ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Малоцикловая прочность тонкостенных оболочечных конструкций из "Прочность конструкций при малоцикловом нагружении " К тонкостенным оболочечным конструкциям относится большая группа листовых конструкций, используемых в химической, энергетической, нефтеперерабатываюш ей, газовой, металлургической и смежных отраслях промышленности. Это сосуды и аппараты, газгольдеры и резервуары, бункеры и силосы, магистральные трубопроводы и листовые конструкции доменных комплексов. Обилий объем производства листовых оболочечных конструкций в нашей стране достигает 5—6 млн. т в год, что составляет примерно 55% от веса всех возводимых металлических сооружений. Поэтому уточнение методики расчета таких конструкций и разработка мероприятий по увеличению их долговечности являются важной инженерной проблемой. [c.135] В основных нормативных документах, используемых в настоя-гцее время на стадии проектирования (см. гл. 1), предусматривается расчет тонкостенных металлических оболочек на действие статических нагрузок. Однако в действительности в процессе эксплуатации такие конструкции подвергаются многократным повторно-статическим и нерегулярным циклическим воздействиям, вызванным периодическим накоплением и опорожнением резервуаров и сосудов, профилактическими осмотрами и ремонтами конструкций, периодическим изменением давления в газгольдерах, магистральных трубопроводах, химических аппаратах. Поскольку в области краевого эффекта, в зонах концентрации напряжений (вблизи патрубков, штуцеров, фланцевых и других видов соединений) пластические деформации развиваются при относительно низких номинальных напряжениях, то циклическое пластическое деформирование приводит к возникновению в этих зонах усталостных трегцин при весьма малом числе циклов нагружения, составляющем 10 —10 . [c.135] Нужно отметить, что получение и использование в расчете всего комплекса перечисленных данных для оболочечных конструкций вызывают в настоящее время значительные трудности. В этой связи ниже приведены результаты экспериментального изучения распределения и перераспределения напряжений и деформаций в зонах максимальной нагруженности, а также достижения предельных состояний для разработки инженерной методики определения малоцикловой прочности и ресурса оболочечных конструкций. [c.137] Для элементов конструкций, напряженное состояние которых близко к плоскодеформированному или является осесимметричным, распределение упругопластических деформаций может быть получено (см. гл. 8) численными методами (методами упругих решений, сеток, МКЭ и др.). [c.137] Для несимметричных пространственных конструкций сложной формы (например, зон сопряжений элементов оболочек) аналитические решения в замкнутом виде отсутствуют, а реализация решений численными методами с помощью современных ЭВМ сопряжена с большими трудностями (даже в линейной постановке). Вместе с тем область примыкания патрубка к цилиндрической (или конической) оболочке является основным расчетным элементом таких ответственных листовых конструкций, как газгольдеры, нефтехимические аппараты, магистральные трубопроводы и др. Решение этой задачи представляется важной инженерной проблемой, ибо разрушение зоны примыкания патрубков послужило причиной многих аварий емкостных конструкций, корпусов аппаратов и магистральных трубопроводов. [c.137] Еще большие трудности представляет расчет плавного торообразного сопряжения патрубка с обечайкой в то же время отбортовка отверстия в оболочке, или вварка специально профилированного патрубка обеспечивает оптимальную форму и высокую технологичность этого ответственного соединения. [c.137] Проведение подобных исследований на моделях различной конфигурации позволяет установить закономерности влияния на напряженное состояние и на протяженность зоны краевого эффекта таких конструктивных факторов, как радиус отбортовки. [c.138] Вместе с тем установлено, что в реальных конструкциях в зоне примыкания патрубка пластические деформации возникают при весьма низких номинальных напряжениях, составляющих примерно 0,2от- Поэтому для определения фактических внутренних усилий в этой зоне необходимо проведение испытаний крупномасштабных моделей, выполненных из натурного материала и нагруженных в упругопластической области. Кроме того, как отмечалось выше (см. гл. 1, 2, 3), для уточненных расчетов малоцикловой прочности необходимо учитывать кинетику деформированного состояния расчетных сечений при повторном нагружении. Для неосесимметричных задач теории оболочек перераспределение упругопластических деформаций на каждом цикле нагружения может быть изучено в настоящее время преимущественно экспериментальным путем. Проведение таких экспериментальных исследований сопряжено с измерением полей упругопластических деформаций, характеризующихся значительным градиентом при этом возникает необходимость измерения и регистрации больших пластических деформаций в процессе циклов нагружения и малых упругих деформаций при разгрузке. Из известных методов измерения полей упругопластических деформаций на плоскости обычно используются методы оптически активных покрытий, муаровых полос и малобазные тензорезисторы. [c.139] При проведении испытаний крупномасштабных моделей и натурных конструкций для измерения циклических упругопластических деформаций при нормальных температурах