36023

Концентраторы напряжений

Доклад

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Дефекты и конструктивные концентраторы напряжений в элементах способствуют повышению уровня напряженности металла и как следствие снижению ресурса оборудования. Для изделий имеющих конструктивные концентраторы напряжений при оценке влияния дефекта на их работоспособность следует сопоставить степень влияния конструктивного концентратора напряжений и дефекта. При расположении дефекта в зоне концентратора напряжений он может оказывать большее влияние на долговечность изделия чем даже более опасный по его ориентации форме но...

Русский

2013-09-20

34 KB

33 чел.

Концентраторы напряжений

Конструктивные концентраторы напряжений в виде разнотолщинных соединений, угловых элементов, смещения кромок и других дефектов способствуют повышению уровня напряженности металла и, как следствие, снижению ресурса оборудования. 

Дефекты и конструктивные концентраторы напряжений в элементах способствуют повышению уровня напряженности металла и, как следствие, снижению ресурса оборудования. 

Для изделий, имеющих конструктивные концентраторы напряжений, при оценке влияния дефекта на их работоспособность следует сопоставить степень влияния конструктивного концентратора напряжений и дефекта. Для этих изделий существенное значение имеет месторасположение дефекта. При расположении дефекта в зоне концентратора напряжений, он может оказывать большее влияние на долговечность изделия, чем даже более опасный по его ориентации, форме, но расположенный вне зоны концентрации напряжений, вместе с меньшим уровнем действующих напряжений. 

Дробеметное упрочнение деталей с малоразмерными конструктивными концентраторами напряжений повышает усталостную прочность деталей из титановых и жаропрочных сталей и сплавов на 15 - 50 %, долговечность работы деталей - в 1 5 - 2 5 раза. 

Дробеметное упрочнение деталей с малоразмерными конструктивными концентраторами напряжений повышает усталостную прочность деталей из титановых и жаропрочных сталей и сплавов на 15 - 50 %, долговечность работы деталей - в 10 - 25 раз. Дробеметная установка может быть использована в различных отраслях машиностроения при упрочнении деталей, имеющих малоразмерные конструктивные концентраторы напряжений - острые кромки, малые радиус переходов, галтели. 

В окрестности трещиноподобных дефектов и конструктивных концентраторов напряжений возникают локальные пластические деформации. Деформации в пластической зоне распределены крайне неравномерно. Очевидно, что непосредственно в вершине трещины максимальные деформации не могут превысить величины, соответствующей истинному сопротивлению разрыву. 

Наличие несплошностей, а также конструктивных концентраторов напряжений, связанных с резкими переходами от основного металла к металлу шва или от одного элемента к другому, может способствовать снижению надежности сварного соединения. Их отрицательное влияние иногда проявляется даже в случае статического приложения нагрузок при неблагоприятном сочетании с собственными напряжениями при действии низких температур или агрессивных сред. Наиболее сильное влияние наличия несплошностей имеет место при работе конструкции под усталостной нагрузкой. В этом случае даже небольшой дефект или концентратор может стать источником зарождения трещины. 

В окрестности трещиноподобных дефектов и конструктивных концентраторов напряжений возникают локальные пластические деформации. Деформации в пластической зоне распределены крайне неравномерно. Очевидно, что непосредственно в вершине трещины максимальные деформации не могут превысить величины, соответствующей истинному сопротивлению разрыву. 

При проведении гидроиспытаний конструкций, имеющих конструктивные концентраторы напряжений и дефекты, возможно формирование зон пластической деформации. Как следствие этого происходит повышение склонности стали к хрупкому разрушению. Это особенно опасно для конструкций, эксплуатируемых в диапазоне низких климатических температур. В целом следует сделать вывод, что для материалов с ограниченным запасом вязкости гидроиспытания в состоянии вызвать опасные последствия - повышение риска хрупкого разрушения при эксплуатации в диапазоне низких климатических температур. 

Также возникают местные напряжения в зонах конструктивных концентраторов напряжений: усилений сварных швов, врезок, переходов. Локальные изгибные напряжения возникают в местах нарушений правильной формы сечения труб - вмятинах, гофрах, овалах. Существуют также компенсационные напряжения: мембранные и изгибные, обусловленные ограничениями свободы перемещения МГ. 

