ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ПОЛЕЙ ПРИ ДЕФОРМАЦИИ ОБРАЗЦОВ С КОНЦЕНТРАТОРОМ НАПРЯЖЕНИЙ

УДК 621.8.036

DOI: 10.24412/2071-6168-2021-10-459-463

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ПОЛЕЙ ПРИ ДЕФОРМАЦИИ ОБРАЗЦОВ С КОНЦЕНТРАТОРОМ НАПРЯЖЕНИЙ

Г.В. Селиверстов, А.А. Серегина

Рассмотрена взаимосвязь изменения напряжено-деформированного состояния образцов с фиксированным концентратором напряжений при статическом деформировании и температурных полей вызванных диссипацией. Проанализирована возможность применения данного подхода для практического определения напряжений в элементах металлоконструкций.

Ключевые слова: эксплуатация, срок службы, металлоконструкция, дефект, тензо-метрирование.

Анализ состояния парка грузоподъемных машин в России показывает, что большая часть из используемого оборудования уже выработала свой нормативный срок службы, и решение об их дальнейшей эксплуатации продлевается на основе оценки их реального технического состояния.

Наиболее часто применяется метод визуального осмотра и экспертных оценок, который весьма субъективен по причине влияния человеческого фактора. На точность оценки помимо квалификации персонала еще и влияет доступность мест для проведения визуальной диагностики. В некоторых случаях также применяется инструментальный контроль, который может быть основан на различных физических принципах: магнитных, электромагнитных, ультразвуковых, акустико-эмиссионных и т.д [1].

Большинство из них позволяют сказать о наличии или отсутствии несплошностей и трещиноподобных дефектов, которые в принципе не допускаются в несущих металлоконструкциях грузоподъемных машин. Минимальный размер дефекта определяется разрешающей способностью используемого прибора, и допустимым, можно считать значение ниже критических для используемого материала. В крановых металлоконструкциях обычно используют малоуглеродистые или низколегированные стали и если рассмотреть наиболее распространенные мостовые краны с главными балками коробчатого сечения, то в них используют листовой прокат из сталей Ст3сп5 (старые конструкции) и 09Г2С (современные конструкции). Справочная литература указывает критический размер дефекта (линия Френча) порядка 0,1 мм [2]. Таким образом, большая часть методов и средств контроля позволяет обнаруживать подобные дефекты, но при этом необходимо отметить тот факт, что для правильной и безопасной эксплуатации грузоподъемной машины необходимо знать ресурс до возникновения подобного дефекта. Определение наработки машины можно выполнять расчетными методами, в которых ключевым моментом будет знание действующих амплитуд напряжений в элементах несущей металлоконструкции. При проектировании металлоконструкций кранов закладываются нагрузки и подбираются под них геометрические размеры сечения для обеспечения амплитуд напряжений меньших, чем предел текучести и предел выносливости материала. Таким образом, работа всей металлоконструкции должна проходить исключительно в упругой области деформаций материала. Кроме этого для мостовых кранов, работающих в тяжелом или весьма тяжелом режиме необходимо обеспечить, чтобы амплитуды напряжений были меньше предела выносливости для исключения явлений усталости [3].

Как показывает эксплуатация подобных кранов, усталость все равно наблюдается в зонах с повышенной концентрации напряжений, например в местах соединения главных и концевых балок, зонах букс ходовых колес, местах приварки диафрагм и т.д. Все это говорит о том, что существующие методы расчета напряженно-деформированного состояния имеют определенную погрешность. На практике для оценки действующих напряжений в перечисленных местах применяют методы тензометрирования и муаровых полос. Все они обладают высокой трудоемкостью, как при проведении замеров, так и при выполнении калибровки перед оценкой напряженно-деформированного состояния [4].

В работе [5] показана возможность оценки напряженно-деформированного состояния с помощью метода тепловидения, когда оцениваются диссипации при приложении нагрузки к исследуемому элементу. Авторами проведены исследования при статическом нагружении гладких лабораторных образцов, и они показали, что при их деформации резкий скачок темпе-

459

ратуры наблюдается при переходе от упругой деформации к пластическому течению. При этом напряжения распределялись равномерно по всему сечению образца. В реальных металлоконструкциях, как отмечено выше, наибольшую опасность представляют места не только с высоким значением амплитуд напряжений, но и с концентрациями напряжений. Таким образом, возник вопрос об исследовании изменений температурных полей вблизи концентраторов напряжений в связи с наличием упругопластической деформации исследуемой области. Наличие градиента напряжений подразумевает перераспределение интенсивностей деформаций, что в свою очередь влияет на распределение температурного поля. Для проведения исследования были подготовлены лабораторные образцы из сталей Ст3сп5 и 09Г2С с трещиноподобным дефектом (рис.1).

Рис.1. Лабораторный образец из стали Ст3сп5

Анализ концентрации напряжений для подобного дефекта выполнялся с помощью конечно-элементного моделирования в САПР SoПdWorks. Конечно-элементная модель показана на рис.2.

