Нагружения существенно

щей, независимо от условий нагружения (статическое, циклическое, динамическое), что позволяет использовать подходы линейной механики разрушения к анализу разрушения при различных условиях нагружения. Из концепции Г. Ирвина следует, что если обеспечить одно и то же значение К у кончика трещин различной геометрии (например, путем подбора длин трещин, размера образца и условий нагружения), то в пределах изменения г в окрестности трещины реализуется при определенных условиях самоподобие локального напряженного состояния или автомодельность зоны предразрушения.

Допускаемые напряжения выбирают с учетом качества материала и вида термообработки; характера нагружения (статическое или динамическое); условий работы; степени ответственности и предполагаемого срока службы пружин. Рекомендации по выбору материала для пружин и допускаемых напряжений даны в справочной литературе [20].

Качественные исследования видов разрушения и его распространения были проведены на микрофотоупругих моделях Розе-ном [55], Александером с соавторами [5], а также Капуто и Хил-зингером [8]. В последней работе использовались одно- и двухслойные стеклоэпоксидные и графитоэпоксидные модели с редко расположенными волокнами. Применялось обычное фотографирование и высокоскоростное фотографирование со скоростью 3000 кадров в секунду. Эта скорость, однако, слишком мала для изучения реальных динамических явлений. Изучалось, какое влияние на разрушение оказывают тип волокон, их ориентация, вид дефектов (обрыв волокна, несцепленное с матрицей волокно, полость в матрице) и условия нагружения (статическое растяжение, двухосное растяжение — сжатие, двухосное растяжение, циклическое растяжение и удар). Четко показаны роль матрицы в распределении нагрузки между волокнами, а также

Уже отмечалось, что направление распространения трещины зависит от типа нагружения (усталостное или статическое). Рассмотренная модель позволяет определять направление роста трещины в зависимости от числа циклов. Рассмотрим, например, слоистый композит с надрезом, подверженный усталостному нагружению. На рис. 2.38 показано, что для статического нагружения (N = I) предельные напряжения от, соответствующие распространению поперечной трещины, ниже, чем напряжение ал, при котором начинает распространяться трещина в направлении нагружения, т. е. стл -^ а<т- После воздействия циклической нагрузки происходит затупление трещины — образуется область с неупругими свойствами длиной а, и остаточная прочность ат возрастает. Одновременно, вследствие ухудшения сдвиговых свойств, ад уменьшается. После определенного числа циклов, когда 0л уменьшается до уровня действующих амплитудных напряжений, материал разрушится от распространения трещины в направлении нагружения.

Некоторые из своеобразных характеристик распространения области разрушения у композитов имеют непосредственное отношение к концепции предварительного неразрушающего нагружения (под которым понимается нагружение элемента конструкции, не приводящее к исчерпанию его несущей способности). Имеется в виду такая особенность композитов, как рост трещины в одном из нескольких возможных направлений в зависимости от размеров концентратора напряжения и условий нагружения (статическое или циклическое). Основные принципы метода предварительного неразрушающего нагружения можно сформулировать следующим образом. Если задан некоторый элемент конструкции, обладающий определенным статистическим распределением дефектов, то можно изменить это распределение, используя неразрушающее нагружение. Таким образом, по существу, можно обеспечить отсутствие в конструкции дефектов, превышающих своими характерными размерами некоторый предел. После такого нагружения. основываясь на максимальных начальных размерах дефекта, можно предсказывать время усталостного нагружения конструкции, когда трещина будет расти устойчиво.

Приведены сведения об установке, система нагрева которой дает возможность проводить термоциклирование по заданной программе. Выполнен анализ результатов исследования деформации и разрушения ряда жаропрочных сплавов на никелевой основе в процессе термоциклирования. Установлена связь между видом нагружения (статическое нагружение, механическая усталость при постоянной температуре и термическая усталость) и особенностями развития деформации и разрушения в металлах.