главным образом используют специализированные тензорезисторы [4]. Их характеристики не зависят от градиента деформаций, а ресурс таких тензорезисторов обеспечивает проведение измерений вплоть до разрушения конструкций при размахе деформаций, достигающем 2% коэффициент тензочувствительности в процессе циклического деформирования остается практически постоянным. [c.139] Согласно экспериментальным данным по всем испытанным сосудам (вне зависимости от их конструктивных особенностей) максимальные деформации и напряжения возникли в зоне примыкания патрубка, в сечении продольной симметрии 9=0. [c.140] В процессе увеличения нагрузки происходит существенное перераспределение напряжений протяженность пластически деформированной зоны достигает 1,0—1,3 радиуса патрубка коэффициент концентрации напряжений хотя и снижается с 2,5—3,3 в упругойобласти до 1,3—1,5 в пластической, однако при этом уровень экстремальных напряжений становится значительным — (1,1-1,2) От. [c.141] При повторных нагружениях постоянным пульсирующим циклом (ог0 =0,7 0т) амплитуда деформаций в процессе 4—6 циклов уменьшается на 5—7%, после чего наступает практически полная стабилизация деформированного состояния. Уровень напряжений к 5—6-му циклу нагружения возрастает примерно на 10—12% (пунктирные кривые на рис. 7.6), а затем стабилизируется. Обусловлено это тем, что материал оболочки — циклически стабилизирующаяся сталь МСт. Зсп кроме того, пластическая зона весьма локализована и подвержена сдерживающему влиянию упругодеформированной оболочки и патрубка. [c.141] Малоцикловая прочность испытанных соединений сопоставлена с результатами расчетной оценки, выполненной с использованием деформационных критериев малоциклового разрушения. [c.143] Па рис. 7.7 показаны форма, размеры испытанных соединений и схема их нагружения. На этом же рисунке приведена схема установки в исследуемых сечениях тензорезисторов. [c.143] Образцы типов I, II, и III были изготовлены из листа малоуглеродистой стали (стт = 250 МПа, Пв = 446 МПа, ф = 70%) тол-ш иной S = 32 мм и сварены вручную электродами УОНИ-13/50. Статическое и циклическое нагружение этих образцов проводили на испытательной машине ЦДМ-1200 (в ЦНИИСК им. В. В. Кучеренко). Образцы типа IV изготовлены из аустенитной стали (пт = 105 МПа, (Тв = 1150 МПа, ф = 60%) толш,иной s = 40 мм сварка выполнялась угловыми швами с дополнительным оплавлением зоны сопряжения в аргоне. Образцы этого типа испытывали на специально сконструированном стенде, обеспечиваюш ем их осесимметричный изгиб статической и циклической пульсирующей нагрузкой. [c.143] Перед испытанием образцов для каждого типа соединений проводили оценку уровня остаточных напряжений методом разгрузки локальных участков металла шва и околошовной зоны. С этой целью на шве и в зоне термического влияния сварки устанавливали розетки тензорезисторов (с базой 1 мм). Выфрезерованные участки представляли собой квадрат со стороной 3—3,5 мм глубина реза около 2 мм. Во всех образцах, изготовленных из стали 20 К, максимальный уровень остаточных напряжений был получен в околошовной зоне в срединной части (по ширине) пластины и достигал 0,5—0,7 Стт. В образцах типа IV остаточные напряжения определяли вдоль радиуса круглой пластины. [c.144] На рис. 7.8 показано распределение начальных остаточных напряжений в исходном состоянии и после 10 циклов нагружения при уровне номинальных напряжений = 0,7 Стт-Можно видеть, что при сложном очертании эпюр остаточных напряжений, многократно изменяющих знак эпюры (что характерно для сварных соединений аустенитных сталей), циклическое нагружение приводит не только к снижению уровня, но и к изменению характера распределения остаточных напряжений. [c.145] Распределение упругопластических деформаций в области концентрации напряжений в образцах по рис. 7.7 измеряли специализированными цепочками фольговых двухмиллиметровых тензо-резисторов. Эпюры интенсивности деформаций е и размахов интенсивности Ае деформаций для различных уровней относительных номинальных напряжений а /ат приведены на рис. 7.9. Кривые построены по результатам измерений, полученных при испытании 2—3 однотипных образцов пунктиром показан размах Ае деформаций для стабилизировавшегося состояния. Характер эпюр е и Ае свидетельствует о значительной концентрации упругопластических деформаций вблизи шва. Локализация деформаций в рассматриваемых сечениях увеличивается с ростом нагрузки и сохраняется при циклическом нагружении. [c.145] На рис. 7.10 построены зависимости коэффициентов концентрации деформаций и напряжений от уровня номинальных напряжений в упругопластической стадии деформирования. Из приведенных данных видно, что в процессе повышения номинального напряжения до уровня ц а-г коэффициент концентрации деформаций увеличивается от 1,5—2,5 до 5—6, а коэффициенты напряжений снижаются от 1,6- 2,3 до 1,25-f-1,3, что согласуется с данными гл. 1, 2 и 11. [c.145] Все исследованные образцы типов I, II и III (по рис. 7.7) были доведены пульсирующим циклическим нагружением до образования макротрещины в диапазоне числа циклов 10 ч- 10 . Трещины протяженностью до 20—30 мм развивались, как правило, в зоне сплавления вблизи кромки сварного шва, т. е. в той зоне сечения, где размахи интенсивности деформаций Ае достигали максимальных значений (см. рис. 7.9). [c.145] Вернуться к основной статье