Проблемы компьютерного анализа усталостной прочности деталей машин с учетом влияния температуры

оптимальные параметры вентиляции.

Обобщая вышеизложенное, можно сделать следующие выводы:

1. Установленная мощность вентиляторного агрегата приточной вентиляции окрасочно-сушильных камер при ремонтной окраске и сушке автомобилей должна быть всегда меньше установленной мощности вентиляторного агрегата вытяжной вентиляции.

2. Оптимальное соотношение мощностей вентиляторных агрегатов можно определить по предлагаемой методике, которая будет зависеть от аэродинамических характеристик воздушной сети ОСК и требуемых значений скоростного напора и избыточного давления в рабочей камере.

Библиографический список

1. Бобров Г. Камерный ансамбль // Автомобиль и сервис. 2001. № 12. С. 16-18.

2. Калинушкин М П. Вентиляторные установки. М: Высшая школа. 1979. 223 с.

3. Каменев П.Н., Тертичник Е.И. Вентиляция: учеб. пособие. М.: Изд-во АСВ, 2008. 624 с.

4. Пирумов А.И. Обеспыливание воздуха. М.: Стройиздат, 1974. 207 с.

5. Успенский М.Н. Окрасочно-сушильные камеры USI ITALIA // Автомобиль и сервис. 2001. № 8. С. 30-32.

6. Файнштейн А.М. Качество лакокрасочных материалов можно улучшить с помощью органобетонита // Лакокрасочные материалы и их применение. 2008. №6. С. 34.

УДК 534.1:539.3

ПРОБЛЕМЫ КОМПЬЮТЕРНОГО АНАЛИЗА УСТАЛОСТНОЙ ПРОЧНОСТИ ДЕТАЛЕЙ МАШИН С УЧЕТОМ ВЛИЯНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ

Буй Мань Кыонг 1

Иркутский государственный технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

Дан краткий обзор необходимости компьютерного анализа усталостной прочности деталей машин с учетом влияния температуры. Рассмотрен подход и принципы анализа усталостной прочности деталей машин. Оцениваются и анализируются достоинства, недостатки и влияние методов схематизации нагружения и гипотез накопления усталостных повреждений на точность расчета усталостной долговечности деталей машин. Ил. 1. Библиогр. 14 назв.

Ключевые слова: машина; усталостная прочность; выносливость; компьютерный анализ; метод конечных элементов.

THE PROBLEMS OF COMPUTER ANALYSIS OF MACHINE PARTS RESIDUAL STRENGTH TAKING INTO ACCOUNT TEMPERATURE INFLUENCE Bui Man Kyong

Irkutsk State Technical University 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074

The author reviews the necessity of the computer analysis of the residual strength of machine parts taking into consideration the temperature influence. The approach and analysis principles of machine parts residual strength are examined. The author assesses and analyses advantages, disadvantages and the influence of stressing schematization methods and hypotheses on the accumulation of fatigue damages on the accuracy of calculation of residual durability of machine parts 1 figure. 14 sources.

Key words: an automobile; residual strength; durability; computer analysis; method of finite elements.

При использовании современных машин в производстве для повышения качества изделий и производительности труда требуется непрерывное увеличение мощностей, скоростей, грузоподъемности, производительности и других параметров. В связи с этим происходит систематическое увеличение нагрузок в машинах и устройствах. Многие детали энергетического, металлургического и другого оборудования работают в тяжелых условиях не только переменных механических нагрузок, но и под действием высокой, иногда переменной температуры. В результате неравномерности распределения температур по объему деталей в них возникают термические напряжения, приводящие после многократных теплосмен к появле-

нию трещин термической усталости. В связи с этим одной из актуальных проблем современного машиностроения является проблема повышения долговечности элементов машин по критериям снижения их металлоёмкости. Другими словами, повышаются требования к проектам, а также к конструкционным материалам, которые косвенным образом влияют на развитие современной технологии в направлении создания металлов и их сплавов со все более высокими прочностными свойствами. Кроме этого, необходимо исследовать теоретическую термическую усталость материалов для совершенствования метода определения характеристик сопротивления термической усталости деталей сложной формы. Применение таких

1Буй Мань Кыонг, аспирант, тел.: 79246077870, e-mail: cuong80hvktqs@yahoo.com.vn Bui Man Kyong, a postgraduate, tel.: 79246077870, e-mail: cuong80hvktqs@yahoo.com.vn

уникальных установок, как атомные реакторы, турбины большой мощности, реактивные двигатели и новые энергетические установки, а в металлургической промышленности и в машиностроении еще и влияние интенсификации производства в значительной мере способствуют повышению заинтересованности в проблеме термической усталости.

