Preview

Вестник Концерна ВКО «Алмаз – Антей»

Расширенный поиск

Ползучесть материалов в специальных конструкциях

https://doi.org/10.38013/2542-0542-2016-1-106-113

Полный текст:

Аннотация

Предложена методика расчета наукоемких изделий при воздействии на них статических механических нагрузок при комнатных температурах. Проведенные численные расчеты на образцах из инертных материалов дают предварительные оценки величины прогибов и деформаций ползучести в конструкциях. Исследуется возможность переноса результатов численных расчетов на масштабные модели.

Для цитирования:


Горюшкин Д.С., Зуев Ю.С., Стахеев А.В. Ползучесть материалов в специальных конструкциях. Вестник Концерна ВКО «Алмаз – Антей». 2016;(1):106-113. https://doi.org/10.38013/2542-0542-2016-1-106-113

For citation:


Goryushkin D.S., Zuev Yu.S., Stakheev A.V. Creep of materials in special structures. Journal of «Almaz – Antey» Air and Space Defence Corporation. 2016;(1):106-113. (In Russ.) https://doi.org/10.38013/2542-0542-2016-1-106-113

Введение

В элементах специальных контейнеров при транспортировке опасных грузов под воз­действием нагрузок и температур, изменяю­щихся во времени, у конструкционных материалов можно обнаружить новое свойство - ползучесть. Явление ползучести зависит от множества факторов, как внешних, так и вну­тренних (старение материала, размер зерна). Как известно, ползучесть материалов описы­вает кривая ползучести, которая представляет собой зависимость деформации от времени при постоянной температуре и приложенной нагрузке (или напряжении). Зависимость де­формации ползучести от времени имеет не­линейный характер и в значительной степени определяется приложенной нагрузкой. Вре­мя действия нагрузки исчисляется от долей секунды до нескольких лет. Механические свойства материалов в зависимости от указан­ных обстоятельств проявляются по-разному. Возникновение деформаций ползучести в специальных контейнерах может привести к нарушению конструкторской схемы изделия. Исследование характеристик ползучести ма­териалов для обоснования прочности и на­дежности специальных конструкций является актуальным.

Постановка задачи

Обобщающий анализ свойств материалов с учетом времени действия нагрузки и темпера­туры очень сложен и не всегда его можно уло­жить в экспериментально полученные данные. Из-за изгибного характера деформирования материалов внутри специального контейнера при испытаниях на ползучесть необходимо использовать аналогичные схемы нагружения образцов из исследуемого материала.

В настоящей работе на основе численного метода рассмотрено поведение материалов при комнатной температуре и низких уров­нях нагружения. Верификация предложенной методики выполнена на основе экспериментов на образцах из инертных материалов.

В ходе экспериментальной работы ис­следованы образцы из инертных материалов, проведены испытания на изгиб с определени­ем разрушающей нагрузки Fр и исследованы характеристики ползучести материала при по­стоянной нагрузке в интервале 0,1-0,6 от зна­чения разрушающей нагрузки Fр.

Экспериментальное исследование образцов из инертных материалов на изгиб и ползучесть

Для верификации результатов численных расчетов проведены исследования на изгиб и ползучесть. Для отработки нагружения ис­пользованы образцы из алюминиевого спла­ва Д16 ГОСТ 4784-97 (далее - сплав Д16) и меди М1 ГОСТ 859-2001 (далее - медь М1).

Выбор и обоснование характеристик ма­териалов при исследовании на изгиб осущест­влен в соответствии с ГОСТ 14019-2003 [1].

Согласно ГОСТ 14019-2003 при испы­тании образцов на изгиб использовано изги­бающее устройство с тисками (рис. 1). После проведения предварительного численного рас­чета были определены форма и размеры об­разца: длина - 55 мм, толщина - 2 мм, шири­на - 10 мм с прямоугольным сечением. Такая форма более удобна для проведения измерений перемещений, деформаций образца.

 

Рис. 1. Схема испытаний образцов на изгиб:

1 - образец; 2 - пуансон; 3 - тиски; 4 - оправка

 

Исследуемые образцы закреплены с по­мощью оправки и тисков. Материал оправки, тисков и пуансона - сталь Х12М по ГОСТ 5950-73. К тискам применена поджимающая сила F1 (ее уровень в ГОСТ 14019-2003 не регламентирован), к пуансону - нагрузка Fн.

