Прямое математическое моделирование процесса разрушения сварных конструкций для определения их прочности и трещиностойкости

Одной из важнейших задач при проектировании машин, оборудования и приборов является обеспечение безопасности в процессе их изготовления и эксплуатации. Как известно, прочность конструкций зависит от ряда случайных параметров, поэтому полностью исключить их разрушение невозможно, а уменьшение вероятности разрушения требует увеличения затрат на их изготовление. Поэтому при проектировании обычно стремятся к тому, чтобы ожидаемая сумма затрат на изготовление конструкции и устранение последствий ее возможных разрушений была минимальной. Поскольку проведение расчетов и испытаний также входит в стоимость изготовления конструкции, неответственные, малонагру-женные и сложные для расчета узлы иногда проектируют «из конструктивных соображений», а проверкой на прочность является последующая эксплуатация. Но существует класс конструкций, последствия разрушения которых настолько серьезны (опасность для жизни людей, тяжелые экологические последствия), что делают экономически обоснованными самые дорогостоящие меры по их предотвращению, в том числе тщательные расчеты и эксперименты.

Основным требованием безопасности для металлических конструкций является предотвращение внезапного нестабильного крупномасштабного разрушения, даже при возникновении аварийных перегрузок, вызванных стихийными явлениями или неправильными действиями людей. Наиболее распространенный способ решения этой задачи — назначение высоких коэффициентов запаса при проектировании конструкции по номинальным нагрузкам — во всех случаях увеличивает стоимость и массу конструкциии, но не только не гарантирует безопасности, но даже не всегда способствует ее повышению, поскольку факторы, вызывающие разрушение, могут принципиально отличаться от действующих при номинальном режиме работы.

Следовательно для сложных и ответственных конструкций появляется необходимость проведения специализированных расчетов при проектировании, направленных на моделирование аварийных условий и выработку мер по предотвращению их опасных последствий. В особенности это относится к таким высоконагруженным оболочковым конструкциям, как корпуса ядерных и химических реакторов. В связи с невозможностью полного исключения разрушений, перспективным направлением является выбор при проектировании таких материалов и конструктивного оформления, при которых нестабильному крупномасштабному разрушению обязательно предшествует стадия ограниченного и медленного роста трещин, и таких средств контроля и диагностики, которые обеспечат своевременное обнаружение разрушения на этой стадии. В связи с этим появляется необходимость в моделировании не только нагружения конструкции до начала разрушения, но и начальной фазы разрушения для установления условий и предотвращения перехода от медленного роста трещин к ускоренному нестабильному разрушению.

Существующий уровень развития механики материалов не всегда гарантирует достоверность результатов расчетов на прочность. Об этом свидетельствует статистика аварийных разрушений, в том числе в развитых странах, ответственнейших конструкций, спроектированных с применением всего арсенала современных расчетных методов.

Наибольшие трудности возникают при расчетах сварных конструкций. Особенностью сварной конструкции является возможность проявления в небольшом объеме, практически в одной точке, целого ряда факторов, осложняющих оценку опасности разрушения:

— острых конструктивных концентраторов напряжения,.

— границ зон с различными свойствами,.

— технологических дефектов,.

— остаточных напряжений,.

— градиентов температуры.

В этих условиях ни один из известных методов расчета не позволяет надежно предсказать судьбу конструкции. Причиной этого является несовершенство методов моделирования процессов деформирования и разрушения конструкций, главным образом, отсутствие единого критерия разрушения, пригодного для всего разнообразия условий, возникающих в сварных узлах. Применение взамен единого критерия набора частных критериев приводит к необозримому усложнению задачи при одновременном действии сразу нескольких из перечисленных выше факторов. Большинство критериев разрушения носит косвенный характер, давая оценку поведения не материала, а более или менее обширной зоны конкретных очертаний с конкретным видом приложенной нагрузки, что еще больше затрудняет их применение.

