Конструкционных концентраторов

Широкое применение конструкционных композиционных материалов обусловлено их важными физико-механическими и эксплуатационными свойствами.

свойств) и достижения методической цели [60]. Широко распространенными материалами для армирования современных конструкционных композиционных материалов являются стеклянные, углеродные, органические и борные волокна. На их основе разрабатываются также многокомпонентные материалы, в которых используется различная арматура (например, сочетание органических и борных волокон, углеродных и стеклянных [20] и другие комбинации), что осложняет классификацию по типу арматуры.

В пятом томе «Неметаллические материалы» дана краткая характеристика неметаллических материалов; изложены общие принципы их выбора при конструировании деталей машин; приведены сведения о физико-механических и технологических свойствах конструкционных, композиционных, оптически прозрачных, газонаполненных пластмасс, литьевых, прессованных, пленочных, листовых термопластов

В пятом томе дана краткая характеристика неметаллических материалов, изложены общие принципы их выбора при конструировании деталей машин, приведены справочные сведения о физико-механических и технологических свойствах конструкционных, композиционных, оптически прозрачных, газонаполненных пластмасс, литьевых, прессованных, пленочных, листовых термопластов. В этом же томе даны справочные сведения о лакокрасочных, углеродистых, резиновых, древесных, бумажных, текстильных, асбестовых, силикатных материалах, клеях, коже и ее заменителях, промышленном стекле, ситаллах, стекло-эмали, каменном литье, стекловолокне, стеклоткани, пеностекле, фарфоре, глазури, вяжущих составах, обжиговой керамике, тугоплавких соединениях. Табл. 427, рис. 100, библ. 105 назв.

В основу классификации композиционных материалов [78] закладываются общие принципы: материало-ведческий — по материалу арматуры или связующего (матрицы) и их свойствам [60]; конструкционный — по типу арматуры и ее расположению (укладке) в матрице; технологический — по способу переработки в изделия. Однако способ переработки, хотя и оказывает существенное влияние на свойства материала, но мало информирует о их особенностях. Незначительную информацию с точки зрения механических свойств композиционных материалов дает также их классификация по виду матрицы и ее свойствам. В настоящее время ассортимент и модификации используемых смол весьма широки, но их значение для формирования свойств композиционных материалов определено недостаточно. Поэтому иногда классификацию по свойствам матрицы проводят для выявления сущности расчетных моделей механики деформируемого твердого тела (отражения упругих, вязкоупругих, упругопластичных свойств) и достижения методической цели [60]. Широко распространенными материалами для армирования современных конструкционных композиционных материалов являются стеклянные, углеродные, органические и борные волокна. На их основе разрабатываются также многокомпонентные материалы, в которых используется различная арматура (например, сочетание органических и борных волокон, углеродных и стеклянных [20] и другие комбинации), что осложняет классификацию по типу арматуры.

68. Свойства конструкционных композиционных материалов

5.2.3. Свойства конструкционных композиционных материалов (В.Д.Протасов) . . 311

Механике композиционных материалов, которые находят все большее применение в ма-шинрстроении, посвящен пятый раздел. В нем изложена макро- и микромеханика армированного монослоя, включая вопросы упругости, ползучести, кратковременной и длительной прочности, термоупругие и диссипативные свойства слоистых композитов, свойства конструкционных композиционных материалов.

СВОЙСТВА КОНСТРУКЦИОННЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

5.2.3. СВОЙСТВА КОНСТРУКЦИОННЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

СВОЙСТВА КОНСТРУКЦИОННЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Оценка долговечности по стадии развития трещин усталости применяется на практике в двух аспектах. Во-первых, при определении живучести конструкционных элементов с фактически обнаруженными трещинами, обычно возникающими около конструкционных концентраторов напряжений или около крупных технологических дефектов в виде раковин, расслоений, инородных включений и т. п., которые не удалось своевременно выявить или предотвратить. Во-вторых, теория развития трещин усталости фактически используется еще как некоторая альтернатива теории рассеянных повреждений, что практикуется особенно часто при расчетах на коррозионную усталость.

Важное практическое значение приобрела методика восстановления ресурса роторов, основанная на периодическом удалении с их поверхности (с целью не допустить развития в роторах макротрещин) слоев толщиной 6 < 0,5 мм через 60—100 тыс. ч как в зонах конструкционных концентраторов, так и в центральных полостях. При этом предусматривают также герметизацию центральной полости и заполнение ее сухим инертным газом. Эта разработка впервые апробирована в 1974 г. на действующей ГРЭС, где в условиях капитальных ремонтов тщательно отработаны технология и необходимая оснастка [24]. Испытания образцов из сталей для роторов с периодическим снятием поверхностных слоев показали, что рассматриваемая профилактика может в несколько раз увеличить ресурс роторов (вероятно, до 300 тыс. ч и более). Аналогично решают эту задачу энергетики Японии и США [77]. Основные элементы этой методики могут эффективно применяться и для других ответственных конструкций, в частности, барабанов котлоагрегатов.

