2
СОДЕРЖАНИЕ
стр.
ВВЕДЕНИЕ............................................................ 4
1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ ПО ТЕМЕ ДИССЕР ТАЦИИ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ.................................................. 7
1.1. Остаточные напряжения в деталях с концентраторами и методы их определения................................................... 7
1.2. Влияние остаточных напряжений на сопротивление усталости. 13
1.3. Прогнозирование предела выносливости деталей............ 16
1.4. Выводы и задачи' исследования........................... 26
2. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КОНЕЧНО - ЭЛЕМЕНТНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРИ ИССЛЕДОВАНИИ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ В УПРОЧНЁННЫХ ПОЛЫХ ЦР1ЛИНДРИЧ ЕСКИХ ОБРАЗЦАХ С НАДРЕЗОМ ПОЛУКРУГЛОГО ПРОФИЛЯ............................................... 28
2.1. Использование метода конечных элементов при решении краевых задач механики деформируемого твёрдого тела (МДТТ)........... 29
2.1.1. Основные положения о методе конечных элементов..... 29 *
2.1.2. Основные уравнения и соотношения теории упругости, реализуемые МКЭ в форме перемещений.................. 32
2.2. Выбор расчётных комплексов для решения задачи о перераспределении осевых остаточных напряжений в цилиндрическом образце с полукруглым надрезом.................... 34
2.3. Определение остаточных напряжений в полых цилиндрических образцах с надрезом полукруглого профиля с использованием программных комплексов NASTRAN \ РАППАМ и АЫБУБ.............. 35
2.3.1. Решение задачи определения остаточных напряжений в полых цилиндрических образцах с надрезом полукруглого профиля с использованием расчётного комплекса НА8Т11АЫ \ РАТЯЛМ... 38
2.3.2. Решение задачи определения остаточных напряжений в полых
3
цилиндрических образцах с надрезом полукруглого профиля с использованием расчётного комплекса ЛИБУБ................. 42
2.4. Сравнительный анализ результатов расчёта остаточных напряжений с использованием комплексов КАБТЯАЫ \ РАТЯАН и А^УБ......................................................... 46
2.5. Выводы по разделу........................................ 46
3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ И ПРОВЕДЕНИЕ ИСПЫТАНИЙ НА УСТАЛОСТЬ............................................. 48
3.1. Экспериментальное определение остаточных напряжений в гладких цилиндрических образцах и деталях............................ 48
3.2. Упрочнение цилиндрических образцов пнсвмодробеструйной обработкой и обкаткой роликом................................ 56
3.3. Проведение испытаний на усталость........................... 59
3.4. Выводы по разделу......................................... 64
4. ВЛИЯНИЕ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ НА ПРЕДЕЛ ВЫНОСЛИВОСТИ ПОЛЫХ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ДЕ ТАЛЕЙ С ПОСТОЯННОЙ ТОЛЩИНОЙ СТЕНКИ......................................... 65
4.1. Распределение остаточных напряжений в наименьшем поперечном сечении полой цилиндрической детали после нанесения надреза полукруглого профиля......................................... 65
4.2. Распределение остаточных напряжений по толщине поверхностного слоя гладкой детали........................... 69
4.3. Распределение остаточных напряжений в полых цилиндрических образцах с надрезом......................................... 76-
4.4. Испытания на усталость образцов из стали 20, сплавов В95 и Д16Т
с надрезами полукруглого профиля............................... 84
4.5. Выводы по разделу........................................... 89
ЗАКЛЮЧЕНИЕ......................................................... 91
ЛИТЕРАТУРА......................................................... 92
ПРИЛОЖЕНИЕ!....................................................... 112
ВВЕДЕНИЕ
Основными задачами современного машиностроения, транспорта, авиа- и ракетостроения являются снижение материальных, трудовых затрат при создании и изготовлении более совершенных машин, снижение массы изделий с одновременным повышением их срока службы, надёжности и долговечности. Обеспечение выполнения столь разнообразных задач возможно лишь при применении в конструкциях и изделиях всё более сложных, многофункциональных деталей и узлов. Такой подход неизбежно приводит к конструированию и производству деталей с разнообразными концентраторами напряжений. Именно такие детали, работая в условиях знакопеременных нагрузок, определяют, в основном, допустимый срок службы машин и, в существенной мере, влияют на выбор типа конструкций и материалов. Возможности конструкторских решений, применение материалов с более высокими свойствами всех проблем не решают.