Детали машин, как правило, имеют конструктивные концентраторы напряжений. Концентрация растягивающих напряжений приводит к сильному понижению сопротивления деталей усталостному разрушению. В этих случаях сопутствующие наклепу остаточные сжимающие напряжения особенно благоприятны Они значительно снижают, а во многих случаях полностью ликвидируют отрицательное влияние концентраторов напряжений. 

Во-вторых, на трубопроводах всегда имеются дефекты и различные конструктивные концентраторы напряжений

Исследования показали, что разрушение обычно возникает у конструктивных концентраторов напряжений, где образуется трещина. Как известно, в вершине трещины происходит пластическая дефромация. 

Так, на стадии проектирования выбранный тип соединения предопределяет появление конструктивных концентраторов напряжений, а назначение метода и приемов сварки - появление характерных технологических дефектов, вероятность обнаружения и исправления которых в процессе изготовления будет определяться уровнем культуры производства. Естественно, эти концентраторы напряжений, как конструктивного, так и технологического характера, в условиях эксплуатации сварной конструкции становятся потенциальными источниками разрушений. 

Влияние металлопокрытий и качества механической обработки особенно сказывается на деталях, имеющих конструктивные концентраторы напряжений в виде галтелей, шпоночных пазов, смазочных отверстий и пр. 

Из опыта эксплуатации следует, что преждевременные повреждения обычно располагаются в зонах конструктивных концентраторов напряжений, которые характеризуются условиями стесненной деформации. Это оказывает существенное влияние на снижение долговечности металла, особенно при действии циклических нагрузок в условиях сложнонапряженного состояния. 

Нейбера и Г.В.Ужика показано, что основным параметром, определяющим напряженное состояние у конструктивного концентратора напряжений, является радиус вершины концентратора. В частности, установлено, что с увеличением остроты надреза, т.е., с уменьшением радиуса надреза, предел выносливости уменьшается. Однако эта зависимость в области малых значений радиуса закругления надреза становится мало заметной. Как показали работы И.А.Одинга, С.Е.Гуревича, П.И. Кудрявцева и др. [295, 316], при достижении критического значения аа предел выносливости материала достигает минимального значения, после чего может практически оставаться постоянным и даже несколько повышаться. 

Внутри колодца трещина частично ( на длину около 17 мм) проходила по конструктивному концентратору напряжения в виде кольцевого галтельного перехода R2 к зенкованной поверхности 033 у отверстия под головку стыковочного болта. Возникновение и направление распространения трещины было конструктивным недостатком и связано с перенапряженностью профиля у первого правого колодца под стыковочный болт из-за выемки материала между первым и вторым колодцем и образованием галтельного перехода радиусом 17 мм. 

Во-вторых, следует провести перед термообработкой предварительную механическую обработку изделия для того, чтобы устранить возможные конструктивные концентраторы напряжений. Особенно тщательно должна обрабатываться зона сварного соединения. 

Обкатку в этом случае проводят так, чтобы место стыка располагалось по возможности дальше от конструктивного концентратора напряжения

Коэффициенты [ J и 7 в нашем случае могут быть приняты равными единице, так как конструктивные концентраторы напряжений отсутствуют, а диаметр проволоки пружины мал. 

Шероховатость является технолоп ческим концентратором на-и оказывает существенное влияние на усталостную выей, особенно на участках конструктивных концентраторов напряжений ( галтелях валов и осей, переходных поверхностях зубьев колес, выточках, канав. 

