ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Анализ накопления повреждений от эксплуатационных и аварийных нагрузок из "Ресурс безопасной эксплуатации сосудов и трубопроводов" С учетом параметров эксплуатационного нагружения числа циклов нагружения N, времени т, температуры г, эксплуатационных усилий F, определяемых по (4.9), напряжений о и деформаций е — по уравнению (4.10) строят временные зависимости f, I, су, е (рис. 4.3). Эти зависимости являются исходными для анализа прочности, ресурса, надежности и инженерной безопасности технических систем [13]. Величины и X, как правило, задаются режимами эксплуатации и могут регистрироваться контрольно-измерительными системами машин и установок. При этом динамика процессов и режимов сказывается на всех параметрах в уравнениях (4.9), (4.10). Параметры а и е общего и местного напряженно-деформированного состояний могут быть получены расчетом по величинам Р, I кх или специально измерены с помощью средств натурной тензо- и термометрии. [c.119] По схеме на рис. 4.3 для представленного блока эксплуатационного нагружения выделяют следующие режимы монтаж (М), испытания (И), пуск (77) в эксплуатацию, стационарный (С) режим с поддержанием заданных рабочих параметров, регулирование (Р) базовых параметров, возникновение аварийных А) ситуаций, срабатывание систем защиты (3) и останов (О) эксплуатации после плановых или аварийных режимов. [c.119] Наибольщей динамичностью обладают параметр АР , далее Дг и затем АР. [c.120] Из анализа всех /-режимов устанавливаются наиболее неблагоприятные сочетания Р и 1 Р - для повыщенных и высоких температур, Р - для низких и криогенных температур. Число таких сочетаний определяется с учетом числа и геометрических форм рассчитываемых деталей или элементов и числа опасных зон и сечений в них. [c.120] На основе выбранных статических, квазистатических и динамических расчетных схем по формулам сопротивления материалов, теорий стержней, пластин и оболочек для каждого момента времени устанавливают компоненты трех номинальных нормальных а и трех касательных т напряжений без учета концентрации напряжений. По этим составляющим устанавливают главные напряжения 01,а2,сгз и главные деформации 61,62,63, в первую очередь для момента достижения экстремальных нагрузок Главным площадкам для этого момента времени присваивают индексы 1,], к, и тогда имеют место равенства = а,-,02 = OJ,OJ = и в1 = ,62 = е ,ез = е . Для других моментов времени Т1,Т2.Т и зафиксированных площадок с индексами 1,], к, строят зависимости компонентов а и деформаций е по времени т. На этих зависимостях выделяют моменты, когда какая-то из составляющих напряжений а или деформаций е достигает экстремального (максимального или минимального) значения, а потом начинает уменьшаться (или увеличиваться) до следующего экстремального значения. [c.120] Реакцией несущих элементов конструкций и деталей машин на суммарные статические и динамические нагрузки, воздействие физических полей (линейных и нелинейных) и коррозионных сред является возникновение не только полей напряжений и деформаций, но и полей повреждений. В зонах концентрации напряжений местные напряжения и деформации имеют повышенные значения, а сами процессы повреждения материала протекают более интенсивно, приводя к возникновению разрушения. В зависимости от условий нагружения и среды реализуются различные механизмы накопления статических и динамических повреждений и разрушения. Среди этих механизмов наиболее опасными являются те, которые приводят к катастрофическому (лавинообразному) разрушению, например, в условиях коррозионного растрескивания, динамического и длительного статического нагружения, контактного взаимодействия, неустойчивого распространения трещины при статическом кратковременном нагружении. Выявление и анализ физических особенностей механизмов появления и накопления повреждений в материале играют весьма важную роль в изучении механики разрушения и катастроф при формировании физических критериев достижения предельного состояния. [c.121] Один из наиболее перспективных подходов к описанию нелинейного процесса накопления повреждений и последзтощего разрушения может быть основан на концепции повреждаемости материала, гибкость которой продемонстрирована в ряде работ. Параметр сплошности или поврежденности в рассматриваемой концепции не имеет однозначного физического толкования. В зависимости от динамики процессов деформирования или разрущения изменение сплошности (повреждаемость) может означать появление и рост микротрещин и пор, изменение механических или физических свойств или и то, и другое. Но все эти интерпретации объединяет то, что сплошность отражает состояние материала при воздействии на него механических нагрузок и физических полей. [c.121] Использование указанных выше экспериментальных методов и средств, включающих элементы технической диагностики, датчики повреждений и индикаторы нагруженности, позволяет воссоздать нагруженность элементов конструкций и кинетику повреждений материала в процессе эксплуатации в диапазоне реальных частот изменения напряжений от 10 до 10 1/с. Основу отмеченных методов и средств должны составлять механические, физические и химические явления, сопровождающие процесс накопления повреждений. Фиксируя накапливаемые необратимые повреждения в чувствительных элементах (например, тензорезисторах) датчиков повреждений, можно сформулировать модель суммирования повреждений и судить о степени повреждения элемента конструкции. При воздействии на материал конструкции сложного комплекса повреждающих факторов целесообразна разработка комплексной системы эксплуатационного контроля материала. Такая система, в частности, реализована на АЭС, ТЭС, ХП и характеризуется тремя разрезами (структурным, хронологическим и