Конструктивные методы повышения прочности при переменных на!рузках приводят к увеличению массы конструкций и количества комплектующих, усложнению технологии изготовления, ухудшают унификацию и стандартизацию.
В связи ' с тем, что современные материалы являются очень чувствительными к концентрации напряжений, не удаётся поднять нижнюю границу сопротивления усталости при их применении. Поэтому основным резервом повышения сопротивления усталости деталей с концентраторами напряжений является применение современных упрочняющих технологий.
Проблеме повышения сопротивления усталости деталей с концентраторами напряжений в последнее время уделяется повышенное внимание как отечественными, так и зарубежными исследователями. Исследования последних лет в этой области позволили выявить влияние конструктивных (степень концентрации, тип концентратора), технологических (материал, методы поверхностного упрочнения, последовательность нанесения
5
концентратора) и эксплуатационных (асимметрия цикла, рабочая температура) факторов на уровень остаточных напряжений, установить связь между остаточными напряжениями и характеристиками усталости с помощью различных расчётно-экспериментальных зависимостей.
Однако, многие проблемы, связанные с влиянием остаточных напряжений на сопротивление усталости деталей с концентраторами напряжений, требуют своего решения.
Предпринимались попытки оценить влияние остаточных напряжений на предел выносливости упрочнённых цилиндрических полых образцов и деталей различного диаметра с концентраторами напряжений. Но известные из литературных источников данные об оценке приращения предела выносливости разобщены, имеют большой разброс, а порой противоречивы. Поэтому оценка влияния остаточных напряжений на сопротивление усталости цилиндрических полых деталей различного диаметра является, актуальной-, задачей теории и практики производства деталей машин:
Целью данной работы является разработка методики прогнозирования-предела выносливости полых цилиндрических упрочнённых деталей с концентраторами напряжений после опережающего поверхностного пластического деформирования (ОППД) по результатам определения остаточных напряжений в образцах-свидетелях.
Диссертация состоит из введения и четырёх разделов. В первом разделе содержится обзор литературы по теме диссертации, формулируются задачи исследования. Во втором разделе разработана конечно-элементная модель определения распределения остаточных напряжений в упрочнённых цилиндрических образцах с полукруглым надрезом с применением расчетных комплексов ЫАЗТЯАТТ \ РАТЮШ и АЫЗУБ. Третий раздел посвящён экспериментальному определению- остаточных напряжений в гладких цилиндрических образцах и проведению' испытаний на усталость. В данном разделе изложена методика определения остаточных напряжений в гладких полых цилиндрических образцах, представлено описание оборудования для
испытаний на усталость. В четвёртом разделе представлены закономерности распределения дополнительных остаточных напряжений в наименьшем поперечном сечении упрочнённой полой цилиндрической детали после нанесения надреза полукруглого профиля и результаты испытаний на усталость для образцов из стали 20, сплавов В95 и Д16Т.
На защиту выносятся следующие результаты:
- исследование закономерностей распределения остаточных напряжений в цилиндрических полых деталях после опережающего поверхностного пластического деформирования (ОППД) с использованием программных комплексов ЫАЗТКАЫ \ РАТЮШ и АЫ8У8, сравнительный анализ результатов;
- оценка влияния сжимающих остаточных напряжений в условиях концентрации на предел выносливости полых цилиндрических образцов;
- сравнительный анализ сжимающих остаточных напряжений в полых цилиндрических деталях с одинаковой толщиной стенки после упрочнения;
- прогнозирование предела выносливости полых цилиндрических деталей различного диаметра с концентраторами напряжений.
Диссертация выполнена на кафедре сопротивления материалов Федерального государственного бюджетного учреждения высшего профессионального образования «Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королёва (национальный исследовательский университет)».
1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ И
ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ
Исследованию остаточных напряжений и их влияния на сопротивление усталости деталей машин посвящена обширная литература. В данном литературном обзоре рассмотрены методы определения остаточных напряжений и прогнозирования предела выносливости. Первые работы о роли остаточных напряжений и их влиянии на сопротивление усталости были опубликованы более века назад русскими учёными Калакуцким Н.В. и Умновым И.А. Существенный вклад в развитие теории остаточных напряжений и изучение их роли в сопротивлении усталости внесли отечественные учёные Биргер И;А., Гликман Л:А., Давиденков Н.Н;, Иванов; С.И., Кравченко Б:А., Кудрявцев.И.В., Одинг И:А., Паншев Д.Д., Туровский МЛ., Школьник Л.М., а также зарубежные учёные Алмен И., Бюлер Г., Дои О;, Закс Г., Тум А. и другие:
1:1.. Остаточные напряжения в деталях с концентраторами и методы
их определения
В большинстве работ учёных, проводящих исследования в данном-направлении, рассматриваются остаточные напряжения в гладких деталях [1, 9, 13, 15, 30, 112]. Эти работы были неоднократно проанализированы в диссертациях [22, 23, 33, 43, 90, 141] и обзорных статьях [16, 17, 38, 86]. Однако наиболее важными, с практической точки зрения, являются остаточные напряжения, возникающие в местах резкого нарушения призматической' формы- деталей, поскольку именно здесь зарождаются трещины усталости, приводящие к разрушению.
