Оболочечных элементов

В очередном выпуске приведены результаты исследований накопления повреждений и образования трещин, динамической концентрации напряжений вокруг отверстий, больших прогибов гибких оболочечных элементов и процессов газо- и гидростатического формования. Проанализированы вопросы устойчивости оболочек, включая многослойные оболочечные конструкции, при простом и комбинированном нагружениях. Рассмотрены методы расчета лепестковых упругих муфт, многослойных сосудов давления, динамических характеристик пластинчатых систем, а также другие вопросы прочности как в общей постановке для широкой номенклатуры машиностроительных конструкций, так и в виде конкретных рекомендаций для определенных узлов и деталей машин.

Универсальность применения нового способа упрочнения обеспечивается интенсивно разрабатываемыми мартенситно стареющими сталями, получившими за рубежом название марейджинг. Их упрочнение до значений порядка 200 кГ/мм2 и выше достигается путем старения при относительно невысокой температуре стали, находящейся в высокопластичном состоянии. Такая обработка высокотехнологична: отпадают коробление и остаточные напряжения, свойственные объемной закалке; становится возможным получить сложнейшие оболочечные конструкции с большими перепадами жестко-стей, практически не ограниченные размером, поскольку отпадает необходимость в высокотемпературных печах и закалочных баках. Одним словом, мартенситно стареющие стали делают подлинную революцию в технологии, резко снижая ее трудоемкость.

В комбинированные материалы высокопрочные стали входят в различных формах. В ряде случаев комбинированный материал образуется упрочнением основного стального элемента волокнистыми материалами, имеющими значительно более высокую удельную прочность, чем сталь (например, осесимметричные оболочечные конструкции, имеющие отношение главных напряжений 1:2, оплетенные высокопрочным однонаправленным стеклопластиком). При этом может быть легко достигнута удельная прочность 30—36 кГ/мм2, что отвечает при эквивалентном весе пределу прочности •стали сгв = 230 -ь- 280 кГ/мм-.

Таким образом, рассматриваемые оболочечные конструкции являются термически высоконагруженными и имеют зоны концентрации напряжений, в которых происходит накопление малоцикловых повреждений и возникают циклические необратимые деформации.

Монография посвящена анализу условий работы высоконагруженных конструкций (энергетические установки, летательные аппараты, роторы, сосуды давления, тонкостенные оболочечные конструкции, сварные строительные конструкции, узлы разъемных соединений) и критериев эксплуатационного повреждения при малоцикловом нагружении. Излагаются методы расчетного и экспериментального определения напряженно-деформированных и предельных состояний на образцах, моделях и натурных конструкциях.

Применительно к тонкостенным конструкциям (сосуды давления, компенсирующие устройства, листовые и оболочечные конструкции, торовые уплотнения) для оценки их малоцикловой прочности необходимы расчетный и экспериментальный анализ напряженно-деформированных состояний в кинетической постановке, особенностей возникновения предельных состояний по обра-

Тонкостенные оболочечные конструкции широко используются в различных отраслях техники в качестве сосудов давления, уп-лотнительных и компенсирующих устройств, планеров самолетов и элементов авиационных двигателей, корпусов судов и других транспортных средств. В процессе эксплуатации многие из них часто подвержены интенсивным силовым и температурным воздействиям. Длительное статическое и циклическое деформирование конструкций в этих условиях ведет к прогрессирующему формоизменению, местной или общей потере устойчивости, накоплению повреждений и разрушению их наиболее нагруженных элементов.

При изучении вибраций газотурбинного двигателя (ГТД) (частоты, формы, амплитуды) и методов уравновешивания их роторов значительное внимание уделяется анализу совместных колебаний систем ротор — опоры — корпус, при этом корпус рассматривают как балочную конструкцию. Однако такое допущение недостаточно полно, ибо корпусы представляют собой, большей частью цилиндрические оболочечные конструкции. Поэтому расчет собственных частот колебаний корпусов следовало бы проводить как оболочек. Это необходимо потому, что одной из возможных причин повышенных вибраций корпуса могут оказаться резонансные режимы, связанные с совпадением роторных частот с собственными частотами колебаний оболочки, измеряемые датчиками, установленными на корпусах либо на опорах турбомашины.

Таким образом, рассматриваемые оболочечные конструкции являются термически высоконагруженными и имеют зоны концентрации напряжений, в которых происходит накопление малоцикловых повреждений и возникают циклические необратимые деформации.