Исследуемый образец доведен до разрушения. Скорость нагружения образцов ≈1 мм/мин. В ходе исследований было проведено измерение прогиба исследуемых образцов и разрушаю­щей нагрузки Fp

Для проведения экспериментальных ис­следований на ползучесть была разработана оснастка (рис. 2). Ее конструкция позволяет нагружать статической силой исследуемый об­разец из инертного материала. Уровень воздей­ствующей на образец нагрузки определяет мас­са груза, входящего в состав оснастки. Образец нагружают с помощью пуансона, конструкция которого позволяет передавать нагрузку от со­ставного груза к образцу. Усилие распределяют с помощью резьбовых шпилек, вкрученных в тело пуансона и опоры грузов.

 

Рис. 2. Общий вид испытательной оснастки: 1 - система грузов; 2 - пуансон

 

Численное исследование образцов из инертных материалов на изгиб и ползучесть

Численные расчеты на образцах из инертных материалов проведем в последовательности, аналогичной опытам:

  • расчет на изгиб образца по опреде­лению уровня нагрузки Fp, при которой до­стигается предельное значение деформаций в исследуемом образце (для выбора уровней нагружения при расчетах на ползучесть);
  • расчеты на ползучесть при постоян­ном усилии на образец в интервале значений 0,3Fp - 0,5Fp с выдержкой по времени.

По результатам численных расчетов построим зависимости изменения прогиба образцов, нагруженных постоянной силой, от времени проведения испытания, а также зависимость изменения деформации от времени.

Численный расчет проведен по прог­рамме конечно-элементного анализа в нели­нейной упругопластической постановке с ис­пользованием двухмерной симметричной модели. Расчетная симметричная конечно­элементная модель схемы нагружения образцов из инертных материалов на изгиб и ползучесть представлена на рис. 3.

 

Рис. 3. Конечно-элементная модель исследуемых образцов:

1 - плоскость симметрии; 2 - пуансон, сталь Х12М; 3 - тиски, сталь Х12М; 4 - ограничение перемещений по оси ОХ; 5 - образец инертного материала; 6 - оправка, сталь Х12М; 7 - ограничение перемещений по осям ОХ, OY

 

Узлы, попадающие в плоскость симме­трии, имеют соответствующие ограничения по перемещениям по оси OY. Узлы, лежащие в основании оправки, жестко закреплены во всех направлениях. Узлы, находящиеся на тор­це оснастки, ограничены по оси ОХ.

Взаимодействие между элементами сбор­ки «образец - оснастка» и «образец - пуан­сон» задано контактными элементами. Коэф­фициент трения для контактирующих деталей принят равным 0,3 [2]. В численных расче­тах осевое усилие Fu равномерно приложено к верхней плоской поверхности пуансона. В расчет принимали значения физико-механи­ческих свойств материалов [3, 4], представлен­ные в табл. 1.

 

Таблица 1

Физико-механические свойства материалов

Параметр

Материал

Медь М1

Сплав Д16

Сталь Х12М

Условный предел текучести σ 0,2, МПа

330

447

-

Предел прочности при растяжении σ, МПа

350

560

-

Модуль упругости Ε, МПа

1,17105

0,72·105

2,02105

Относительное удлинение при растяжении δ, %

13

8,5

-

Модуль упрочнения Ε', МПа

153,6

1305,3

-

Коэффициент Пуассона μ

0,35

0,3

0,28

В [4] были проведены исследования ползучести материалов (меди М1 и сплава Д16) при комнатной температуре и уровнях нагружения, соответствующих 0,7-1,1 σ0,2.

Экспериментальные значения скорости ползучести для исследованных материалов в зависимости от напряжения представлены в табл. 2.

 

Таблица 2

Экспериментальные данные характеристик ползучести материалов

Действующее напряжение в материале образца σ, МПа

Скорость ползучести материала ξ, с-1

Медь М1

Сплав Д16

400

2,78·10-6

6,1110-6

410

5,56 10-6

8,8810-6

480

1,02 10-5

1,0510-5

500

1,25 10-5

1,2710-5

570

1,67 10-5

1,63 10-5

Проведена аппроксимация данных (см. табл. 2) и построены степенные зависи­мости скорости ползучести материалов от на­пряжения (рис. 4).

 

Рис. 4. Степенная зависимость скорости ползучести от напряжения: а - для меди М1; б - для сплава Д16

 

Значения физико-механических свойств материалов, представленные в табл. 1, и степенные законы ползучести для каждого ис­следуемого материала (см. рис. 4) используют в численных расчетах на ползучесть.

Результаты и анализ численного исследования

Для определения критической нагрузки Fр проведены численные исследования образцов из инертных материалов на изгиб при комнат­ной температуре Тк. В расчетах в качестве критерия прочности образцов принимали до­стижение деформациями предельного значе­ния, равного относительному удлинению ма­териала в испытаниях на растяжение [5].

