научная статья по теме ВЛИЯНИЕ ЗАВИСИМОСТИ ПРЕДЕЛА ТЕКУЧЕСТИ ОТ ТЕМПЕРАТУРЫ НА НАПРЯЖЕННОЕ СОСТОЯНИЕ В ТОНКОМ ПОЛОМ ДИСКЕ Машиностроение

Текст научной статьи на тему «ВЛИЯНИЕ ЗАВИСИМОСТИ ПРЕДЕЛА ТЕКУЧЕСТИ ОТ ТЕМПЕРАТУРЫ НА НАПРЯЖЕННОЕ СОСТОЯНИЕ В ТОНКОМ ПОЛОМ ДИСКЕ»

ПРОБЛЕМЫ МАШИНОСТРОЕНИЯ И НАДЕЖНОСТИ МАШИН

№ 3, 2013

УДК 539.374

© 2013 г. Александров С.Е., Лямина Е.А., Новожилова О.В.

ВЛИЯНИЕ ЗАВИСИМОСТИ ПРЕДЕЛА ТЕКУЧЕСТИ ОТ ТЕМПЕРАТУРЫ НА НАПРЯЖЕННОЕ СОСТОЯНИЕ В ТОНКОМ ПОЛОМ ДИСКЕ1

Рассматривается тонкий полный упругопластический или идеально-пластический диск, помещенный в жесткий цилиндрический контейнер и подверженный действию температурного поля. Приняты условия плосконапряженного состояния. В пластической зоне выполняется условие текучести Мизеса. Основная отличительная особенность постановки задачи проявляется в учете зависимости предела текучести от температуры, которая принимается в произвольной форме. Параметрический анализ решения выполнен для линейной зависимости. Показано, что для ряда материалов необходимо учитывать зависимость условия текучести от температуры для определения напряженно-деформированного состояния в диске и для определения условий перехода всего диска в пластическое состояние.

Тонкие пластины и диски с отверстиями и включениями широко используются в инженерных конструкциях и механизмах. Решения краевых задач для определения напряженно-деформированного состояния в таких элементах конструкций, подверженных различным условиям нагружения и подчиняющихся различным определяющим уравнениям, приведены в монографиях [1—3] и многочленных журнальных публикациях [4—10]. Несмотря на относительную простоту постановки краевой задачи в рамках плосконапряженного состояния, ее решение представляет определенные трудности, в том числе при применении численных методов [11]. Эти трудности связаны с математическими особенностями решений. В частности, в некоторых условиях может возникать локализация пластической деформации [1]. При достижении этих условий дальнейшее возрастание параметра нагружения невозможно. При других условиях на-гружения пластическая зона стремительно развивается после начала пластического деформирования и при незначительном возрастании параметра нагружения охватывает всю конструкцию [12—14]. При действии двух независимых параметров нагруже-ния возможно возникновение двух различных механизмов пластического коллапса [15]. Для изучения отмеченных и возможных других особенностей решения аналитические и полуаналитические методы предпочтительнее численных даже если при этом необходимо упрощать постановку краевой задачи. Таким образом, в частности, была установлена сильная чувствительность решения к параметрам нагружения при термическом нагружении идеально-упругопластического диска [13]. Этот вывод был распространен на материалы, условие текучести которых зависит от среднего напряжения [16]. В [13, 16] считали, что свойства материала не зависят от температуры. Принимая во внимание отмеченную сильную чувствительность решения к параметрам нагружения, представляет интерес установить влияние зависимости предела текучести от температуры на развитие пластической зоны и распределение напряжений в

1 Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант 11-01-92001-ННС_а).

тонком диске. В настоящей статье выполнено такое исследование. Полученное решение обобщает решение [13].