Рассмотрим работы, в которых изложены расчётно-экспериментальные-методы определения остаточных напряжений в деталях и образцах с концентраторами напряжений. В работе [18] определялись остаточные напряжения в деталях сложной формы, из которых электроэрозионным
методом вырезались стержневые образцы. С криволинейной части этих образцов электрохимическим травлением удалялись слои материала и с помощью тензорезисторов измерялись деформации в продольном направлении. Дополнительные остаточные напряжения, возникающие при вырезке образца из детали, не учитывались, т.к. глубина залегания остаточных напряжений по сравнению с размером сечения образца предполагалась малой. Изложенный способ применим для определения остаточных напряжений в деталях больших размеров и только для исследования одноосного напряжённого состояния.
Определению остаточных напряжений в деталях сложной формы посвящена статья [32], в которой исследуются образцы, вырезанные из детали в галтельных переходах. Исследование образцов проводилось методом послойного удаления материала с криволинейной части и измерения перемещений. Пример по определению остаточных напряжений в галтели, приведённый в этой работе, показывает, что такой приём может применяться только для деталей и концентраторов больших размеров. Кроме того, в данной работе было принято допущение, что напряжённое состояние одноосное, что не соответствует действительности.
В работах [137,'138] использован аналогичный подход при рассмотрении концентрации остаточных напряжений во впадинах зубьев шестерён. С помощью фигурного электрода электрохимическим методом вырезался образец с поверхностью, эквидистантной поверхности впадины, и остаточные напряжения находились при послойном удалении материала с поверхности и измерении перемещений, которые при этом возникают. При вырезке образца учитывались дополнительные остаточные напряжения. Для упрощения расчётов было сделано предположение о том, что участок впадины зубьев имеет вид дуги окружности. Вместе с тем предполагалось, что остаточные напряжения по исследуемой поверхности впадины распределяются равномерно. В статье впервые описано прямое определение концентрации остаточных напряжений. Для этого напряжения во впадинах зубьев шестерён сравнивались с напряжениями аналогично обработанных плоских образцов.
9
Наблюдалась существенная концентрация остаточных напряжений, что невозможно из-за малой толщины упрочнённого слоя. Такое расхождение связано с необоснованным применением теории изгиба при определении дополнительных напряжений от вырезки образца.
В статье [122] рассмотрено определение концентрации остаточных напряжений на дне кругового надреза цилиндрической детали. Применялся метод колец и полосок, который широко используется при исследовании цилиндров. В приведённых в работе формулах не учтены дополнительные остаточные напряжения, которые возникают после вырезки из детали колец и полосок. Кроме того, при установлении связи между остаточными напряжениями полоски и её прогибами использовалась теория брусьев, что недопустимо, т.к. нагрузки, эквивалентные удалению слоев на дне надреза, приложены на участке, длина которого меньше размера поперечного сечения.
В монографии [131] рассмотрен метод определения остаточных напряжений во впадинах ёлочного замка лопатки турбины. Учитывались только осевые напряжения, для определения которых использовалась теория изгиба брусьев. Второй компонент - окружные напряжения не рассматривались, несмотря на то, что они оказывают наибольшее влияние на сопротивление усталости замка. Допущение о том, что окружные остаточные напряжения не оказывают влияния на прогибы образца, при удалении слоев, является несправедливым. Как показано в работах [43, 44], это влияние существенно и должно учитываться. В. статье [119] наряду с полосками вдоль пазов, замка лопатки вырезались полоски в поперечном направлении и определялись окружные остаточные напряжения методами сопротивления материалов, применение которых в данном случае некорректно.
В статье [150] делается вывод о том, что если остаточные напряжения имеют выраженную локализацию, то формулы метода удаления слоев, основанные на представлении деформации с помощью растяжения-сжатия и чистого изгиба, могут дать существенную погрешность. Различие в результатах увеличивается при увеличении отношения высоты полосы, у которой
- Київ+380960830922