35. Тонкостенные оболочечные конструкции: Пер. с англ. / Под ред. Э. И. Григолюка. М.: Машиностроение, 1980. 607 с.

240. Тонкостенные оболочечные конструкции: Теория, эксперимент и проектирование / Пер. с англ. К.Г. Бомштейн, A.M. Васильев; Ред. Э.Г. Григолюк. — М.: Машиностроение, 1980. — 607 с.

• пользователь может создавать твердотельные подмодели из оболочечных элементов грубой модели.

В очередном выпуске приведены результаты исследований накопления повреждений и образования трещин, динамической концентрации напряжений вокруг отверстий, больших прогибов гибких оболочечных элементов и процессов газо- и гидростатического формования. Проанализированы вопросы устойчивости оболочек, включая многослойные оболочечные конструкции, при простом и комбинированном нагружениях. Рассмотрены методы расчета лепестковых упругих муфт, многослойных сосудов давления, динамических характеристик пластинчатых систем, а также другие вопросы прочности как в общей постановке для широкой номенклатуры машиностроительных конструкций, так и в виде конкретных рекомендаций для определенных узлов и деталей машин.

Проведено комплексное исследование задач, связанных с расчетной оценкой долговечности высоконагруженных элементов конструкций при неизотермическом малоцикловом нагружении. Приведены результаты численного исследования кинетики напряженно-деформированного состояния в опасных зонах оболочечных элементов конструкций при малоцикловом термомеханическом нагружении. Предложены интерполяционные соотношения для инженерной оценки максимальных упругопластических деформаций в опасных точках деталей. Выполнены расчеты долговечности высоконагруженных оболочечных конструкций при малоцикловом термомеханическом нагружении на основании деформационно-кинетического критерия прочности и правила суммирования усталостных и квазистатических повреждений.

Рис. 2.47. Конструктивные схемы переходной от фланца к оболочке зоны типичных оболочечных элементов:

Один из наиболее важных факторов, обусловливающих высокий уровень концентрации напряжений, — перекос в стыковочном узле фланцев оболочечных элементов, соединенных телескопическим кольцом. Такие перекосы были зафиксированы как в стендовых испытаниях, так и при эксплуатации. Жесткое защемление фланцев в телескопическом кольце, обусловленное их перекосом, предопределяет концентрацию механических сил в процессе работы узла.

3.2. ПРОЧНОСТЬ ОБОЛОЧЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИЙ

Создание методов инженерного расчета на прочность при малоцикловом неизотермическом нагружении оболочечных элементов с фланцами — одна из актуальных задач термопластичности и малоцикловой прочности [ 2, 16,19, 24,25, 37,41 ].

Конструктивные особенности оболочечных элементов конструкций, работающих при высоких термоциклических нагрузках. Корпус газотурбинной установки представляет собой последовательное соединение корпусных оболочечных элементов: компрессора 1, камеры сгорания 2, турбины 3 и выхлопного устройства, состоящего из диффузора 4 и соплового устройства 7, соединенных с помощью телескопического кольца б, а также воспламенителя 5 (рис. 4.1). Перечисленные оболочечные элементы имеют сложную конструктивную форму и представляют сочетание плоских круглых пластин (фланец), цилиндрических и конических оболочек (корпус), сопряженных переходными поверхностями (рис. 4.2).

Отмеченные особенности конструкции оболочечных элементов необходимо учитывать при определении полей напряжений и деформаций, а также при построении расчетной модели и обосновании расчетного метода определения НДС в опасных зонах.

Еще одна важная особенность рассматриваемых конструкций оболочечных элементов — сочетание относительно жесткого фланца и тонкостенной (отношение толщины к радиусу в переходной зоне h/R = = 0,01 ... 0,005) оболочки. Кроме того, переходные поверхности имеют малые радиусы (г = 0,6 ... 2 мм). Вследствие этих особенностей, а также значительных размеров корпусов (2R = 950 мм, L = 850 мм) в

Отказы оболочечных элементов, возникающие при эксплуатационных и стендовых испытаниях изделий вследствие роста трещин в зонах концентрации напряжений, указывают на необходимость обстоятельного исследования НДС в этих зонах с учетом реологических эффектов и результатов апробации метода оценки прочности при малоцикловом неизотермическом нагружении.