В связи с этим представляется актуальной разработка метода прямого моделирования на ЭВМ поведения конструкции, включая процессы деформации и разрушения материала, с определением мест начала разрушения и траекторий роста трещин непосредственно в процессе моделирования. Прямой характер моделирования за счет применения единого критерия разрушения, являющегося характеристикой материала и не зависящего от геометрических параметров, обеспечивает этому подходу гибкость и универсальность, необходимые для расчета прочности сварных узлов.

Хотя применение такого подхода наиболее актуально для оценки прочности при пиковом увеличении нагрузки на конструкцию, рассчитанную на работу при более низких постоянных или циклических нагрузках, основные элементы методики пригодны в качестве единой основы для всех видов прочностных расчетов сложных конструкций.

Исследования в области прочности сварных конструкций ведутся на кафедре «Машины и автоматизация сварочных процессов» МГТУ им. Н. Э. Баумана в течение нескольких десятков лет. Во-первых, накоплен обширный экспериментальный материал в ходе испытаний сталей и сплавов, а также элементов конструкций при монотонном и циклическом нагружении, в условиях нормальных, низких и высоких температур. Во-вторых, под руководством профессора В. А. Винокурова разработаны методы и программное обеспечение для моделирования конструкций на ЭВМ. Но, как это характерно для механики материалов во всем мире, расчетные и экспериментальные направления исследования развивались в отрыве друг от друга. Объединение расчетного и экспериментального подходов позволяет выйти на новый уровень оценки прочности и работоспособности проектируемых сварных конструкций.

Расчет позволяет оценить прочность, но не позволяет ее изменить. Повышение или понижение прочности происходит в процессе реализации конструктивно-технологических решений, арсенал которых имеется в руках конструктора, технолога или специалиста по эксплуатации. Целью диссертационной работы является обеспечение рациональности конструктивно-технологических решений с позиций прочности и работоспособности при проектировании конструкций, а также при постановке контрольных расчетов. В перспективе разрабатываемое методическое и программное обеспечение должно влиться в качестве подсистемы в САПР проектирования конструкции и технологии ее производства и эксплуатации.

Для достижения этой цели были поставлены и решены следующие задачи:

1. Разработка модели деформирования и разрушения материала в условиях различных градиентов НДС.

2. Реализация модели в программном обеспечении ЭВМ.

3. Разработка методики определения необходимых для моделирования физических характеристик материала.

4. Учет влияния особенностей сварных конструкций на процесс разрушения.

5. Применение результатов исследования для оценки прочности оболочковой сварной конструкции.

Научные исследования по теме диссертационной работы проведены в рамках межвузовских программ «Сварочные процессы» на 1992;94 и на 1995;97 г. г. Основная часть разработок программного обеспечения была выполнена в отраслевой лаборатории Минтяжмаш при МВТУ им. Н. Э. Баумана «Прочность сварных конструкций» .

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. Физическая модель деформирования и разрушения материала, позволяющая свести к единому механизму вязкое и хрупкое разрушение при различных градиентах НДС.

2. Методика моделирования процессов деформирования и разрушения сварных узлов с учетом наличия концентраторов напряжений различной остроты, неднородности свойств и остаточных напряжений от неравномерного нагрева.

3. Методика испытаний материалов для определения характеристик, необходимых для моделирования процесса деформирования и разрушения конструкций.

4. Методика применения моделирования для выработки мер по обеспечению безопасности эксплуатации сварных конструкций с учетом возможности аварийных перегрузок.

Научная новизна работы:

1. На основе обработки результатов испытаний различных сталей и сплавов при нормальной и низких температурах и моделирования этих испытаний на ЭВМ установлено, что процесс деформирования металлов до страгивания трещины развивается по единому механизму и проходит ряд стадий, отличающихся по размерам пластической зоны, а характер разрушения (хрупкий, вязко-хрупкий или вязкий) определяется тем, на какой стадии деформирования происходит страгивание трещины.

