ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Введение из "Несущая способность конструкций в условиях теплосмен " Значение тепловых напряжений для прочности конструкции по-разному оценивалось на различных этапах развития техники. В литературе можно встретить крайние, диаметрально противоположные высказывания по этому поводу — начиная с предложения оценивать опасность разрушения по суммарным упругим напряжениям от механических и тепловых нагрузок до полного игнорирования последних. Противоречивость точек зрения в какой-то степени отражает тот факт, что влияние, оказываемое тепловыми напряжениями на прочность, может быть различным в зависимости от условий, определяемых свойствами материала и характером воздействий [24, 129, 185, 194, 206 и др.]. [c.5] Из опыта известно, что однократное воздействие неравно-мерн йго температурного поля. может явиться причиной разрушения только хрупких материало1в (стекло, керамика, чугун) Как правило (если исключить случаи возникновения в отдельных элементарных объемах напряженных состояний типа трехосного растяжения [166]), для прочности материалов, обладающих хорошими пластическими свойствами, оно не опасно даже если фиктивные термоупругие напряжения намного превышают предел текучести . Правда, иногда возможны такие нежелательные последствия, как выпучивание или чрезмерная деформация. [c.5] Положение, однако, изменяется коренным образом, если воздействие температурного поля является циклическим. Весьма существенным при. этом является уровень суммарных напряжений. Обычная усталость (при которой максимальные напряжения не превышают предела текучести, и, следовательно, пластические деформации в макрообъемах отсутствуют) в этих условиях, как правило, не наблюдается, поскольку число теплосмен в реальных конструкциях За срок их службы редко превышает несколько десятков тысяч. Разрушения наступают лишь в тех случаях, когда теплосмены сопровождаются повторной пластической деформацией. Этот вид нарушения прочности называют тепловой (или термической) усталостью (хотя по существу его следовало 1бы именовать термопластической усталостью). [c.6] Экспериментальные исследования последних лет показали, что на процессы термической усталости весьма существенное влияние может оказывать ползучесть. При наличии соответствующих условий в отдельных элементарных объемах тела возникает циклическое чередование кратковременной пластической и ползучей (вязкой) деформаций, протекающих в противоположных направлениях. Результаты вопытаний, проведенных на образцах и моделях конструктивных элементов [2, 3, 56, 57, 62, 85, 101, 164, 185], свидетельспвуют о том, что число циклов до разрушения при таком чередовании существенно сокращается. Этот тип разрушения по аналогии можно было бы называть тер МО вязкопластической усталостью, его изучение в чистом виде в настоящее время только начинается. [c.6] В других условиях как при наличии механических нагрузок, так и при несущественном их влиянии теплосмены могут приводить к нарушению работоспособности конструкции вследствие увеличивающейся с каждым циклом односторонней деформации [1, 14, 19, 27, 53, 90, 198, 206, 310, 212]. Соответствующая ситуация получила название прогрессирующего (постепенного) разрушения (по аналогии с мгновенным разрушением упруго-пластической конструкции при исчерпании несущей способности) или прогрессирующего формоизменения. Влияние ползучести и в этом случае может быть усиливающим. [c.6] Наиболее полная и достоверная оценка надежности и долговечности конструкций любого типа и, в частности, тех, которые подвержены воздействиям нестационарных температурных полей, мол ет быть получена ири натурных испытаниях в условиях, приближающихся к эксплуатационным. Такие испытания проводились, например, применительно к турбинным дискам. [c.6] Расчетный метод оценки прочности по локальным значениям напряжений или деформаций применительно к условиям повторных воздействий температурного поля и механической нагрузки должен предусматривать детальное и последовательное во времени исследование кинетики напряженно-деформированного состояния. При этом должны учитываться пути нагружения (которые, как правило, являются сложными), изменение диаграммы деформирования в связи с температурой и повторными нагружениями, ползучесть и ее взаимодействие с кратковременной пластической деформацией. В результате должны быть определены величины, которые могут быть приняты в качестве критерия прочности яри сравнении с экспериментальными данными, полученными в соответствующих условиях. [c.7] Чрезвычайно большие трудности как принципиального, так и технического характера, связанные с таким подходом к проблеме, вполне очевидны. Можно заметить, что, помимо всего прочего, сами пути нагружения конструктивных элементов часто бывают неизвестны (или, иначе говоря, возможно большое разнообразие путей нагружения внутри некоторых интервалов изменения определяющих параметров). Обе стороны проблемы — как расчетно-теоретическая [4, 9, 10, 18, 24, 65, 70—72, 93, 106, 109, 114, 128, 184, 186], так и экспериментальная [1—3, 5, 51, 52, 59, 62, 76, 86, 101, 102, 111, 118, 129, 140, 149, 160,, 172, 185, 192, 193] весьма интенсивно разрабатывались в последние годы. Полученные результаты имеют большое значение для расширения имеющихся в этой области представлений, они позволяют решать частные задачи при некоторых упрощающих допущениях. Однако, несмотря на большие возможности, предоставляемые современной вычислительной техникой, пока еще трудно рассчитывать на разработку в ближайшее время на этой основе общих методов расчета, которые учитывали бы влияние основных