Для решения задач термопластичности и ползучести при непростом нагружении крупногабаритных деталей турбин ТЭС и АЭС, содержащих конструктивные концентраторы напряжений, разработан алгоритм теории течения с анизотропным упрочнением, отличающийся тем, что обычные ограничения на размер шага в итерационном процессе значительно ослаблены. В расчетах принимают, что эти зависимости аппроксимируются по этапам непростого монотонного нагружения, при котором для любой точки тела главные оси напряжений могут в процессе нагружения изменять свою ориентацию произвольным образом. При этом каждая компонента девиатора деформаций De изменяется по линейной зависимости от одного параметра, но на коэффициенты этих зависимостей ограничений не накладывается. Каждая компонента девиатора Д, изменяется независимо от другой и, следовательно, их отношения изменяются без каких-либо специальных ограничений. При монотонном нагружении в отличие от простого предшествующий этап нагружения не определяет направление движения на последующем этапе. Постулированное для монотонного нагружения линейное движение изображающей точки в пространстве De не предопределяет линейного движения в пространстве девиаторов напряжений Da. Характер движений этой точки в пространстве Da определен соответствующими аналитическими выражениями. 

Эффект упрочнения материала как источник появления нераспространяющихся усталостных трещин присутствует и в случае, когда деталь или образец имеют конструктивные концентраторы напряжений

Для изделий, имеющих конструктивные концентраторы напряжений, при оценке влияния дефекта на их работоспособность следует сопоставить степень влияния конструктивного концентратора напряжений и дефекта. Для этих изделий существенное значение имеет месторасположение дефекта. При расположении дефекта в зоне концентратора напряжений, он может оказывать большее влияние на долговечность изделия, чем даже более опасный по его ориентации, форме, но расположенный вне зоны концентрации напряжений, вместе с меньшим уровнем действующих напряжений. 

Обкатывание шариками значительно повышает износостойкость и усталостную прочность деталей машин, имеющих галтели, беговые дорожки и другие поверхности, работающие на изнашивание и являющиеся конструктивными концентраторами напряжений

Упрочнение чеканкой в виду простоты процесса, приспособлений, оборудования и большой эффективности применяют при изготовлении валов, шестерен, сварочных швов и особенно для снижения влияния на усталостную прочность конструктивных концентраторов напряжений

Следует отметить важную особенность, связанную с применением в инженерной практике, приближенных методов определения упруго-пластических деформаций: интерполяционные соотношения, описанные ранее, справедливы только для зон элементов конструкций с ярко выраженными конструктивными концентраторами напряжений, когда распределение напряжений и деформаций оценивают по номинальным их значениям. 

Следует отметить важную особенность, связанную с применением в инженерной практике, приближенных методов определения упруго-пластических деформаций: интерполяционные соотношения, описанные ранее, справедливы только для зон элементов конструкций с ярко выраженными конструктивными концентраторами напряжений, когда распределение напряжений и деформаций оценивают по номинальным их значениям. 

Составление схемы разрушения, выявление первичного разрушения; определение на детали месторасположения излома, в частности, не совпадает ли место разрушения с зоной действия наибольших напряжений, имеются ли в детали конструктивные концентраторы напряжений, как взаимно расположены концентраторы и место излома, а также очаг излома. 

Далее производится оценка остаточного ресурса по фактическим или априорным ( если недостаточно диагностической информации) данным о дефектности, например, по разрешающей способности методов и средств неразрушающего контроля с учетом предыстории нагружения, а также характеристикам допускаемых технологических и конструктивных концентраторов напряжений

В настоящее время многие элементы оборудования рассчитывают лишь на прочность от действия статических нагрузок, без учета временных Иежду тем эти элементы могут работать в режиме нагружения, которое в десятки раз ускоряет процессы повреждаемости металла труб в зоне дефектов и конструктивных концентраторов напряжений. Циклические нагрузки в условиях коррозионного действия среды вызывают усиление усталостных процессов, и особенно в зонах концентрации напряжений. Это объясняется проявлением локального динамического механохимического эффекта. Несовершенны также методы оценки механических свойств, входящие в соответствующие расчетные формулы для определения толщины элементов оборудования. В частности, они устанавливаются по сертификатным данным без учета деформационного старения и охрупчивания. 