функциональным), позволяющими выявить основные, приводящие к повреждению металла факторы и процессы. [c.122] Таким образом, знание статического и динамического напряженно-деформированного состояния, основных повреждающих факторов, кинетики повреждений и определяющих уравнений позволяет перейти к формулировке структуры предельных состояний элементов технических систем в поврежденных состояниях для указанной выше области частот нагружения. При этом предельные состояния элементов характеризуются следующими определяющими несущую способность критериями деформативности и жесткости однократного кратковременного, динамического и длительного статического разрущения, линейной и нелинейной механики разрушения и механики катастроф. [c.122] С точки зрения безопасности, первый вид предельного состояния — разрушение — имеет принципиальное значение, так как приводит к максимально возможному ущербу. [c.123] Для установления области допустимых параметров состояния технической системы с различной степенью динамичности нагружения критериальные характеристики уменьшают в некоторое число раз, т.е. в расчетные уравнения (4.1)-(4.7) вводят коэффициенты запаса п. Коэффициенты запаса по критериальным характеристикам, как правило, назначают исходя из возможного предельного состояния технической системы, традиций и практики ее (или ее прототипов) эксплуатации. Для некоторых случаев предельных состояний коэффициенты запаса могут быть получены и расчетным путем, на основе научно обоснованных концепций. [c.123] Для количественных оценок безопасности и живучести сложных технических систем типа ХП и МТ важное значение, как отмечалось выще, имеют вероятностные методы расчета конструкций. Разработаны и широко применяются на практике различные модели и методы оценки работоспособности элементов конструкций в условиях реализации случайных нагрузок, заданного статистического закона распределения свойств материала и т.д. В основу построения таких моделей обычно закладывают эмпирические знания о характере возможных воздействий, особенностях распределения свойств материала и геометрии элементов. Эти модели и соответствующие расчетные методы позволяют перейти к определению, нормированию и обоснованию допустимых параметров риска, уровней нагруженности и дефектности элементов технической системы. Необходимо отметить, что ценность результатов, полученных на основе вероятностных оценок работоспособности элементов конструкций при сложных статических и динамических спектрах нагружения, снижается по мере снижения статистической обусловленности эмпирических допущений, лежащих в основе расчетных методик. Поэтому при оценке маловероятных событий возникают объективные сложности, связанные с достоверностью и обоснованием результатов вероятностного анализа. [c.124] Фундаментальным вопросом механики деформирования и разрушения является вопрос об уравнениях состояния, характеризующих связь между текущими значениями напряжений а и деформацией е [117, 245]. Эта связь в общем случае оказывается достаточно сложной и зависящей от типа конструкционного материала, условий нагружения (температура, скорость деформирования, время выдержки, физико-механические воздействия окружающей среды), характера напряженного состояния, возможных структурных изменений в материале в процессе деформирования и степени развития микро- и макроповреждений. В случае одноосного растяжения гладкого образца с непрерывной регистрацией диаграммы деформирования / ((т, е) до момента разрушения сам факт разрушения фиксируется как конечная точка на диаграмме, хотя процессы микро- и макроразрушения могут начинаться существенно раньше. [c.125] Диаграммы первых двух видов являются базовыми для характеристики механических свойств. Их обычно приводят в справочниках по материалам, они входят в банки данных, формируемых на базе ЭВМ. [c.125] Диаграммы третьего вида с их аналитическим описанием отвечают как задачам справочных пособий и банков данных по конструкционным материалам, так и инженерным расчетам прочности и долговечности несущих элементов машин и конструкций. [c.125] Для идеально упругого тела связь между напряжениями и деформациями а = /(е) описывают законом Гука. Этот закон справедлив для начальной стадии деформирования большинства конструкционных материалов и для предельного состояния хрупких материалов (в том числе композитов, керамик). [c.126] Для идеально упругопластического тела упругое деформирование сменяется пластическим деформированием при невозрастающих напряжениях. Константами материала в этом случае являются модуль упругости Е и предел текучести (при этом е . = а.р/Е). Зависящим от динамики процесса нагружения оказывается параметр. [c.126] Если при анализе деформирования значением упругих деформаций можно пренебречь, то вводится понятие жесткопластического тела. [c.126] Для материалов со степенным упрочнением используют три константы — Е, и показатель упрочнения материалов в упруго-пластической области т (О т 1). Степенной закон деформирова-ния в неупрутой области вытекает из теории дислокаций в металлах и хорошо подтверждается для многих групп конструкционных материалов в широком интервале деформаций — от упругих до предельных. По степени влияния динамичности нагружения эти параметры располагаются по цепочке ст,., т, Е. [c.126] В дополнение к упомянутым выше базовым константам физи-ко-механических свойств конструкционных материалов в расчеты напряженно-деформированных состояний входят коэффициент Пуассона р, и коэффициент температурного расширения а Характеристику в пределах упругих деформаций для материала данного типа принимают постоянной (в пределах 0,25-0,3 для металлических материалов), с переходом в неупругую область значение его возрастает (до 0,5 ДО1Я металлических материалов). [c.127] Вернуться к основной статье