Приблизительно 80-90% причин отказов деталей и элементов конструкций машин приходится на усталостные разрушения, которые не только значительно увеличивают затраты на эксплуатацию, но и зачастую могут вызывать нарушения безопасности движения машин. Таким образом, к числу наиболее важных показателей, характеризующих надежность подвижного состава, относится усталостная долговечность деталей и элементов конструкций машин.

Эпизодические исследования, выполненные в последние два десятилетия, показали, что результатом термической усталости является разрушение котельных барабанов, камер пароперегревателей, газовых трубопроводов и особенно деталей роторов и корпусов турбин электростанций, а также стальных изложниц для отливки металла, валков и штампов [4]. Из приведенных выше примеров видно, что детали машин и устройств, работающих в условиях циклических изменений температур, должны обладать определенным комплексом механических, антикоррозионных, технологических и конструкционных свойств. Это достигается путем выбора оптимальных технологических процессов, а также применения оптимального химического состава металла и соответствующих легирующих добавок.

Оценка и расчет на усталостную прочность и долговечность элементов конструкций, работающих в

сложных условиях переменных механических нагрузок и под действием высокой (иногда переменной) температуры, выполняются с помощью нескольких шагов (рисунок). Точность оценки усталостной долговечности принципиально зависит от точности результатов анализа напряженного и деформационного состояния, методов схематизации напряжений, а также гипотез повреждаемости.

В деталях со сложной геометрией и сложными условиями работы (лопатки, диски, роторы газотурбинных двигателей) не может быть точно найдено аналитически напряженное, а также деформационное состояние. В этом случае используется особенный метод расчета - численный анализ с помощью метода конечных элементов. Методы конечных элементов представляют собой эффективный численный метод решения линейных или нелинейных инженерных и физических задач. Даже сегодня этот метод все еще считается методом высокой технологии «high-tech».

Если предположить, что температура меняется по толщине пластины по линейному закону и в плоскостях, параллельных поверхностям пластины, она остается неизменной, то соответствующие напряжения изгиба находятся из уравнений [1,8]:

м=

а„

a AT

- матрица

Методы анализа усталостной долговечности деталей

упругости; h- толщина пластинки; AT - разность температур верхней и нижней поверхностей пластинки; (г) - вектор деформаций.

В большинстве случаев на практике имеет место случайный характер изменения напряжений во времени. Для того, чтобы численно или экспериментально полученную диаграмму «напряжение-время» использовать в расчете усталостной долговечности конструкций, применяют методы схематизации напряжений. При этом от величины колебаний получают повреждаемость, выраженную через средние напряжения и амплитуды. Имеется много методов схематизации напряжений: метод экстремумов, метод максимумов, метод минимумов, метод размахов, метод полных циклов, метод пересечений, метод «дождя» и др. Однако использование каждого указанного метода может привести к заметной разнице в полученных расчетом ресурсах деталей. Именно для широкополосного процесса изменения напряжения метод максимумов дает следующее: схематизированный процесс изменения напряжения приводит к большим повреждениям, чем реальный.

Метод размахов приводит к схематизированному процессу, обладающему меньшим повреждающим действием, чем реальный процесс.

А методы пересечений и «дождя» широко применяются в практике процесса расчета усталостной долговечности конструкций, особенно в самолетостроении. Метод «дождя» приводит к результатам, практически совпадающим с результатами, полученными методом полных циклов. Он более удобен для программирования на ЭВМ, а также для автоматизации процесса обработки экспериментальных данных о нагруженности, записанных на магнитных носителях [4,11].

На рисунке показаны методы анализа усталостной прочности деталей как метода долговечности по напряжениям, метода долговечности по деформациям, метода механики разрушения. Метод долговечности по напряжениям часто используется для того, чтобы оценить многоцикловую усталостную долговечность деталей. В данном методе необходимо применять гипотезы суммирования повреждений, которые давно заинтересовали исследователей. Сегодня известно много корректированных линейных гипотез накопления усталостных повреждений, которые предложены многими авторами, а именно: Серенсеном С.В, Решетовым Д.Н, Palmren-Miner, Haibach, Corten-Dolan, Gnilke, Marin, Marco-Starkey, Manson, Gatts и др.