Далее производится расчет остаточного - ресурса по фактическим или априорным ( если недостаточно диагностической информации) данным по дефектности металла труб, например, по разрешающей способности методов и средств неразрушающего контроля с учетом предыстории нагружения, а также характеристикам допускаемых технологических и конструктивных концентраторов напряжений

При этом для сварных соединений характерными недостатками являются структурно-химическая макро - и микронеоднородности в отдельных зонах соединения ( основной металл вне зоны термического влияния, переходные структуры в пределах каждого участка зоны термического влияния основного металла, металл сварного шва), неоднородность напряженного состояния из-за наличия остаточных напряжений, пластических деформаций, дефектов сварных швов, технологических и конструктивных концентраторов напряжений

Сварные соединения представляют собой сложную физико-химическую, механическую и электрохимическую макро - и микрогетерогенную систему со следующими характерными видами неоднородности: структурно-химической макро и микронеоднородностью зон ( основной металл, литой металл шва, зона термического влияния); неоднородностью напряженного состояния - собственные напряжения ( остаточные и от внешней нагрузки); геометрической неоднородностью, обусловленной наличием технологических и конструктивных концентраторов напряжений, определяемых видами сварного соединения Особенности сплошной неравномерной электрохимической коррозии сварных соединений связаны с химической неоднородностью двух видов: макронеоднородностью, обусловленной наличием химического состава и структуры в разных зонах сварного соединения; микронеоднородностью, обусловленной структурой и химической неоднородностью в пределах каждой зоны. 

Сварные соединения представляют собой сложную физико-химическую, механическую и электрохимическую макро - и микрогетерогенную систему со следующими характерными видами неоднородности: структурно-химическая макро - и микронеоднородность зон ( основной металл, литой металл шва, зона термического влияния); неоднородность напряженного состояния - собственные ( остаточные сварочные напряжения и пластические деформации) и от внешней нагрузки; геометрическая неоднородность, обусловленная наличием технологических концентраторов напряжений ( граница шва и основного металла, дефекты формы шва - подрезы, непровары и др.) и конструктивных концентраторов напряжений, определяемых геометрическими параметрами шва. 

Поэтому сварные соединения представляют собой сложную физико-химическую, механическую и электрохимическую макро - и микрогетерогенную систему со следующими характерными видами неоднородности:: структурно-химической макро - и микронеоднородностью зон ( основной металл, литой металл шва, зона термического влияния), неоднородностью напряженного состояния - собственные ( остаточные сварочных напряжений и пластические деформации) и от внешней нагрузки, геометрической неоднородностью, обусловленной наличием технологических концентраторов напряжений ( граница шва и основного металла, дефекты формы шва - подрезы, непровары и др.) и конструктивных концентраторов напряжений, определяемых видами сварного соединения. Таким образом, сварные соединения характеризуются неоднородностью физических, механических и электрохимических свойств перечисленных зон. 

Дробеструйная обработка деталей с мелкими поверхностными концентраторами напряжений ( следы механической обработки, коррозия) весьма эффективна как для больших, так и для малых деталей. При обработке деталей с конструктивными концентраторами напряжений при достаточной глубине наклепанного слоя может быть достигнуто значительное увеличение усталостной прочности. 

Накопление деформации при релаксации может привести к образованию трещин в детали и ее разрушению. Последние могут образоваться в местах конструктивных концентраторов напряжений. Так, например, шпильки в эксплуатации повреждаются путем образования трещины по первому, наиболее нагруженному, витку от корня резьбового профиля. 

Значительная часть различных расчетных стандартов и спецификаций, регламентирующих конструирование сосудов давления, уделяет основное внимание соотношению между расчетными и разрушающими напряжениями. В действительности сосуды давления содержат как конструктивные концентраторы напряжений, так и случайные дефекты, причем последние могут существовать в исходном материале или возникнуть в процессе производства, главным образом во время сварки. Дефекты также могут возникать и увеличиваться в размерах при циклическом нагруже-нии, коррозии и ползучести. Во всех этих случаях наиболее опасные условия разрушения определяются критическим напряжением, при котором дефект станет способным к распространению. Это критическое напряжение снижается при увеличении размера и остроты дефекта и при уменьшении вязкости материала. 

Гофры на вертикальных стенках резервуаров. а трапецеидальные. б закругленные.| Резервуар с многослойными вставками для борьбы с возникновением и распространением хрупких трещин.