факторов, имели достаточное 1экапериментальное подтверждение и были подготовлены для применения в инженерной практике. [c.7] Трудности, связанные с прямым подходом к проблеме, привели к поиску путей, которые лозволили бы, хотя бы приближенно, но с помощью более простых средств, оценивать опасность повторных неизотерми ческих нагружений для прочности объекта. Заметим, что потребность в такой оценке возникает еще на стадии проектирования, когда имеющиеся сведения о конструкции и условиях ее работы не являются достаточно полными. [c.8] При аналогичной ситуации для оценки несущей даособности упруго-пластических конструкций при однократном нагружении широкое применение нащла теория предельного равновесия. Преимущества этой теории по сравнению с традиционной схемой расчета по упругим напряжениям отмечались различными авторами [23, 58, ПО, П2, 123, 124, 127, (136, 137, 141, 175, 176], несмотря на то, что большинство материалов, обладая (В той или иной степени деформационным упрочнением, не отвечает принятому допущению об идеальной пластичности. [c.8] Применительно к условиям повторного нагружения ib последние 10—15 лет существенное развитие получила теория приспособляемости [80, 81, ПО, 112, 123, 127, 141, 173, 174, 176], имеющая глубокую овязь с теорией предельного равновесия. Кроме допущений, используемых в последней, в теории приспособляемости обычно принимается, что диаграмма деформирования (идеализированная) сохраняется неизменной при повторных нагружениях любого типа. [c.8] Как отмечалось, теплосмены могут приводить к разрушению только в том случае, если они сопро(вождаются пластической деформацией, поскольку их число, как правило, слишком мало, чтобы вызвать обычное усталостное разрушение. Поэтому отсутствие пластического течения (исключая ограниченную пластическую деформацию на первых этапах нагружения) может быть принято в качестве достаточного условия прочности. Тем самьгм несущая способность конструкции определяется возможностью возникновения в ней такого стационарного распределения собственных (самоуравновешенных) напряжений, при котором чисто упругое поведение обеспечивается при всех воздействиях, отвечающих условиям работы, а расчет на прочность сводится к задаче теории приспособляемости. [c.8] Начальная стадия развития теории ириопособляемости была связана лреимущественно со стержневыми конструкциями и задачами, интересующими инженера-строителя [189, 207 й др.]. Статическая теорема теории приспособляемости для трехмерной среды была доказана Меланом в 1938 г. [208, 209, 218]. В 1956 г. Койтером была установлена вторая (кинематическая) теорема и затем дано наиболее ясное и последовательное изложение научных основ теории приспособляемости, рассматриваемой как часть общей теории идеальных упруго-пластических сред 80, 81]. [c.9] В Советском Союзе проблемой прочности и деформируемости конструкций при многократных приложениях нагрузки стали интересоваться еще в 30-х годах [97, 116, 159]. Значительный вклад в теорию приспособляемости внесли исследования А. Р. Ржаницына и его учеников [88, 141, 144]. Весьма интенсивно развивалась в СССР теория предельного равновесия [23, 141, 167], да.дьнейшнм обобщением которой является теория приспособляемости. Общепризнанно, что А. А. Гвоздев еще в 1936 г. предвосхитил основные результаты в области, получившей впоследствии название предельного анализа. [c.9] Первые решения задач о приспособляемости сплошных тел содержатся в работах [174, 218]. iB обоих случаях определялось условие знакопеременного течения, которое затем сопоставлялось с условием предельного равновесия. Что касается одностороннего нарастания деформаций (прогрессирующее разрушение), то известные здесь примеры (при изотермическом нагружении) ограничивались до последнего времени несколькими стержневыми системами, причем обнаружены они были в значительной степени интуитивным путем [110, 173, 176]. [c.9] Возможность распространения ста-гической теоремы. на случай температурных циклов приблизительно в то же время отмечалась В. И. Розенблюмом [143], которым позднее было предложено также соответствующее обобщение кинематической теоремы [145]. [c.10] Условие прогрессирующего разрущения при теплосменах в ряде работ изучалось путем непосредственного анализа, иногда на примере простейшей стержневой системы, без использования основных теорем [170, 188, 190, 191, 200, 201, 210]. Заметим, что эта проблема приобрела особую актуальность в связи с развитием атомной энергетики. [c.10] В последние годы было выяснено, что задача определения предельных и приспособляющих нагрузок в математическом отношении является проблемой математического программирования (оптимального планирования) и, следовательно, может изучаться на основе специальных методов, получивших развитие, главным образом, в связи с задачами управления и планирования и широко использующих ЭВМ [67, 187]. Методы линейного программирования были применены в работах [87, 142, 205] к анализу предельного равновесия пластин и оболочек, а в цикле статей [181, 182 и др.] —к задачам предельного равновесия, приспособляемости и оптимального проектирования стержневых систем. [c.10] Среди других публикаций последних лет, посвященных применению теории приспособляемости к задачам изотермического нагружения, отметим исследование [55], в котором изучается поведение идеального упруго-пластического полупространства при повторных перекатываниях по его поверхности жесткого цилиндра, прижатого некоторым усилием, а также работу [204], где обсуждается вопрос о постановке задач теории приспособляемости в обобщенных усилиях. [c.10] Вернуться к основной статье