Расхождение результатов расчета и эксперимента зависит от вида нагружения, средних напряжений и других факторов. Наибольшее рассеивание характерно для метода Palmgren-Miner. Гипотеза Haibach приближает реальные результаты эксперимента к достоверным, особенно при стт=0 ( симметричный цикл ) и числе циклов нагружения от 106 до 109. Применение гипотезы Palmren-Miner характерно для кривых усталости, имеющих точку перегиба. Такое распределение напряжений свойственно углеродистым сталям. Для легированных сталей и титановых спла-

вов характерны кривые, имеющие точку перегиба с замедлением усталостного разрушения. В этом случае используется гипотеза Иа1ЬаоИ. Для типа кривых усталости не существует перелома и снижение прочности происходит до момента разрушения. Это характерно для алюминиевых и некоторых жаропрочных сплавов в определенном интервале температур. В подобных случаях лучше будет работать гипотеза О^еп-йо1ап и В.П.Когаева.

Отличие гипотезы Серенсена от Со|1еп-йо1ап будет только в том, что фиктивное продление линии усталости произойдет до напряжений ашах = 0.5а—,

поэтому предполагается, что величины напряжений ниже этого предела не будут влиять на усталостную прочность и тогда средняя долговечность определится по формуле

I I

S

s

N =

S HL CT N

S

N

Предпринимались попытки улучшить соответствие результата расчетов и экспериментов за счет использования модификаций линейной гипотезы путем замены критерия разрушения на величину "а", отличающуюся от 1 и зависящую от рассеивания свойств материала. Профессором В.П.Когаевым получена формула для определения величины "а" в (2) [6,7] :

a = -

а Е- 0 . 5а

a max^1 -

1Д

а - 0.5а

-1Д

при а >0.1 ¿¡ = -

1

-• S

где са max - максимальная амплитуда напряжений.

Теория Marin предсказывает высокую долговечность деталей ( выше, чем в линейной теории), когда "у" эквивалентно значению "а" в гипотезе Corten-Dolan. Теория Marco-Starkey предсказывает долговечность более последовательно в сравнении с линейной теорией. Теория Marco-Starkey учитывает влияние амплитуды переменных напряжений с учетом истории нагружения. Этот эффект во время периода непрерывного увеличения амплитуды может быть менее эффективным и в случае возникновения данного эффекта может быть уменьшен запас прочности. Теория Marco-Starkey эффективно используется для оценки и расчета усталостной долговечности деталей с учетом влияния температуры. Но главный недостаток этой теории - необходимость экспериментальных данных для экспоненты "m". Теория Manson с учетом появления и развития трещины определяет долговечность также, как и теория Palmgren-Miner. Хотя теория Manson разделена на этапы появления и развития трещин, она существенно совпадает с теорией Palmgren-Miner и принятой с — N диаграммой, полученной при полном повреждении образца с включением обоих аспектов появления и развития трещины. Теория повреждаемости Gatts предсказывает долговечность ниже, чем подобный вид Palmgren-Miner теории, но

n

выше, чем теории Manson и Marco-Starkey. Недостаток теории Gatts - необходимость проведения большого числа экспериментальных исследований для определения свойств материала (фактор " C ") для каждого случая.

Мы увидели, что очень много конструкций и деталей машин, используемых в разных областях (машиностроении, вооружении, атомной энергетике, транспорте, металлургии) подвергаются разрушению вследствие термической усталости. Однако оценка и расчет термической усталости этих деталей представляют немало трудностей, особенно деталей сложных геометрических форм либо деталей, работающих в условиях эксплуатации в разных режимах работы или при сложном, термически напряженном и осложненном деформацией состоянии, а также в условиях неоднородного термонапряженного состояния. Поэтому необходимо глубоко изучать и исследовать проблему термической усталости, для того чтобы найти новые подходы к оценке ресурса и прочности деталей, оценить термическую усталость деталей совершеннее, в соответствии с современными достаточно практическими инженерными требованиями.