В отдельных случаях в резервуарах образуются хрупкие разрушения - трещины. Они возникают преимущественно при наличии дефектов, в конструктивных концентраторах напряжений, при низкой температуре. 

Применение виброобкатки позволяет резко сократить время приработки трущихся пар и, следовательно, повысить ее долговечность. Повышение усталостной прочности может быть достигнуто отделкой поверхностей в зоне конструктивных концентраторов напряжений, вплоть до их полирования; созданием на поверхностях деталей в зонах концентрации напряжений остаточных напряжений сжатия. Напряжения сжатия создаются поверхностным наклепом, химико-термической обработкой и поверхностной закалкой детали. Электрохимические покрытия ( особенно твердые), сварочно-наплавочные работы, металлизация и напыление неметаллов создают остаточные напряжения растяжения, что снижает усталостную прочность деталей. При выборе способов восстановления деталей, работающих в условиях циклически действующих нагрузок и напряжений, необходимо учитывать это обстоятельство. Кроме того, необходимо иметь также в виду, что практически все виды обработки резанием, особенно шлифование, как правило, тоже создают на поверхности напряжения растяжения. 

Зависимости скорости роста трещин от параметра при нагруженин.

В данном случае указанные параметры целесообразно выбирать такими, чтобы процедура определения сопротивления конструкции разрушению при статическом нагружении совмещалась с оценкой длительности роста трещины от максимально необнаруживаемых до регламентированных размеров. Поэтому в качестве начальных повреждений используют, если это возможно, конструктивные концентраторы напряжений с производственными, случайными или специально выращенными поверхностями трещин. Размеры последних должны быть равны, сопоставимы или эквивалентны размерам максимально необнаруживаемьгх или наиболее типичных для данного изделия трещиноподоб-ных дефектов. [

Под пределом выносливости детали в этом случае понимается отвечающая данному числу циклов до разрушения величина сттах. При непосредственном испытании на усталость серии рассматриваемых деталей ( например, образцов с конструктивными концентраторами напряжений) прогнозируемый закон распределения (5.4) доступен экспериментальной проверке. В указанном случае образцов с концентраторами напряжений стгаах определяется как произведение номинального напряжения вне зоны концентрации напряжений на теоретический коэффициент концентрации [3, 71 ], причем отношение ORN ( обычно а ш) к crmax при тех же R и N и заданной вероятности р или q представляет собой прогнозируемый эффективный коэффициент концентрации напряжений. 

Дробеметное упрочнение деталей с малоразмерными конструктивными концентраторами напряжений повышает усталостную прочность деталей из титановых и жаропрочных сталей и сплавов на 15 - 50 %, долговечность работы деталей - в 10 - 25 раз. Дробеметная установка может быть использована в различных отраслях машиностроения при упрочнении деталей, имеющих малоразмерные конструктивные концентраторы напряжений - острые кромки, малые радиус переходов, галтели. 

Таким образом, участки пониженной вязкости в швах вследствие перемешивания наплавленного металла при сварке с разнородной по составу сталью могут снижать технологическую прочность сварной конструкции, что может вызвать развитие трещин в процессе изготовления, термообработки или эксплуатации изделия. Вероятность появления трещин возрастает с увеличением толщины изделия и при наличии в месте стыка конструктивных концентраторов напряжений. Сварочные материалы следует выбирать так, чтобы такие участки отсутствовали. 

Этот факт объясняется проявлением поддерживающего эффекта. В опубликованных работах автора получены аналитические зависимости для оценки поддерживающего эффекта для различных повреждений и конструктивных концентраторов напряжений в элементах нефтепродуктопроводов. 

Кроме перечисленных по данным картотеки могут анализироваться и другие факторы, определяющие возрастание количества поломок деталей машин при понижении температуры. По схеме разрушенной детали важно установить закономерности возникновения поломок в зависимости от свойств применяемого материала, конструктивных концентраторов напряжений и действующих нагрузок. 

Тема: Расчет надземного трубопровода на прочность и продольную устойчивость

Постановка цели: Определить допустимое расстояние между опорами надземного балочного перехода газопровода произвести расчет данного участка на прочность и продольную устойчивость

Исходные данные для расчета: наружный диаметр трубы – Dн, толщина стенки – δ, категория участка, внутреннее давление – P, марка стали, температура стенки трубы при эксплуатации – tэ, температура фиксации расчетной схемы трубопровода – tф, коэффициент надежности по материалу трубы – k1. Переход однопролетный.

Решение:

Определение допускаемого пролета между опорами.

Допускаемый пролет определяем по формуле:

Где qтр – суммарный вес трубы и продукта, Н/м.

Для газа нормативная нагрузка от веса продукта:

Нагрузка от веса продукта, находящегося в трубопроводе единичной длины:

Где nс.в. – коэффициент надежности по нагрузкам от действия собственного веса, при расчете на продольную устойчивость и устойчивость положения равный 0,95.

Нагрузка от собственного веса металла трубы:

W – осевой момент сопротивления поперечного сечения трубы, м3.

R2 – расчетное сопротивление материала трубы.

Расчет на продольную устойчивость.

Условие выполнения продольной устойчивости:

Где S – сжимающее продольное усилие в трубопроводе, Н.

F – площадь поперечного сечения трубы, см2.

Nкр – критическая продольная сила, при которой наступает потеря продольной устойчивости трубопровода, Н.

l0 – приведенная длина балочного перехода, м.

J – осевой момент инерции поперечного сечения трубы, м4.

Расчет на прочность

Условие прочности записывается в виде

Где R1 – расчетное сопротивление материала трубы, мПа.

σпрN – суммарные продольные напряжения, мПа.

Mизг – максимальный изгибающий момент в пролете, Н·м.

f – суммарный прогиб трубопровода между опорами, м.

fэ – прогиб от действия поперечных нагрузок, м.

Выполнение условий прочности и устойчивости надземного участка трубопровода при проектировании – гарантия его надежной эксплуатации.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

58658. Правило переноса слов 59 KB
  Форма организации деятельности: самостоятельная работа фронтальная работа взаимопроверка работа в парах. Приемы: работа с учебником; составление схем; взаимоконтроль; групповая работа. Самостоятельная работа с самопроверкой по эталону.
58659. Имена собственные 44 KB
  На экране видеофрагмент мультфильма Трое из Простоквашино затем появляется тема урока. На экране появляется рубрика Словарный диктант и галчонок Хватайка. Проверьте записанное в тетради с ответами на экране.
58660. Сочинение по картине К.Ф. Юона «Волшебница зима» 43 KB
  Задачи урока: познакомить с творчеством К.Ф.Юона; учить читать картину, осмысливать ее содержание; привлечь внимание детей к красоте зимней природы; формировать умение строить текст...
58661. Изменение глаголов по временам 45 KB
  Ребята откройте свои тетради и запишите число и классная работа. Учитель: Я буду загадывать загадки а отгадку вы будете записывать в тетрадь. Учитель: Что это по одному ученику выходят к доске Запишите слово ставя ударение и подчеркивая орфограммы .
58662. Морфологический разбор имени прилагательного 41.5 KB
  Напомню что наша тема называется морфологический разбор имени прилагательного. Во-вторых постоянные признаки разряд прилагательного: качественное относительное или притяжательное непостоянные признаки число род падеж.
58664. Имя существительное 37.5 KB
  Какие у вас возникли вопросы Как называется На какие вопросы отвечает Что обозначает Это и есть цель нашей деятельности. Мы: 1 познакомимся с новой частью речи; 2 узнаем на какие вопросы она отвечает; 3 а также научимся распознавать её среди других слов.
58665. Изменение имен существительных по числам 51.5 KB
  Цель урока: Развивать умение изменять существительные по числам различать род. Образовательные цели научиться употреблять в речи имена существительные классифицировать их;...
58666. М.В.Ломоносов. Оды 48.5 KB
  В чём необычность курса обучения пройденного Ломоносовым Что такое теория трёх штилей 2 Запись в тетрадях. Он ценит в царе то что он царствуя служил свои законы сам примером утвердил монаршу власть скрывал чтоб нам открыть науки о том как...