Постановка задачи и упругое решение. Рассмотрим тонкий диск радиуса Я0 с центральным отверстием радиуса г0, который вставлен в жесткий контейнер радиуса Я0 (рис. 1). Диск подвержен действию изменяющегося во времени температурного поля. В исходном состоянии диск свободен от напряжений. Разность температуры между исходным и текущим состояниями обозначим Т. Предполагаем, что Тмонотонно возрастающая функция времени Введем цилиндрическую систему координат гбг, ось z которой совпадает с осью симметрии диска. Предполагаем плосконапряженное состояние, = 0. Краевые условия имеют вид:

0 при r

ar = 0 при r

Ro; = r0 ,

(1) (2)

где и — радиальное перемещение, стг — радиальное напряжение.

Окружное напряжение будем обозначать сте. Решение не зависит от 9, а аг, сте, az главные напряжения.

Общее решение уравнений линейной термоупругости имеет вид

а,/Е = ЛЛ02/г2 + С, ст0/Е = - ЛЛ02/г2 + С

u Cr ri , \AR

Т = (1 - v)IT - (1 + v)_ Ro Ro r

00 + а T r " R0 '

(3)

(4)

где Е — модуль Юнга; V — коэффициент Пуассона; а — коэффициент линейного термического расширения; А, С — постоянные интегрирования.

Величины А и С зависят от Т. Когда весь диск упругий, то А и С определяются из (1)—(4) как

A

a Tn

(1 + v)n + 1 - v Из (3) и (5) получим а T

E

C = - о

а T

[(1 + v)n + 1 - v]

(1 + v)n + 1 - v

где n = r{]/R0

-1

E

aT

[(1 + v)n + 1 - v]

+1

(5)

(6)

где р = г/Я0.

Упругопластическое решение для напряжений. Предположим, что материал подчиняется условию текучести Мизеса. С учетом сделанных предположений это условие принимает вид

V3(s¿r + а2 - aSr)1/2 = ^0Ф( T),

(7)

u

где а — среднее напряжение; sr = ar — a; a0 — предел текучести при одноосном растяжении при T = 0; Ф(7) — известная функция T, причем Ф(0) = 1.

Так как az = 0, то a = (ar + ae)/3. Условие текучести (7) удовлетворяется подстановкой

sr = 2a0 Ф( T) sin ф/3, a = а0Ф( T) (T3cos ф + sin ф)/3, (8)

где ф — новая неизвестная функция р и T.

У 1,0

Рис. 1

0,5 0,6 0,7 0,8 аТ • 103

Рис. 2

Рис. 1. Иллюстрация краевой задачи

Рис. 2. Зависимость радиуса упругопластической границы от температуры для нескольких значений в

Единственное нетривиальное уравнение равновесия имеет вид даг/др + (аг — а0)р-1 = 0. Так как температура распределена равномерно, то подстановка (8) в это уравнение дает

д ф _ ( СО 8 ф - Уз 8Ш ф ) _ 0 др р(л/3 СО8ф - 8Шф)

(9)

Пластическая зона начинает развиваться от внутреннего радиуса диска. Поэтому

из (2) и (8) получаем tgф = —1/л/3 при р = п. Отсюда видно, что величина ф при р = п не изменяется с температурой. Используя упругое решение (6), которое имеет силу при р = п в момент возникновения пластической зоны, получим решение уравнения

tg ф = — 1/л/3 в виде

ф _ -7п/6 при р = п.

(10)

Соотношение (10) является краевым условием для уравнения (9). Решение этого уравнения, удовлетворяющее условию (10), имеет форму

р_

п

УуЗ

(л/38тф - СО8ф)

1/2

ехр

' ^ Гф + 7п

.2 V 6

(11)

Следовательно, ф не зависит от Т во всей пластической зоне. Пусть фу — величина ф на упругопластической границе р = у. Тогда из (11) найдем

у _

п

Туз

(73 81п фу - СО8 фу )

ехр

73 Г , 7п — Гфу+■

(12)

В упругой зоне, занимающей область у < р < 1, имеет силу общее решение (3) и (4). Однако величины А и В не определяются из (5). Решение (4) должно удовлетворять краевому условию (1). Следовательно,

С( 1 - V) + А( 1 + V) + а Т _ 0.

