ПРОБЛЕМЫ МАШИНОСТРОЕНИЯ И НАДЕЖНОСТИ МАШИН
< 4, 2004
НАДЕЖНОСТЬ, ПРОЧНОСТЬ, ИЗНОСОСТОЙКОСТЬ МАШИН
И КОНСТРУКЦИЙ
УДК 539.375:539.4
© 2004 г. Разумовский И.А., Хвостов С.М.
МЕТОДОЛОГИЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ В БИМЕТАЛЛИЧЕСКИХ ОБЕЧАЙКАХ КОРПУСОВ
Изложен методический подход к исследованию полей остаточных технологических напряжений в биметаллических обечайках корпусов, для которых характерным является высокий градиент напряжений на границе стыка разнородных материалов. В основе методики лежит комплексный подход, включающий проведение экспериментальных исследований общих напряжений на натурном объекте, экспериментальные исследования локального распределения напряжений на плоских натурных образцах и расчет модельных задач на основе метода конечного элемента. Приводится пример решения практической задачи.
Неотъемлемой составляющей комплексного исследования, связанного с уточненной оценкой прочности и остаточного ресурса высоконагруженных биметаллических корпусов оборудования современной техники является анализ остаточных технологических напряжений. Высокий уровень остаточных напряжений (OH), для которых характерным является высокий градиент напряжений в зоне стыка разнородных материалов и которые не удается снять последующей термообработкой, обусловлен различием коэффициентов теплового расширения высоколегированных нержавеющих материалов, наносимых на внутреннюю поверхность основного материала корпуса (например для реакторов типа ВВЭР температурный коэффициент линейного расширения металла аустенитной наплавки а1 превышает соответствующие значения коэффициента а2 основного металла обечайки в среднем на 5 ■ 10 град- при температурах термообработки и рабочих температурах). Учет реального распределения ОН и снижение на его основе консерватизма расчетов корпусов (реакторов ВВЭР, ACT и других конструкций) на сопротивление хрупкому разрушению и циклическую прочность, является одним из возможных резервов для увеличения их расчетного ресурса и продления сроков службы строящихся и проектируемых объектов современной техники (в первую очередь, энергомашиностроения).
Технология изготовления биметаллической обечайки включает в себя следующие основные этапы: изготовление заготовки, включая выплавку, обработку давлением, механическую обработку и основную термическую обработку; наплавку антикоррозионного покрытия на внутреннюю поверхность обечайки; термическую обработку наплавленной обечайки для частичного восстановления свойств основного металла в поднаплавочной зоне и создания "однородного" поля ОН в обечайке.
Анализ современных подходов к исследованию остаточных напряжений, когда причиной их образования является термомеханические процессы, проходящие при высоких температурах (выше температуры плавления) показывает, что для исследования ОН следует использовать экспериментальные (экспериментально-расчетные) методы [1]. Для конструкций, состоящих из разнородных элементов, решение задачи осложняется рядом обстоятельств: вследствие высоких градиентов ОН в зоне стыка разнородных материалов [2, 3 и др.] получение локального распределения по толщине обечайки возможно только на основе исследований плоских образцов и требует применения специальных методов [4]; при вырезании плоских образцов из натурной обечайки происходит существенное перераспределение ОН, связанное со снятием напряжений на освобождаемых поверхностях. С учетом этих обстоятельств, предлагаемая методология основана на комплексном применении экспериментальных, расчетных и экспериментально-расчетных методов исследования напряженно-деформированного состояния и включает три основных этапа.
1. С учетом тонкостенности обечайки, а также осевой симметрии конструкции можно принять, что остаточные напряжения (внутренних силовых факторов) распределяются линейно по толщине и определяются кольцевым и осевым изгибающими моментами. Определение общих ОН следует проводить на стадии вырезания образцов из штатной обечайки, боковыми поверхностями которого являются два кольцевых и два меридиональных сечения, с использованием стандартных экспериментальных методов исследования ОН (электротензометрия, метод сверления отверстия и др. [5]).
2. Анализ распределения ОН по толщине обечайки проводится на плоских образцах, вырезанных из обечайки. Для решения этой задачи можно использовать различные методические подходы. Выбор оптимальной методики и параметров эксперимента можно сделать только в процессе исследования с учетом его конкретных результатов.
3. Определение величин и распределения остаточных напряжений в цилиндрической обечайке можно получить на основе суперпозиции экспериментальных исследований в п. 1 и 2, а также результатов расчетов серии краевых задач, моделирующих изменение поля ОН в образцах, обусловленное вырезанием их из натурного объекта. С учетом этих исследований можно построить или скорректировать модель, позволяющую выполнить расчет процесса образования остаточных напряжений на основе использования метода конечных элементов (МКЭ).
Из исследуемого объекта вырезаются два плоских образца, срединными сечениями которых являются кольцевые (0 = 01, 02) и осевые (z = z1, z2) сечения обечайки (r, 0, z -оси цилиндрических координат, где z - ось обечайки).