2. Установлено, что большинство наиболее важных видов разрушения, как при монотонном, так и при циклическом нагружении, может быть сведено к единой модели вязкого разрушения. При этом широкий ассортимент применяемых в различных условиях критериев разрушения может быть заменен единым критерием, что открывает путь к созданию универсального метода расчета для ряда наиболее сложных предельных состояний и их сочетаний и позволяет осуществлять расчет сложных сварных конструкций с учетом всех присущих им особенностей.

3. Определены требования к методике моделирования, обеспечивающие сведение к единой модели и единому критерию разрушения. На основе выполнения этих требований разработан метод прямого моделирования процесса разрушения материала. Метод позволяет моделировать как вязкое (устойчивое), так и хрупкое (нестабильное) разрушение и определять характер разрушения расчетным путем. Достоверность результатов моделирования подтверждена экспериментально.

4. Установлено, что стандартная методика обработки результатов испытаний образцов для получения деформационной характеристики материала приводит к существенным погрешностям при больших значениях деформаций. Установлено для ряда сталей, что показатель упрочнения меняется в процессе деформации и на завершающем участке характеристики близок к нулю. Условием осуществления прямого моделирования процесса разрушения является полное воспроизведение характеристик материала во всем интервале условий его деформирования.

Методы исследования:

Принципиальной особенностью методов исследования является параллельное проведение испытаний образцов и моделирования процесса испытаний на ЭВМ. Испытания материалов проведены на экспериментальной установке, разработанной в МГТУ, с записью результатов с помощью тензодатчиков на шлейфовый осциллограф. Моделирование деформирования и разрушения образцов и конструкций проведено численным методом конечных элементов с учетом геометрической и физической нелинейности с помощью специально разработанного программного комплекса «Сварка» .

Практическая ценность и результаты работы:

1. Разработан программный комплекс «Сварка», обеспечивающий моделирование напряженно-деформированного состояния в процессе изготовления и эксплуатации сварных конструкций с учетом температурных и пластических деформаций, упрочнения, ползучести и разрушения металла. Комплекс передан для использования в ряд организаций Москвы, Свердловска, Краматорска, Ростова-на-Дону и Волгодонска. Он применим как при традиционных методах расчета статической и усталостной прочности, так и при моделировании процесса разрушения.

2. Разработана методика получения характеристик деформирования и пластичности материалов и сварных соединений при различных температурах на основе испытаний простых по конструкции малогабаритных образцов. Замена более сложных методов испытания достигается за счет параллельного с испытаниями моделирования процесса деформирования образцов на ЭВМ. Испытания позволяют определить внешние параметры поведения образца: зависимость усилия от перемещения захватов, а моделирование — НДС и свойства материала во внутренних точках образца. Новизна разработанных методов испытания подтверждена 2 авторскими свидетельствами.

3. Разработана методика применения прямого моделирования процесса разрушения для определения критических нагрузок и размеров дефекта, способных привести к разрушению конструкции при монотонном нагружении или на очередном цикле переменного нагружения, а также оценить характер процесса разрушения. Методика применена для оценки ответственной конструкции — атомной станции теплоснабжения АСТ-500. Расчет корпуса ядерного реактора АСТ-500 был выполнен по заказу НПО ЦНИИТМаш.

4. Разработанный метод расчета статической прочности сварных соединений с угловыми швами вошел в три отраслевых стандарта и позволяет получить до 50% экономии наплавленного металла за счет обоснованного снижения катета швов. Разработанные конструкции образцов обеспечивают экспериментальное определение необходимых дополнительных характеристик прочности шва.

5. Программное обеспечение и методика моделирования использованы в учебном процессе кафедры «Машины и автоматизация сварочных процессов» МГТУ им. Н. Э. Баумана в лабораторном практикуме, курсовом и дипломном проектировании для наглядной демонстрации концентрации напряжений и различных предельных состояний сварных узлов.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ.