(13)

Исключая в уравнениях (3) величину С с помощью (13), найдем распределение напряжений в упругой зоне в виде

Е _ А (р-2 + И - ^, Е _ А(^ - р-2^ - ^. (14)

Е ( 1 - V 1 - V Е (1 - V ^ 1 - V

Напряжения должны быть непрерывны на упругопластической границе р = у. Из этого условия с использованием (8) и (14) получим

2,1 + VI аТ

кФ(Т>(cosФу + 73sinФу) = A(y 2 + 1

^ -V i _ v; i - v'

^ (15)

2к Ф( T) /1 + v -21 aT --^cos фу = A I---y I - --.

Тз V1 -v ; 1 -v

Исключая A, найдем

2л/3 aT + к Ф( T) [73 (1 - v)(73cos фу + sin фу) +

г 2 (16)

+ (1 + v)(cosФу-J3sinФу)y ] = 0.

Принимая во внимание (12), уравнение (16) представляется в форме

2aT + к Ф( T)

(1 - v )(73 cosФу + sinФу) - (1 + v)n exp л/3(фу + -П)

= 0. (17)

Уравнения (12) и (17) определяют радиус упругопластической границы как функцию Т в параметрическом виде. Распределение напряжений следует из (8) в области — 7п/6 < ф < фу (п < р < у) и из (14) в области у < р < 1. При этом величина А должна быть исключена с помощью любого из уравнений (15). Весь диск становится пластическим при у = 1. Соответствующую величину фу обозначим фт. Тогда из (12) получим уравнение для фт в виде

, nV73 гТз ( . 7п

1 = -—----—exp — -

(V3sin фи -cos Фи )

1/2

2 V*» + 6

(18)

Из уравнения (18) видно, что величина фт зависит только от геометрических параметров диска. Так как п < 1, то из (18) следует, что фт > —7п/6. Из структуры уравнения (18) также видно, что п ^ 0 при фт ^ —5п/6. Таким образом, интервал возможного изменения величины фт имеет вид —7п/6 < фт < —5п/6.

Во многих случаях можно принять линейную зависимость предела текучести от температуры [3, 17, 18]. Тогда,

Ф(Т) _ 1 - авТ. (19)

Характерные величины коэффициента в для ряда металлов в соответствии с экспериментальными данными, приведенными в [3, 18], находятся в диапазоне 40 < в < 85. В настоящей статье для параметрического анализа решения предполагаем, что 0 < в < 100. Подставляя (19) в (17), получим зависимость аТ от фу. Эта зависимость совместно с (12) определяет безразмерный радиус упругопластической границы у как функцию аТ в параметрическом виде.

Эта функция показана для нескольких величин в при п = 0,2 (рис. 2) и п = 0,5 (рис. 3). Полагая фу = —7п/6, из (17) и (19) находим значение аТ, при котором начинает развиваться пластическая зона. Обозначим это значение температуры Те. Подставляя значение фт, определенное из (18), в (17) и исключая Ф(7) с помощью (19), полу-

У 1,0

0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 аТ • 103

Рис. 3

Лт 1,2

0,2 0,3 0,4 0,5 п 0.6 Рис. 4

Рис. Рис.

3. Зависимость радиуса упругопластической границы от температуры для нескольких значений в

4. Зависимость относительного изменения температуры от значения, при котором возникает пластическая деформация, до значения, при котором весь диск становится пластическим от ц для нескольких значений в

0 к

-0,1 -0,2 -0,3 -0,4 -0,5

0,6 0,7 0,8 Рис. 5

0,9 р 1,0

ае/а0 -0,90

-0,95

-1,00

-1,05

-1,10

0,6 0,7 0, Рис. 6

0,9 р 1,0

чим уравнение для значения температуры, при котором весь диск становится пластическим. Обозначим решение этого уравнения ^. Для оценки возрастания температуры от значения Te до ^ введем безразмерную величину Дт = (^ — Te)/Te. