образцах, крупногабаритных панелях, отсеках фюзеляжей, кессонах крыла и натурных конструкциях самолетов для проверки живучести конструкций;

Перечень основных силовых элементов может дополняться для конкретного самолета. На рис. 4.2.11 - 4.2.12 представлены регламентирующие повреждения основных силовых элементов. Обеспечение остаточной прочности конструкций с регламентированными повреждениями направлено на обеспечение живучести конструкций при усталостных, коррозионных и случайных повреждениях.

Для определения на этапе проектирования условий обеспечения живучести конструкций, имеющих высокую весовую эффективность, проведен анализ влияния основных параметров - относительной площади и прочности; материала стрингеров, вязкости разрушения обшивки (рис. 4.2.17 - 4.2.19).

7. Нестеренко Г.И. Расчет характеристик эксплуатационной живучести конструкций на основе механики разрушения. ФХММ, 1983, № 1. С. 12-23.

Для ответственных конструкций, подвергаемых соответствующему дефектоскопическому контролю, расчеты прочности имеют целью исключить возможность образования и развития макротрещин. Вместе с тем в ряде аварийных и катастрофических ситуаций возникает необходимость расчета живучести конструкций на стадии развития трещин. С учетом того, что начальные трещины циклического нагружения возникают в зонах повышенных местных упругих и упругопластических деформаций, такой расчет должен основываться на предварительном исследовании закономерностей развития трещин в заведомо нелинейной постановке. Несмотря на значительные достижения механики разрушения, в настоящее время практически отсутствуют точные решения задач нелинейной механики циклического разрушения для случая, когда размеры зон циклических пластических деформаций превышают размеры трещин.

В настоящее время нормативные расчеты живучести на стадии роста трещин осуществляются как поверочные применительно к сосудам и трубопроводам энергетических объектов. Систематический опыт нормирования живучести конструкций нефтехимического комплекса пока отсутствует.

В работе [213] предложен феноменологический метод определения числа циклов задержки при программном нагружении на двух уровнях и показана возможность применения этого метода для прогнозирования живучести конструкций из ряда материалов: титановых и алюминиевых сплавов, углеродистых и нержавеющих сталей. Предполагается, что эффективное значение размаха коэффициента интенсивности напряжений Д/Сэ* = А/С„/С„ тах//Св тах (где Ка тах, А/С„, /Свтах — максимальные значения и размах коэффициента интенсивности напряжений на низкой и высокой ступени нагрузки) однозначно опреде-

Уравнение (20) часто используют для оценки живучести конструкции, работающей в условиях повторного на-гружения. Пусть в определенном месте элемента конструкции образовалась трещина. Соотношение между К и длиной трещины для данной конкретной ситуации находят путем анализа напряженного состояния или используя справочные данные. Долговечность N рассчитывают, интегрируя уравнение (20). Пределы интегрирования, начальную и конечную длину (аг- и ас) трещины устанавливают, исходя из данных механики разрушения:

Обеспечение живучести конструкции

Основой действующей комплексной методологии учета требований ресурса при проектировании является модель (типизация) конструкции, целенаправленно учитывающая потребные объемы и точность расчетно-экспериментальной отработки. Так, для современного пассажирского самолета проектировочный расчет на ЭВМ напряженно-деформированного состояния, долговечности и живучести конструкции ведется в нескольких десятках ответственных типовых зон, как правило, на основе метода конечных элементов, общим объемом до 100—150 тыс. неизвестных. В ближайшем будущем ожидается развитие расчетов со все возрастающей точностью приближений к реальному поведению конструкций. По мере проработки чертежной документации проводятся специальные испытания образцов и конструктивных элементов (2000—3300 шт.) и натурных фрагментов, панелей и узлов (100—200 шт.) при спектрах нагруже-ния, максимально приближенных к эксплуатационным. При этом одной из основных целей является разработка рекомендаций и проверка тех-4

Основой для оценки живучести конструкции является характеристика материала, представляющая собой зависимость скорости роста трещины v для конкретного материала от размаха коэффициента

Принято считать, что функция распределения живучести соответствует нормально-логарифмическому закону. Результаты расчетов, приведенные в работе [238], показывают, что при определенных соотношениях исходных параметров возможны отклонения от этого закона как в сторону завышения результатов, так и в сторону их занижения. Данные, представление на рис. 14.6.2 и на рис. 14.6.3, свидетельствуют о том, что при малоцикловом нагружении сварных соединений в коррозионной среде возможно значительное отклонение распределения живучести от нормально-логарифмического закона, если сплав имеет низкое сопротивление коррозионному растрескиванию. Остаточные напряжения усиливают эту тенденцию. Следовательно, при малом объеме экспериментальных данных можно получить слишком завышенную оценку живучести конструкции.

привели к необходимости обеспечения живучести конструкции на стадии проектирования. Для этого необходимо принимать специальные конструктивно-технологические меры по созданию живучих конструкций минимального веса. Для того чтобы конструкции самолетов обладали свойствами живучести, требуется целый комплекс мероприятий, наиболее важными из которых являются:

Задача обеспечения безопасности эксплуатации конструкции на случай коррозионного повреждения решается аналогично задаче обеспечения живучести конструкции с усталостной трещиной.

- живучести конструкции 417

Более сложной оказывается задача нормирования прочности при циклическом нагружении с учетом стадии роста трещин. Общие предложения здесь сводятся к расчету "живучести" конструкции на стадии роста трещин с использованием диаграмм циклической тре-щиностойкости при малоцикловом и многоцикловом нагружениях в виде

Построенная диаграмма живучести позволяет ввести в рассмотрение понятие коэффициента запаса живучести конструкции, с помощью которого можно оценить степень приближения задан ного произвольного цикла нагружения к предельному циклу, для которого скорость роста трещины является недопустимо высокой. Пусть заданный цикл нагружения с параметрами Кр и Кт изображается на диаграмме живучести некоторой точкой Л5 (или Лг), находящейся в зоне 2 (см. рис. 5.6 и 5.7). Тогда, в зависимости от знака коэффициента асимметрии цикла нагружения, запас живу чести можно принять равным п = ОВ^ОА^ при J? ^ 0 и п = — ОВЪ/ОА% при R < 0 (точки Вг и В2 изображают соответствующие предельные циклы нагружения). Аналогично для циклов нагружения с изображающими их точками в зоне / (рис. 5,6) вво-

жений в некоторых циклах превышает предел живучести а+, то при переходе в диапазон напряжений а* -4- а_г уже возможно увеличение длины трещины. Этот вывод находится в полном соответствии с основным положением механики разрушения: возможность разрушения материала зависит не только от уровня действующих напряжений, но и от длины имеющейся на данный момент трещины. Учесть наличие трещины в расчете живучести можно путем введения изменяемых (по мере увеличения длины трещины) кривых усталости (рис. 19.3). Полагая, что при этом изменяется лишь значение предела живучести о%, а произведение Q™'Nt остается неизменным, получим для определения живучести конструкции, выраженной в числах циклов нагружения на этапе роста трещины N, следующее соотношение:

Для определения живучести конструкции и размеров допустимых начальных дефектов необходимо знание зависимости между длиной трещины и остаточной прочностью, т. е. нагрузкой или соответствующим номинальным напряжением, которые приводят к разрушению тела с заданной трещиной при их однократном приложении. Эту задачу рассматривают в механике разрушения [32, 42, 71].

Рекомендуем ознакомиться:

Жесткости шпангоута

Жесткости динамометра

Жесткости испытательной

Жесткости конструкции

Жесткости металлорежущих

Жесткости обрабатываемой

Жесткости подшипника

Меню:

Главная страница Термины