уоп МЬез (М/тЛ2) ^^ 1.143е+09 I 1,048е+09 _ 9,525е+08 . 8,573е+Об . 7,62Ое+О0 . 6.663е+06 . 5,715е+08 . 4 763е+08 . 3,810е+08 _ 2,858е+08 . 1.Ю5е+08

9.530е+07 4.702е+ВД

Рис. 2. Конечно-элементная модель образца с концентратором

В результате анализа был определен теоретический коэффициент концентрации напряжений, значение которого составило 8,57.

На разрывной машине Р-20 было проведено пошаговое статическое нагружение лабораторных образцов с одновременным замером изменения температуры вблизи зоны концентрации напряжений. На рис. 3 показана теплограмма образца из стали Ст3сп5 в момент разрушения.

Итоговые результаты представлены в виде табл. 1, 2. Графически данные таблиц представлены на рис. 4, 5.

Анализируя полученные данные можно сделать вывод о наличие двух переходных моментов в развитие диссипаций при деформировании материала. Первый связан с началом роста упругой деформации на начальном этапе нагружения. Второй - момент перехода от упругих деформаций к пластическому течению.

С практической точки зрения наибольший интерес представляет именно второй этап так как наличие пластических деформаций в несущих металлоконструкциях кранов не допускается. Рассматривая второй этап для обеих сталей была проведена аппроксимация следующими функциями:

о = 108,781п

о= -188,82 ДТ 2 + 1211,9 ДТ - 1453,8.

8

Рис. 3. Теплограмма образца из стали Ст3сп5 в момент разрушения Температурные поля для исследуемых образцов из Ст3сп5^

Таблица 1

о, МПа 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 390 420

Т, °С 15,1 15,2 15,6 15,7 15,7 15,7 15,7 15,7 15,7 15,8 16,2 16,3 16,4 17,0 18,1

ДТ, °С 0 0,1 0,5 0,6 0,6 0,6 0,6 0,6 0,6 0,7 1,1 1,2 1,3 1,9 3

Таблица 2

Температурные поля для исследуемых образцов из 09Г2С __

о, МПа 0 43,7 87,4 131,1 174,5 218,2 261,9 305,6 349,3 393 436,7 480

Т, °С 15,3 15,5 15,7 15,7 15,7 16,3 17,0 17,5 17,7 17,8 17,9 18,3

ДТ, °с 0 0,2 0,4 0,4 0,4 1 1,7 2,2 2,4 2,5 2,6 3

Рис. 4. Изменение температуры при нагружении образца из Ст3сп5

Рис. 5. Изменение температуры при нагружении образца из 09Г2С

461

Зависимость (1) позволяет рассчитать по изменению температурного поля величину действующих напряжений при наличии пластического течения сталей Ст3сп5.

Зависимость (2) позволяет рассчитать по изменению температурного поля величину действующих напряжений при наличии пластического течения сталей 09Г2С.

Практическое применение зависимостей 1 и 2 возможны для анализа напряженно-деформированного состояния локальных мест исследуемой металлоконструкции и позволяет определить величину действующих напряжений при условии выхода в пластическую область деформации. Это позволит существенно снизить временные затраты по сравнению с тензомет-рированием.

Список литературы

1. Диагностирование грузоподъемных машин / В.И. Сероштан, Ю.С. Огарь, А.И. Головин и др.: Под ред. В.И. Сероштана, Ю.С. Огаря. М.: Машиностроение, 1992. 192 с.

2. Иванова В.С., Терентьев В.Ф. Природа усталости металлов. М.: Металлургия, 1975.

456 с.

3. Селиверстов Г.В. Метод измерения степени усталостного повреждения металлоконструкций грузоподъемных кранов // Тез.докл. Всероссийской науч. - техн. конференции «Состояние и проблемы измерений». М., 2000. С. 76 - 77.

4. Серегина А.А. Метод определения пластических деформаций в зонах концепции напряжений металлоконструкции грузоподъемных машин // Наземные транспортные-технологические комплексы и средства : материалы Международной научно-технической конференции / отв. ред. Ш. М. Мерданов. Тюмень: ТИУ, 2020. С. 218-222.

5. Серегина А.А. Оценка напряженно-деформированного состояния элементов металлоконструкций по изменению тепловых полей // Молодёжный вестник Политехнического института: сб. статей в 2 ч. Тула: Изд-во ТулГУ, 2020. Ч.1. С. 233-237.

Селиверстов Григорий Вячеславович, канд. техн. наук, доцент s456789@mail. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Серегина Анна Андреевна, студент, seregina.ann-1998@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет

INVESTIGATION OF TEMPERATURE FIELDS DURING DEFORMATION OF SAMPLES WITH A

STRESS CONCENTRATOR

G.V. Seliverstov, A.A. Seregina

The relationship between changes in the stress-strain state of samples with a fixed stress concentrator during static deformation and temperature fields caused by dissipation is considered. The possibility of using this approach for the practical determination of stresses in the elements of metal structures is analyzed.

Key words: operation, service life, metal structure, defect, strain gauge.

Seliverstov Grigory Vyacheslavovich, candidate of technical sciences, docent, s456789@mail.ru, Russia, Tula, Tula State University,

Seregina Anna Andreevna, student, seregina.ann-1998@mail.ru, Russia, Tula, Tula State University