На рис. 5 представлен характер распреде­ления напряжений и деформаций в образце из меди М1 при нагружении силой Fli. Результаты приведены на момент действия нагрузки, при которой деформации в исследуемом образце достигают предельного значения.

 

Рис. 5. Распределения напряжений и деформаций в образце из меди М1: а - напряжения, действующие по оси Х, МПа; б - напряжения по Мизесу, МПа; в - деформации, %

 

Как видно из рис. 5, максимальные на­пряжения и деформации при нагружении об­разца из меди М1 локализованы на нижней по­верхности образца под пуансоном (точка 1) и в области заделки (точка 2). При нагружении об­разца из сплава Д16 проявляется аналогичный вид напряженно-деформированного состоя­ния (НДС), различаются уровни напряжений и деформаций. Результаты расчетов НДС для точек 1 и 2 исследуемых образцов представ­лены в табл. 3.

 

Таблица 3

Экспериментальные данные характеристик ползучести материалов

Параметр

Материал

Медь М1

Сплав Д16

Прогиб h, мм

1,78/-

1,67/ -

Деформации ε, %

13,0/11,2

8,5/6,8

Максимальные напряжения, действующие по оси Х σ*, МПа

377,0/351,0

644,0/587,0

Максимальные напряжения по Мизесу σΜ, МПа

368,0/345,0

565,0/525,0

Из табл. 3 следует, что наибольшая вели­чина напряжений и деформаций при нагруже­нии образцов проявляется на нижней поверх­ности образца под пуансоном (точка 1).

Будем считать, что разрушение иссле­дуемого образца должно произойти в точке 1.

На рис. 6 приведены графики зависимо­сти деформаций в точке 1 от уровня приложен­ной нагрузки при исследованияхна изгиб, на рис. 7 - графики зависимости прогибов в точке 1 от уровня приложенной нагрузки.

 

Рис. 6. зависимость деформации образцов от приложенной нагрузки:

1 - сплав Д16; 2 - медь М1

 

 

Рис. 7. Зависимость прогиба образцов от приложенной нагрузки:

1 - сплав Д16; 2 - медь М1

 

Численные расчеты показывают, что до­стижение уровня предельной деформации в образце из меди М1 происходит при нагруз­ке Fp ≈ 1200 Н, в образце из сплава Д16 - при нагрузке Fp ≈ 1500 Н. Проведенные числен­ные расчеты позволяют дать предварительную оценку величин прогибов и НДС в исследуе­мых образцах во всем диапазоне изменения усилий вплоть до критических нагрузок.

При исследовании на ползучесть НДС образцов рассматривали при комнатной тем­пературе Тк и уровнях нагрузки 0,3,Fp - 0,5Fp, с выдержкой по времени в течение 96 ч. Расчетная схема аналогична использованной в ис­следовании образцов из инертного материала на статический изгиб.

На рис. 8 показаны распределения напря­жений и деформаций ползучести в образце из меди М1 для уровня нагружения 0,5Fj, (600 Н) с выдержкой в течение 96 ч при комнатной температуре.

 


Рис. 8. Распределения напряжений и деформаций ползучести в образце из меди М1: а - напряжения, действующие по оси Х, МПа; б - напряжения по Мизесу, МПа; в - деформации ползучести, %

 

Как следует из рис. 8, максимальные на­пряжения и деформации ползучести в образ­це из меди М1 локализованы на нижней по­верхности образца под пуансоном (точка 1) и в области заделки (точки 2). Данные по рас­четным параметрам, полученные в точках 1 и 2 исследуемых образцов для разных уровней нагрузки, представлены в табл. 4.

 

Таблица 4

Результаты численных расчетов образцов на ползучесть (числитель - точка 1, знаменатель - точка 2)

Параметр

Нагрузка

0,3Fр

0,4Fр

0,5Fр

Медь

М1

Сплав

Д16

Медь

М1

Сплав

Д16

Медь

М1

Сплав

Д16

Прогиб h, мм

2,0/-

1,7/-

2,7/-

2,4/-

3,3/-

2,9/-

Деформация ползучести εс, %

7,0/5,0

6,0/4,5

10,0/6,8

9,0/6,4

13,0/8,5

11,5/7,8

Максимальные напряжения, действующие по оси Х σх, МПа

100/85

148/132

103/88

152/134

110/94

157/135

Максимальные напряжения по Мизесу σм, МПа

102/88

150/135

105/90

156/136

112/100

171/140

Как видно из табл. 4, наибольшая величи­на напряжений и деформаций ползучести при нагружении образца из меди М1 проявляется на нижней поверхности образца под пуансоном (точка 1). При различных уровнях прикладыва­емой нагрузки (от 0,3Fp, до 0,5Fp) у разных ма­териалов характер распределения напряжений и деформаций ползучести существенно не ме­няется, изменился только их уровень.