Процесс деформирования материала сопровождается затратой определенного количества механической энергии, подводимой к деформируемому телу тем или иным способом. Изучение этого процесса, приводящего в конечном счете к разрушению материала, для различных условий нагружения (статическое и циклическое) связано с разработкой соответствующих энергетических критериев, в основу которых может быть положен баланс между затраченной, выделившейся и поглощенной материалом энергии. При этом, как известно [54—56], одна часть затраченной на процесс деформирования механической энергии поглощается материалом, вторая часть рассеивается в виде тепла, и уравнение баланса этих составляющих может быть записано в виде

Статическое деформирование сопровождается увеличением размеров пластических зон и уровнем пластических деформаций в них (рис. 6.11). При достижении предельной деформации, зависящей от размера исходной трещины (дефекта), происходит страгивание трещины, скорость роста которой определяется скоростью нагружения и условиями испытаний (температура, жесткость машины и т. д.). Предельная деформация, при которой происходит страгивание трещины, а также окончательное разрушение образца (детали) оказываются меньшими, чем предельная пластичность гладкого образца, в силу стесненности пластической деформации в вершине трещины. При этом предельная деформация в устье трещины при статическом нагружении может быть определена с учетом ее стесненности вследствие объемности напряженного состояния.

углеродным волокном пластиков были разработаны и опробованы в полетных условиях. Однако выявился один существенный недостаток таких лопаток. Основное затруднение, помешавшее решению проблемы, состояло в необходимости их защиты от ударного воздействия посторонних предметов, песка и дождя. Хотя сравнительные данные по эрозионному сопротивлению английских материалов отсутствуют, Стасрэд и др. [31] представили эти данные для ряда композиционных материалов. Указанные авторы перед проведением баллистических ударных испытаний имитировали напряженное состояние лопаток вентилятора и компрессорных лопаток с помощью статического нагружения. Статическое напряжение оказалось достаточным, чтобы вызвать быстрое распространение мелких трещин, возникших при ударном воздействии. Применяли повторные удары с возрастающей энергией до образования сквозных несплошностей в образце или его разрушения. Для имитации поведения различных толщин по сечению лопатки исследовали панели толщиной до 0,125 дюйма (3,1 мм). На рис. 9 сравниваются различные материалы. Следует заметить, что графитно-эпоксидный материал подвергался воздействию напряжений, намного меньших, чем другие материалы [20 000 фунт/кв. дюйм — 14 кгс/мма против 35 000—40 000 фунт/кв.

Если оболочка содержит подкрепляющие элементы (заполнитель, ребра жесткости), то при оценке параметров НДС конструкции необходимо учитывать реакцию этих конструктивных элементов, возникающую в ответ на силовое воздействие со стороны нагруженной оболочки. В общем случае определение этой реакции предполагает на первом этапе решение так называемой контактной задачи, из которого определяются характеристики и НДС подкрепляющих элементов. Затем рассматриваются соответствующие характеру нагружения (статическое или динамическое) условия равновесия зоны контакта, из которых следуют выражения для составляющих реакции qt, отнесенных к глобальной системе координат оболочки.

Условия работы материала при этом виде нагружения существенно отличаются от другого часто встречающегося вида нагружения — плоского изгиба (нагружение неподвижной детали симметричной циклически изменяющейся нагрузкой постоянного направления). В последнем случае усталостному нагружснпю подвергаются только две диаметрально противоположные зоны, расположенные в плоскости действия изгибающего момента. При круговом же изгибе последовательно нагружаются все периферийные зоны сечения. Здесь напряжения ра'стяжения-сжатия, перемещаясь по периферии образца серповидно-охватывающим движением, затрагивают всю периферию образца. Каждая точка поверхности образца в опасном сечении, помимо максимальных напряжений, возникающих при переходе ее через плоскость изгибающего момента, дополнительно подвергается действию последовательно подходящих и уходящих напряжений при вращении образца.

