S19-1 PAT318, Section 19, March 2002 РАЗДЕЛ 19 РАСПРОСТРАНЕНИЕ УСТАЛОСТНЫХ ТРЕЩИН. - презентация

1 S19-1 PAT318, Section 19, March 2002 РАЗДЕЛ 19 РАСПРОСТРАНЕНИЕ УСТАЛОСТНЫХ ТРЕЩИН

2 S19-2 PAT318, Section 19, March 2002

3 S19-3 PAT318, Section 19, March 2002 РАСПРОСТРАНЕИЕ УСТАЛОСТНЫХ ТРЕЩИН (МЕТОДЫ ЛИНЕЙНО-УПРУГОЙ МЕХАНИКИ ТРЕЩИН) n Какова долговечность после образования трещины? n Как составить график ремонтно-восстановительных работ для конструкции с трещинами? n Метод анализа роста трещин основан на принципах линейно-упругой механики разрушения (LEFM) n Этот метод определяет зависимость КИН от размера трещины и долговечности n Используется расчет цикл-за-циклом для определения долговечности n Часто используется в аэрокосмической отрасли, автомобильной промышленности, при изготовлении газотурбинных установок и т.д.

4 S19-4 PAT318, Section 19, March 2002 ТРЕУГОЛЬНИК МЕХАНИКИ РАЗРУШЕНИЯ Интенсивность напряжений (K) Напряжения (s)Размер трещины (a)

5 S19-5 PAT318, Section 19, March 2002 Конечный размер трещины (a f ) Циклов до разрушения (N f ) Начальный размер трещины (a i )Размах напряжений (DS) ПРЯМОУГОЛЬНИК МЕХАНИКИ РАЗРУШЕНИЯ

6 S19-6 PAT318, Section 19, March 2002 КОЭФФИЦИЕНТЫ ИНТЕНСИВНОСТИ НАПРЯЖЕНИЙ Трещина – это концентратор напряжений и деформаций Концентрация упругих напряжений max = K t K t =3 K t =(1+2a/b) b = 0 --> K t =

7 S19-7 PAT318, Section 19, March 2002 ОСНОВНЫЕ ТИПЫ ДЕФОРМИРОВАНИЯ ТРЕЩИН

8 S19-8 PAT318, Section 19, March 2002 МЕХАНИКА ТРЕЩИН n Коэффициент интенсивности напряжений K I n Общий вид K K = Y a, где Y = Y (a/w, B,... ) – функция согласования геометрических размеров трещин

9 S19-9 PAT318, Section 19, March 2002 ТИПИЧНЫЕ ФУНКЦИИ СОГЛАСОВАНИЯ n Сквозная трещина в бесконечной пластине u Y = 1 n Краевая трещина в полубесконечной пластине u Y = 1.12 n Краевая трещина в пластине конечных размеров u Y = (a/w) (a/w) (a/w) (a/w) 4

10 S19-10 PAT318, Section 19, March 2002 ЛИНЕЙНО-УПРУГАЯ МЕХАНИКА РАЗРУШЕНИЯ

11 S19-11 PAT318, Section 19, March 2002 ЛИНЕЙНО-УПРУГАЯ МЕХАНИКА РАЗРУШЕНИЯ

12 S19-12 PAT318, Section 19, March 2002 K – КАК ХАРАКТЕРИСТИКА РАЗРУШЕНИЯ n В случае малой зоны пластичности K хорошо описывает напряженное состояние у вершины трещины n Разрушение происходит при достижении К некоторого предельного значения K = K IC (этот параметр характеризует вязкость разрушения материала) K характеризует Напряжения вокруг Вершины трещины Зона разрушения Пластическая зона

13 S19-13 PAT318, Section 19, March 2002 ДОПУЩЕНИЕ О МАЛОМАСШТАБНЫХ ПЛАСТИЧЕСКИХ ДЕФОРМАЦИЯХ n Размер пластической зоны: n Для того, чтобы выводы линейно-упругой механики разрушения оставались справедливыми, размер пластической зоны должен быть достаточно малым по сравнению с длиной трещины и геометрическими размерами детали:

14 S19-14 PAT318, Section 19, March 2002 ЭТАПЫ РОСТА ТРЕЩИН

15 S19-15 PAT318, Section 19, March 2002 МЕХАНИЗМ УСТАЛОСТНОГО РОСТА ТРЕЩИНЫ n Циклические пластические деформации n Коррозия

16 S19-16 PAT318, Section 19, March 2002 АНАЛИЗ СКОРОСТИ РОСТА ТРЕЩИНЫ - ПОДОБИЕ Эта трещина растет также быстро, как и эта В обоих случаях реализуются одинаковые коэффициенты интенсивности напряжений

17 S19-17 PAT318, Section 19, March 2002 ЭТАПЫ РОСТА ТРЕЩИН В ЗАВИСИМОСТИ ОТ K da --- dN K Пороговые эффекты Эффекты Быстрого разрушения Область действия соотношения Париса da --- = C K m dN K = Y a

18 S19-18 PAT318, Section 19, March 2002 ЭТАПЫ РОСТА

19 S19-19 PAT318, Section 19, March 2002 ФАКТОРЫ, ВЛЯЮЩИЕ НА РОСТ ТРЕЩИН n Пластичность в вершине трещины (эффект залечивания) n Средние напряжения цикла n Пороговая область (для низкого уровня нагружения и коротких трещин) n Нагружение переменной амплитуды n Окружающая среда

20 S19-20 PAT318, Section 19, March 2002 ЗОНЫ ПЛАСТИЧНОСТИ В ВЕРШИНЕ ТРЕЩИНЫ

21 S19-21 PAT318, Section 19, March 2002 ПЛАСТИЧЕСКАЯ ЗОНА И ЭФФЕКТ ЗАЛЕЧИВАНИЯ n В процессе роста трещины вокруг ее вершины развивается область пластических деформаций n Пластически деформированные участки окружены остальным материалом, который находится в состоянии упругой деформации n В процессе разгружения наличие пластических зон приводит к тому, что берега трещины сходятся; в этом случае говорят, что наблюдается эффект залечивания n Эффект залечивания может быть вызван: u Большими перегрузками u Корозионными эффектами u Неровностями поверхности

22 S19-22 PAT318, Section 19, March 2002 ЭФФЕКТ ПЕРЕМЕННОГО СРЕДНЕГО НАПРЯЖЕНИЯ ЦИКЛА

23 S19-23 PAT318, Section 19, March 2002 КОРОТКИЕ ТРЕЩИНЫ n Короткие трещины: u Не подвержены залечиванию. u В общем случае не подчиняются законам линейной механики разрушения. u Обычно имеют завышенную оценку параметров роста трещины по сравнению с длинными трещинами. Замечание: длинные трещины НЕ РАСТУТ, если K меньше некоторого порогового значения K th.

24 S19-24 PAT318, Section 19, March 2002 НАГРУЗКИ С ПЕРЕМЕННОЙ АМПЛИТУДОЙ Нагружение переменной амплитуды влияет на рост трещин Эффекты залечивания независимо от механизма реализации приводят к уменьшению размахов интенсивности напряжений

25 S19-25 PAT318, Section 19, March 2002 ПАРАМЕТРЫ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ Учет влияния процесса корродирования приводит к уменьшению долговечности (например в соленой воде трещины разрушаются быстрее, чем в воздухе). Наиболее благоприятным в смысле влияния окружающей среды является вакуум.

26 S19-26 PAT318, Section 19, March 2002 ВЫЧИСЛЕНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ n Необходимо: u начальный размер трещины u конечный размер трещины u размах напряжений u уточнить K u кривая роста трещины для материала

27 S19-27 PAT318, Section 19, March 2002 ЗАКОНЫ, ОПИСЫВАЮЩИЕ РОСТ ТРЕЩИНЫ n Зависимостей для определения скорости роста трещины в литературе встречается много: u Париса (наиболее известный метод) u Формана u Лукаса-Клеснила u Элбера u Уолкера u Вилера u Вилленборга (MSC.Fatigue использует усовершенствованную версию этой модели)

28 S19-28 PAT318, Section 19, March 2002 ПОДХОД С ПРИМЕНЕНИЕМ ЭФФЕКТИВНОГО K Ключевым моментом в анализе роста трещины MSC.Fatigue является замена истинного K (рассчитанного для приложенной нагрузки) на эффективный K (то есть движущая сила рассматривается непосредственно на фронте трещины) n Обычный метод Метод, реализованный в MSC.Fatigue

29 S19-29 PAT318, Section 19, March 2002 АЛГОРИТМ АНАЛИЗА РОСТА ТРЕЩИН В MSC.FATIGUE n Ввод следующего цикла Расчет истинного K по справочным таблицам Преобразование к эффективному K для u Залечивания/коротких трещин u Влияния концентраторов u Наличия зон статического разрушения u Эффектов истории нагружения u Эффектов окружающей среды da = C K eff m n a = a+da (если нет быстрого разрушения, то переходим к следующему циклу)

30 S19-30 PAT318, Section 19, March 2002 РЕАЛИЗАЦИЯ В MSC.FATIGUE Счетчик циклов TCY MDB Менеджер баз данных по материалам Библиотека Функций согласования KSN Анализатор роста трещины CRG

31 S19-31 PAT318, Section 19, March 2002 РОСТ ТРЕЩИНЫ ЦИКЛ-ЗА-ЦИКЛОМ n Основные функции: u Поцикловый алгоритм u Последовательный по времени подсчет циклов методом дождя u Влияние окружающей среды на свойства материалов u Размер минимальных трещин по Китагава u Моделирование в пороговой области u Эффекты залечивания и замедления роста трещин u Орпеделяемая пользователем долговечность u Критерий разрушения – вязкость разрушения материала u Поверхностные или объемные трещины u Модифицированное уравнение Париса (модифицированная модель Вилленборга)

32 S19-32 PAT318, Section 19, March 2002 КРАТКИЙ ОБЗОР МЕТОДА n Идентификация критических зон и выбор режима узел/элемент для номинальных напряжений n Орпеделение геометрических параметров трещины и выбор функции согласования из библиотеки n Задание начального размера трещины n MSC.Fatigue рассчитывает изменение размера трещины цикл за циклом до момента, когда происходит быстрое разрушение n При правильном определении всех параметров рассчитанная долговечность должна отличаться от практически наблюдаемой не более чем в два раза

33 S19-33 PAT318, Section 19, March 2002 ПРИМЕНЕИЕ МЕТОДОВ АНАЛИЗА СКОРОСТИ РОСТА ТРЕЩИН MSC.FATIGUE n Проектировочный расчет n Планирование испытаний n Составление регламента ремонтно-восстановительных работ n Исследование разрушения n Дополнительная информация при принятии решений

34 S19-34 PAT318, Section 19, March 2002 РПИМЕР: АНАЛИЗ РОСТА ТРЕЩИНЫ n Проушина n Одна нагрузка

35 S19-35 PAT318, Section 19, March 2002 АНАЛИЗ МЕТОДАМИ ЛИНЕЙНО-УПРУГОЙ МЕХАНИКИ РАЗРУШЕНИЯ

36 S19-36 PAT318, Section 19, March 2002 ОПРЕДЕЛИТЕ ТИП ТРЕЩИНЫ И ОТОБРАЗИТЕ ФУНКЦИЮ СОГЛАСОВАНИЯ

37 S19-37 PAT318, Section 19, March 2002 ЭТАП ОПИСАНИЯ НАГРУЖЕНИЯ

38 S19-38 PAT318, Section 19, March 2002 ЭТАП ЗАДАНИЯ СВОЙСТВ МАТЕРИАЛОВ n создайте группу far_field и поместите в нее только узел 223

39 S19-39 PAT318, Section 19, March 2002 ПРОВЕДЕНИЕ АНАЛИЗА

40 S19-40 PAT318, Section 19, March 2002 УПРАЖНЕНИЕ n Выполните упражнение из главы 8 книги Quick Start Guide -Introduction to Crack Growth n Выполните упражнение из главы 10 книги Quick Start Guide -Multiple Loads n Еслти что-либо не понятно – не стесняйтесь спрашивать.