На сегодняшний день появилось много коммерческих современных промышленных компьютерных программ, которые имеют способность оценивать и рассчитывать усталостную долговечность и ресурс деталей. Это такие типичные программы, как ANSYS, ANSYS Workbench, NASTRAN, Fastran II, nCode, Engrasp и др. Однако они не получили широкого распространения, так как в них ограничено применение характеристических усталостных долговечностей для разных материалов, а также использование гипотез накопления усталостных повреждений. Другим словами, модуль Fatigue системы ANSYS реализован в виде калькулятора в блоке постпроцессора [8,9,10]. Данный модуль использует только линейную гипотезу накопления усталостных повреждений методом Palmgren-Miner. У модуля Fatigue нет функций оценки и расчета малоцикловой термической усталости.

Система ANSYS Workbench реализует расчет только на малоцикловой усталости по уравнению Morrow или по уравнению Smith, Watson and Topper, но не может рассчитывать влияние температуры на малоцикловую усталость.

Система NASTRAN и Fastran II может использоваться в практике оценки усталостной долговечности деталей летательных аппаратов. Для расчета ресурса разных деталей данные программы тоже используют несколько гипотез накопления усталостных повреждений (гипотезу Palmgren-Miner ) или моделирование роста усталостных трещин [13,14]. Но они не могут дать точных результатов при оценке усталостной долговечности некоторых марок сталей и сплавов в России.

Модуль ЕТВ системы Engrasp позволяет оценивать и рассчитывать малоцикловую и многоцикловую усталость, когда расчет малоцикловой усталости происходит только двумя методами - методом Morrow и

методом Smith, Watson and Topper. Влияние температуры при этом не учитывается. А при расчете многоцикловой усталости используется линейная гипотеза накопления усталостных повреждений Palmgren-Miner и нелинейная Marco-Starkey. С помощью этих модулей невозможно получить точные результаты для сталей марок Ti и алюминиевых сплавов и других материалов.

В связи с этим мы попытаемся усовершенствовать компьютерные программы BLADLES ( Bladed Disk Life Estimation), которые были созданы автором работ[1,8], что позволит не только оценить и рассчитать усталостную прочность деталей, но и сделать анализ малоцикловой усталости с учетом влияния температуры. Нами будут использованы разнообразные гипотезы накопления усталостных повреждений (линейная и нелинейная) и экспериментальные результаты исследований по данной теме. Эти компьютерные программы обеспечат необходимую точность оценки и расчета на усталостную прочность деталей в соответствии с требованиями, предъявляемыми к разным стадиям проектирования и процессам эксплуатации

деталей машин, которые изготовлены из различных материалов.

Библиографический список

1. Автоматизация прочностных расчетов турбомашин / под ред. О.В.Репецкого. Иркутск: Изд-во Иркутск. Союза НИО, 1990. 100 с.

2. Басов К.А. ANSYS в примерах и задачах / под общ. ред. Д.Г.Красковского. М.: КомпьютерПресс, 2002. 224 с.

3. Берендеев Н.Н. Применение системы ANSYS к оценке усталостной долговечности. Нижний Новгород, 2006, 83 с.

4. Вронский А. Термическая усталость металлов; пер. с польск. М.: Металлургия 1986. 128 с.

5. Каплун А. Б., Морозов Е. М., Олферьева М.А. ANSYS в руках инженера: Практическое руководство. М.: Едиториал УРСС, 2003. 272 с.

6. Расчеты деталей машин и конструкций на прочность и долговечность / В.П.Когаев [и др.]. М., 1985.

7. Когаев В.П. Расчет деталей машин на прочность при напряжениях, переменных во времени. М.: Машиностроение, 1977. 130 с.

8. Репецкий О.В. Компьютерный анализ динамики ипроч-ности турбомашин. Иркутск: Изд-во ИрГУ, 1999. 301с.

9. Серенсен С.В. Усталость материалов и элементов конструкций. М., 1985.

10. ГОСТ 25.504-82. Расчеты и испытания на прочность. Методы расчета характеристик сопротивления усталости.— М.: Изд-во стандартов, 1982.

11. ГОСТ 25.101-83. Расчеты и испытания на прочность. Методы схематизации процессов нагружения. М.: Изд-во стандартов, 1983.

12. Raymond Browell . Calculating and Displaying Fatigue Results. Product Manager New Technologies, ANSYS, Inc.Al Hancq Development Engineer , ANSYS, Inc. March 29, 2006.

13. MSC/NASTRAN User's Manuals. Version 70.5//MacNeal-Schwendler Corp., 1999.

14. Newman JC Jr. Fastran II - a fatigue crack growth structural analysis program. NASATM-104159, Hampton (VA): NASA Langley Research Center, 1992.