Для определения оптимального соотношения между шириной плоского образца a и толщиной обечайки H с использованием МКЭ были проведены расчеты модельной краевой задачи о действии на боковых торцах плоского образца моделирующих ОН напряжений oy(x). Распределение этих напряжений вдоль оси x принимали кусочно-линейным; при x = h напряжения oy(x) имеют разрыв. Варьировали два параметра H/a и h/H (h - толщина наплавки). С учетом тонкостенности обечайки и малой кривизны образцов их расчетную схему принимали в виде прямого прямоугольного параллелепипеда 0 < x < H, -a/2 < y < a/2, -b/2 < z < b/2 (x, y, z - декартовы координаты). При выборе размеров образцов учитывали возможность минимизации погрешности результатов последующего получения ОН в натурной обечайке (основанного на суперпозиции данных эксперимента и расчета). Приведенные на рис. 1 результаты расчетов позволяют определить соотношения геометрических параметров, при которых на линии симметрии образца (зоне экспериментального исследования ОН) влияние освобождаемых остаточных напряжений даже при принятом крайне "жестком" их распределении сводится к линейному, т.е. соответствует "общим" напряжениям в плоскости образца.
Для учета влияния на напряжения в плоском образце ОН, действующих перпендикулярно плоскости образца (и снимаемых при его вырезании) были проведены расчеты соответствующей пространственной задачи. Распределение снимаемых напря-
Oy, МПа 150
100
50h.
0
-50
-100 95
100
x, мм 105
Oy, МПа
140 г
120 40
20
0
-20 95
100
x, мм
105
Рис. 1. Напряжения действующие на торцах: 1 - h/H = Рис. 2. 1 - напряжения, действующие перпендикуляр-
= 0,05, 2 - 0,2. Напряжения, возникающие в сечении но плоскости образца (h/H = 0,05). Напряжения в пло-
симметрии образца при H/a = 0,2: 3 - h/H = 0,05, скости образца, возникающие в сечении его симмет-
4 - 0,2. Напряжения, возникающие в сечении симме- рии: 2 - h/H = 0,05, b/a = 0,02; 3 - h/H = 0,1, b/a = 0,02;
трии образца при H/a = 2,0: 5 - h/H = 0,05, 6 - 0,2 4 - h/H = 0,2, b/a = 0,02; 5 - h/H = 0,05, b/a = 0,001
жений о ¿(л) принимали кусочно-линейным; при х = Н напряжения о ¿(л) имели разрыв. Варьировали параметры Н/Я, Я/а и Ь/а (Ь/а - отношение размера образца в направлении, перпендикулярном его плоскости Ь к ширине образца а). Некоторые результаты расчетов приведены на рис. 2. Анализ показывает, что распределение напряжений о^ (у) в плоскости для тонкого образца (Ь/а ^ 0) близко к распределению действующих напряжений о ¿(у); для тонкого образца (Ь/а = 0,001) соотношение напряжений о^ (у)/ог(у) ~ ц (ц - коэффициент Пуассона материала); найденное соотношение о^ (у)/о^у) ~ ц является приближенным и его можно применять только для оценки напряжений в зоне скачкообразного изменения (или близкого к нему) (при более мягком распределении ОН погрешность получаемых результатов будет увеличиваться, при линейном распределении о^ (у) дополнительные напряжения о ¿(у) ~ 0);
с ростом толщины образца Ь распределение напряжений о^ (у) становится более мягким и для уменьшения погрешности определения ОН исследуемые образцы должны иметь минимально возможную толщину.
С учетом высоких градиентов распределения ОН по толщине обечайки для их исследования на плоских образцах предпочтительно применять метод последовательно наращиваемой трещины [4], обеспечивающий наиболее высокую точность результатов. При этом желательно проведение исследований на двух образцах, вырезанных в кольцевом и осевом направлениях.
Получение напряжений в натурной обечайке. После определения общих остаточных напряжений, а также исследований распределения ОН в плоских образцах можно получить искомые напряжений, имеющие место в натурной обечайке. Остаточные напряжения в сечении симметрии плоских образцов, вырезанных в кольцевом
оде и осевом направлениях, обусловлены действием трех факторов: искомыми кольцевыми и осевыми остаточными напряжениями, имеющими место в пространственной оболочке (ойе и о^); напряжениями в плоских образцах, обусловленными снятием общих кольцевых и осевых напряжений на боковых торцах общих образцов
(о^ и о°) (при выборе размеров плоских образцов (рис. 1) распределение этих напряжений в сечении симметрии является линейным); напряжениями, обусловленны-
ми снятием ОН на поверхностях, нормальных к плоскостям "кольцевых" и "осевых"
_ K ОС „ „ K ОС
образцов, оN и оN . С учетом результатов рис. 2 имеем aN ~ -цойг oN = -цойе.
- П О П О
1аким образом получаем систему ойе = ойе - ое - ЦОйг, ойг = oRz - oz - ЦОйе.
С учетом характера технологического процесса нанесения наплавки, а также известных результатов исследований можно положить, что по своему характеру распределения осевых и кольцевых напряжений по толщине обечайки мало отличаются друг от друга, т.е. ойе ~ koRz (k - постоянный коэффициент). В этом случае проце-
ОО
дура определения
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.