На рис. 9 приведены графики зависимо­сти деформации ползучести в исследуемых образцах в точке 1 (см. рис. 8) от времени про­ведения испытаний при различных уровнях нагружения.

 

Рис. 9. Зависимость деформации ползучести от времени: а - образца из меди М1; б - образца из сплава Д16;

1 - 0,5Fp; 2 - 0,4Fp; 3 - 0,3 Fp

 

Графики зависимости прогибов в образ­цах в точке 1 (см. рис. 8) от времени проведе­ния испытания при различных уровнях нагру­жения представлены на рис. 10.

 

Рис. 10. Зависимость прогиба от времени: а - образца из меди М1; б - образца из сплава Д16;

1 - 0,5Fp; 2 - 0,4Fp; 3 - 0,3 Fp

 

Прогибы при действующем в течение 96 ч усилии, равном 0,3Fp - 0,5Fp, составляют: образца из меди М1 - от 2,0 до 3,3 мм, образца из сплава Д16 - от 1,7 до 2,9 мм соответственно.

Заключение

Численные расчеты образцов из инертных материалов на ползучесть показали, что изме­нение уровня нагрузки на 20 % влияет на ско­рость ползучести материала. Максимальные значения напряжений и деформаций локали­зованы на нижней поверхности исследуемого образца под пуансоном. Вид распределения деформаций и напряжений при различных уровнях прикладываемой нагрузки (от 0,3Fp до 0,5Fp) у разных исследуемых материалов (медь М1 и сплав Д16) существенно не изме­нился, т. е. области локализации максималь­ных деформаций и напряжений в исследуе­мых образцах не сместились, изменился толь­ко их уровень.

Проведенные численные расчеты на об­разцах из инертных материалов дают ожи­даемые уровни нагрузок при исследованиях на ползучесть при длительном нагружении и на изгиб при кратковременном нагружении, величины перемещений, деформаций и вре­мени проведения испытаний в эксперимен­тах. В дальнейшем будут рассмотрены другие материалы и в соответствии с требованиями МАГАТЭ иные диапазоны эксплуатационных температур.

Список литературы

1. ГОСТ 14019–2003. Материалы металлические. Метод испытания на изгиб. М.: Стандартинформ, 2003. 38 с.

2. Крагельский И. В., Виноградова И. Э. Коэффициенты трения: справочное пособие. 2-е изд. М.: Машгиз, 1962. 220 с.

3. Справочник металлиста / под ред. А. Г. Рахштадта, В. А. Брострема. М.: Машиностроение, 1976. 720 с.

4. Савва С. П. Ползучесть некоторых конструкционных материалов при низких температурах // Проблемы прочности. 1975. № 7. С. 41–44.

5. Гольденблат И. И., Копнов В. А. Критерии прочности и пластичности конструкционных материалов: справочное пособие. М.: Машиностроение, 1968. 192 с.


Об авторах

Д. С. Горюшкин
СФТИ НИЯУ МИФИ
Россия

Горюшкин Дмитрий Сергеевич – аспирант

Область научных интересов: динамика и прочность машин.

г. Снежинск Челябинской обл.



Ю. С. Зуев
СФТИ НИЯУ МИФИ
Россия

Зуев Юрий Семенович – кандидат технических наук, старший научный сотрудник, заведующий кафедрой технической механики

Область научных интересов: динамика и прочность машин, летательных аппаратов.

г. Снежинск Челябинской обл.



А. В. Стахеев

Россия

Стахеев Анатолий Владимирович

Область научных интересов: динамика и прочность машин.



Для цитирования:


Горюшкин Д.С., Зуев Ю.С., Стахеев А.В. Ползучесть материалов в специальных конструкциях. Вестник Концерна ВКО «Алмаз – Антей». 2016;(1):106-113. https://doi.org/10.38013/2542-0542-2016-1-106-113

For citation:


Goryushkin D.S., Zuev Yu.S., Stakheev A.V. Creep of materials in special structures. Journal of «Almaz – Antey» Air and Space Defence Corporation. 2016;(1):106-113. (In Russ.) https://doi.org/10.38013/2542-0542-2016-1-106-113

Просмотров: 178


Creative Commons License
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.


ISSN 2542-0542 (Print)