Методике расчета коэффициентов интенсивности напряжений при термомеханическом нагружении роторов и корпусов турбин, содержащих одиночные трещины, развивающиеся со стороны наружной или внутренней поверхностей, систему параллельных трещин, а также трещины, прорастающие из зон конструкционных концентраторов напряжений, посвящена гл. 3.

При расчете полей напряжений, деформаций, повреждений, значений коэффициентов интенсивности напряжений кроме рассчитанных или экспериментально определенных температурных нагрузок могут быть учтены и механические нагрузки (внешнее и внутреннее давление, поле центробежных сил, растяжение, изгиб). Трещиноподобные дефекты могут быть заданы в виде одиночных, развивающихся со стороны наружной или внутренней поверхностей, системы дефектов, а также одиночных, развивающихся из зон конструкционных концентраторов.

Картины концентрации температурных напряжений и напряжений, вызываемых полем центробежных сил, приведены на рис. 1.13—1.15; характер развития упругопластических зон с ростом нагрузки в области конструкционных концентраторов — на рис. 1.16. Сравнение зависимостей коэффициентов концентрации деформаций от уровня нагрузки (ст;п/<тт, где ог — эквивалентные по Мизесу напряжения; ат — предел текучести) и степени упрочнения (рис. 1.17), вычисленных для различных зон концентрации, позволило установить, что среди приближенных зависимостей наиболее достоверной является формула Махутова [50] (подробнее см. в гл. 2).

Разработка расчетных моделей. Введем следующие конечно-элементные модели роторов и корпусов, содержащих трещины (см. рис. 1.11). Первые три модели созданы для изучения поведения цельнокованых роторов и корпусов с трещинами, выходящими на внутреннюю поверхность; четвертая и пятая модели — для изучения закономерностей, определяющих поведение трещины в зоне конструкционных концентраторов; с помощью шестой модели выявляют влияние дисков на поведение трещины в зоне диафрагменного уплотнения; на девятой и десятой моделях изучают взаимное влияние трещин при переменной их глубине, изменения расстояния между ними и решают задачи о бесконечной цепочке трещин, выходящих на внутреннюю и наружную поверхности роторов и корпусов.

Приняты следующие краевые условия. В первой, четвертой и пятой сериях поверхности ротора свободны. Во второй и третьей сериях введены одна и две плоскости симметрии соответственно. Равномерное растяжение реализовано путем запрещения перемещений торцов ротора (цилиндра, пластины) и задания постоянной температуры (t = —100 °С). На поверхностях трещин нагрузка отсутствовала. В осесимметричных задачах запрещалось перемещение одного узла (в вершине трещины) по оси вращения z, a в плоских задачах запрещались три перемещения. Сетка в зоне конструкционных концентраторов выполнялась достаточно подробной для определения распределения напряжений в зоне концентратора. В этих расчетах определялись коэффициенты интенсивности напряжений К и компоненты ./-интеграла. Для примера в табл. 2.6 и рис. 2.4 даны результаты только для первой серии. Далее отметим особенности основных серий расчетов.

В четвертой—шестой сериях расчетов рассмотрены случаи, характерные для развития трещин в зонах конструкционных концентраторов. При этом области изменения ведущих параметров определены соотношениями п = 0-^20; / = <Н-20 мм. Трещины располагались в области придисковой галтели с радиусом р = = 6 мм и диафрагменного уплотнения с радиусом р = 3 мм. Из

В работах по физике прочности обоснованы особые свойства поверхностного слоя, удаление которого существенно повышает прочность и ресурс материала. В процессе промышленного эксперимента по увеличению периода безопасной эксплуатации энергоблоков между капитальными ремонтами после 60—100 тыс. ч работы РВД и РСД с их поверхности удаляется слой до 0,5 мм в зонах конструкционных концентраторов напряжений, в центральной полости [24, 30]. Снятие этого слоя должно осуществляться периодически.

2. Контроль накопленного повреждения в поверхностном слое ротора (в зонах конструкционных концентраторов и центральной полости) и периодическое восстановление ресурса ротора (периодическое профилактическое снятие поверхностного слоя, накопившего повреждение, герметизация центральной полости, заполнение ее инертным газом, создание избыточного давления (0,5 МПа), периодический контроль наличия этого давления, его восстановление).

3. Вывод основных соотношений дан для условия жесткого нагружения в связи с тем, что для элементов конструкций, где недопустимо существенное формоизменение, а также для зон конструкционных концентраторов и дефектов, накопленные деформации малы, и нагружение близко к жесткому.