Упругопластическая модель роста усталостных поверхностных трещин в толстостенных конструкциях при двухосном нагружении

Инженерный журнал: наука и инновации

# 3·2017 1

УДК 620.178.3 DOI 10.18698/2308-6033-2017-3-1596

Упругопластическая модель роста усталостных

поверхностных трещин в толстостенных конструкциях

при двухосном нагружении

Омский государственный технический университет, Омск, 644050, Россия

Представлена модель роста поверхностных трещин в толстостенных элементах

конструкций под действием двухосного циклического нагружения. По результатам

испытания крестообразных образцов получены экспериментальные данные, на ос-

новании которых установлена зависимость скорости роста поверхностных трещин

от степени двухосности нагружения. С помощью программы ANSYS исследовано

поле деформаций в окрестности трещин с учетом упругопластических свойств ма-

териала. Разрушение в вершине усталостной трещины представлено как комбина-

ция хрупкого разрушения в вершине трещины и вязкого разрушения в зоне развития

пластических деформаций. Предложена формула для определения скорости роста

усталостных поверхностных трещин с учетом хрупкого и вязкого параметров

напряжений в вершине трещины.

Ключевые слова:

поверхностная трещина, двухосное нагружение, крестообраз-

ный образец, метод конечных элементов, хрупкая и пластическая зоны, скорость

роста трещины

Введение.

При эксплуатации таких объектов, как цилиндриче-

ские и сферические резервуары, сосуды и аппараты высокого давле-

ния, ракетные корпуса, магистральные трубопроводы, работающие

под воздействием высокого внутреннего давления, необходимо оце-

нивать их прочность и ресурс работы при наличии трещиноподоб-

ных дефектов. Рост трещин в процессе эксплуатации таких кон-

струкций может привести к образованию утечек и даже разрушений с

очень серьезными последствиями [1–6].

Наиболее опасными из элементов сосудов и резервуаров высоко-

го давления являются цилиндрические оболочки с продольными

трещинами, поскольку в оболочке кольцевые напряжения являются

наибольшими, инициирующими раскрытие именно продольных тре-

щин, перпендикулярных этим напряжениям.

Отметим, что проблему разрушения и предельных состояний для

сосудов давления, имеющих поверхностные трещины, решают, ис-

пользуя аналитические [2–4, 7] и численные методы анализа напря-

жений и деформаций [5, 9, 11], а также данные экспериментальных

исследований [8, 13, 16], что позволяет полномасштабно оценить по-

лученные результаты.