1. Основными положениями защищаемой модели разрушения материала являются следующие: а) Все практически важные виды разрушения при монотонном на-гружении могут быть сведены к единой модели страгивания трещинымодели разрушения после пластической деформации. Разрушение материала в данной точке происходит при превышении его предельной пластичности, являющейся функцией показателя объемности напряженного состояния. б) При малом радиусе надреза, а также при высоком уровне предельной пластичности материала процесс разрушения у фронта исходного надреза приводит к его притуплению и к задержке страгивания трещины. Страгиванию трещины вглубь материала в этом случае предшествует пластическая деформация на пути ее движения. в) Признаком перехода к нестабильному разрушению является продолжение роста трещины при постоянной нагрузке.

2. Прямое моделирование процесса разрушения материала требует экспериментального определения его основных механических характеристик: деформационной и предельной пластичности. Показателем точности определения свойств материала является совпадение результатов моделирования с диаграммами, записанными в процессе испытаний.

3. Показатель упрочнения деформационной характеристики материала изменяется в процессе растяжения образцов и на завершающем участке у сталей был близок к нулю. Стандартная методика получения деформационной характеристики может приводить к существенной погрешности.

4. Интервал значений показателя объемности НДС, характерный для условий разрушения сварных соединений от 0 при срезе угловых швов до 3,5 при движении трещины нормального отрыва в детали большой толщины.

5. Разработанная методика обеспечивает все этапы моделирования НДС в сварной оболочке, от общего анализа конструкции до анализа разрушения отдельных швов, включая страгивание, рост трещин, и переход к нестабильности и позволяет: а) проанализировать рациональность конструкции и пути снижения концентрации напряженияб) проверить работоспособность ее узлов по ряду предельных состоянийв) оценить безопасность в экстремальных условиях с учетом наличия дефектов по критерию течи перед разрушениемг) оценить нормы допустимых отклонений и технологию контроля с позиций обеспечения безопасности.

6. Результаты моделирования образцов из малопластичного магниевого сплава ИМВ2 и вязкой стали 15Х2МФА показали возможность расчетного определения критериев механики разрушения на основе диаграммы предельной пластичности, а также оценки корректности и допустимости их применения. Для стали 15Х2МФА значение вязкости разрушения при нормальной температуре носит условный характер, так как существенно зависит от того, какое увеличение исходного размера трещины принято за ее страгивание.

7. Результаты моделирования разрушения стенки сварного корпуса реактора АСТ-500 из стали 15Х2МФА показали: а) В начале срока эксплуатации (без учета радиационного и теплового охрупчивания) предельное состояние наступления течи при аварийной перегрузке возможно при появлении продольных трещин глубиной более 30 мм. Нестабильное разрушение корпуса возможно при превращении продольной трещины в сквозную сразу на длине более 800 мм. Для трещин другой ориентации критические размеры больше. б) Отличие коэффициента теплового расширения наплавленного слоя от основного металла вызывает дополнительные напряжения при изменении температуры корпуса и уменьшает опасную глубину наружной трещины примерно на толщину наплавленного слоя.

8. Программный комплекс «Сварка» и методика его применения переданы в ряд организаций, а также применены: а) для замены испытаний крупногабаритных образцов при определении вязкости разрушенияб) для расчета корпуса реактора АСТ-500 на течь перед разрушением при аварийном повышении давленияв) для учебного процесса в лабораторном курсе и курсовом проектировании по прочности сварных конструкций на кафедре сварки МГТУ.

9. Разработанный метод расчета статической прочности сварных соединений с угловыми швами вошел в три отраслевых стандарта и позволяет получить до 50% экономии присадочного металла за счет обоснованного снижения катета швов.

10. Разработанный комплекс лабораторных работ по расчету и проектированию сварных конструкций охватывает определение характеристик материала, анализ НДС и оценку прочности по предельному состоянию разрушения и может быть рекомендован для других специальностей, связанных с проектированием деталей и конструкций.