что приведенные в работах /83, 84/ результаты исследований являются основополагающими для двухосного нагружения листовых конструкций. Потеря устойчивости пластического деформирования материалов листовых конструкций (штоские элементы) в условиях двухосного нагружения существенно отличается от данного процесса, протекающего в оболочковых конструкциях (оболочках давления). На данное обстоятельство было обращено внимание в работе /46/ с целью предотвращения попыток использования решений /83, 84/ при оценке несущей способности оболочковых конструкций. В частности, отмечалось, что, во-первых, момент достижения максимального усилия, разрывающего стенку сосудов давления, не совпадает с моментом достижения максимума давления внутри оболочковой конструкции. Во-вторых, неустойчивость пластического течения оболочковых конструкций, связанная с достижением максимального значения внутреннего давления Рпшх (dP I d& - 0), наступает раньше (т.е. при меньших деформациях и напряжениях), чем пластическая неустойчивость, соответствующая максимуму усилия, приложенного к стенке оболочки в направлении наибольшего главного напряжения <з"'ах (d<3\ I cfe = 0). В связи с этим с позиций прочносги оболочковых конструкций, работающих в условиях нагружения внутренним давлением, величины напряжения и равномерной деформации, соответствующие достижению максимального давления, являются предельными, так как их превышение предопределяет процесс самопроизвольного развития деформаций и сопровождается разрушением конструкций.

Для оболочек с мягкими прослойками промежуточных размеров (Кр < к < кк) анализ исчерпания несущей способности на основании критериев потери устойчивости их пластического деформирования в процессе нагружения существенно усложняется. Фактически процедура учета описанных выше явлений, связанных с эффектом контактного упрочнения мягких прослоек, сводится к предварительному определению кривых V(/(K) и 6(к) либо на основании обработки экспериментальных данных, либо расчетным путем по методикам /77/, после чего по соответствующим зависимостям /88/ находятся параметры Ер и т, позволяющие оценить предельное состояние конструкций по критериям потери пластической устойчивости. Однако, как будет показано несколько ниже, в целях упрощения расчетных методик по оценке несущей способности оболочковых конструкций можно пренебрегать данной процедурой уточнения процесса пластической неустойчивости конструкции в процессе их нагружения вследствие ее незначительного влияния на конечный результат.

что приведенные в работах /83, 84/ результаты исследований являются основополагающими для двухосного нагружения листовых конструкций. Потеря устойчивости пластического деформирования материалов листовых конструкций (плоские элементы) в условиях двухосного нагружения существенно отличается от данного процесса, протекающего в оболочковых конструкциях (оболочках давления). На данное обстоятельство было обращено внимание в работе /46/ с целью предотвращения попыток использования решений /83, 84/ при оценке несущей способности оболочковых конструкций. В частности, отмечалось, что, во-первых, момент достижения максимального усилия, разрывающего стенку сосудов давления, не совпадает с моментом достижения максимума давления внутри оболочковой конструкции. Во-вторых, неустойчивость пластического течения оболочковых конструкций, связанная с достижением максимального значения внутреннего давления Ртах (dP I d& = 0), наступает раньше (т.е. при меньших деформациях и напряжениях), чем пластическая неустойчивость, соответствующая максимуму усилия, приложенного к стенке оболочки в направлении наибольшего главного напряжения а"'ах (d<5\ /cfe = 0). В связи с этим с позиций прочности оболочковых конструкций, работающих в условиях нагружения внутренним давлением, величины напряжения и равномерной деформации, соответствующие достижению максимального давления, являются предельными, так как их превышение предопределяет процесс самопроизвольного развития деформаций и сопровождается разрушением конструкций.

Для оболочек с мягкими прослойками промежуточных размеров (1C, < к < кк) анализ исчерпания несущей способности на основании критериев потери устойчивости их пластического деформирования в процессе нагружения существенно усложняется. Фактически процедура учета описанных выше явлений, связанных с эффектом контактного упрочнения мягких прослоек, сводится к предварительному определению кривых у(к) и 6(к) либо на основании обработки экспериментальных данных, либо расчетным путем по методикам /77/, после чего по соответствующим зависимостям /88/ находятся параметры ер и т, позволяющие оценить предельное состояние конструкций по критериям потери пластической устойчивости. Однако, как будет показано несколько ниже, в целях упрощения расчетных методик по оценке несущей способности оболочковых конструкций можно пренебрегать данной процедурой уточнения процесса пластической неустойчивости конструкции в процессе их нагружения вследствие ее незначительного влияния на конечный результат.

Сопротивление малоцикловой прочности, как известно [1, 2, 4], коррелирует с характеристиками пластичности. Применительно к условиям неизотермического нагружения существенно также, что материал подвергается действию всего диапазона переменных температур в каждом цикле нагружения, а пластичность конструкционных материалов в диапазоне реальных температур цикла нагрева, как правило, довольно не постоянна [1, 4], и для многих из них наблюдается «провал пластичности», как это, например, следует из рис. 2, а для жаропрочного сплава ЭП-693Д. Следует отметить также, что располагаемая пластичность многих высоколегированных стареющих конструкционных сталей и сплавов связана с эффектом охруп-чивания и в связи с этим определяется временем циклического деформирования и длительностью пребывания материала при высоких температурах.

В результате проведенного экспериментального исследования установлено, что в условиях высоких температур частота нагружения существенно влияет на характеристики усталости жаропрочных сталей и сплавов.

Если зона нагружения существенно меньше толщины пластины (с < К), то вблизи нагруженной поверхности пластины возникают большие местные напряжения сжатия 1. В центре пластины,- на стороне, противоположной нагруженной, возникают при этом напряжения равномерного двухосного растяжения; мало зависящие от размеров зоны нагружения. Эти максимальные напряжения можно вычислить по формуле

Проведенные испытания модельного узла трения показали, что алмазное выглаживание стали ЗОХГСНА, а также титанового сплава ВТЗ-1, имеющего изолирующие прослойки в виде хрома или газонасыщенного слоя, заметно улучшают фрикционные свойства и работоспособность пар сталь—бронза и титан—бронза. Следует отметить, что без этих технологических мероприятий последняя пара имеет при указанных условиях нагружения существенно большие значения коэффициента трения / и интенсивности износа J (табл. 23), т. е. является практически неработоспособной.

Таким образом, двухчастотные машины должны удовлетворять дополнительному требованию, которое заключается в обеспечении возможности в широком диапазоне варьировать все параметры одной или обеих гармонических составляющих процесса нагружения. Этим достигается возможность варьирования и формы цикла нагружения, так как если отношение частот составляющих равно двум или трем, то результирующая кривая может характеризоваться в пределах каждого цикла дополнительными экстремумами, величина которых выбирается в соответствии с требованиями опыта. В этом случае форма кривой цикла нагружения существенно зависит от сдвига фаз гармонических составляющих, который должен быть зафиксирован. При увеличении отношения частот гармонических составляющих фазовые соотноЩения постепенно перестают влиять на результаты испытаний, и, если это отношение 'становится. больше десяти, то сдвиг фаз практически можно не учитывать. В этом нетрудно убедиться аналитически исследовав результирующую амплитуду в зависимости от фазовых соотношений. Более подробно этот вопрос рассмотрен в гл. VI.

Режим малоциклового неизотермического нагружения существенно влияет на малоцикловую долговечность конструктивного элемента. Сравнение кривых 2 и 4, полученных с помощью МКЭ, показывает, что смещение кривой 4 для синфазного неизотермического нагружения относительно кривой 1 для изотермического режима связано с недостаточным проявлением в полуцикле сжатия (при низких температурах) эффекта "залечивания" повреждений, возникающих в полуцикле растяжения за пределами упругости при высокой температуре, а снижение малоцикловой долговечности в этом случае (на порядок и более) достаточно хорошо подтверждается данными испытаний образцов на малоцикловую усталость.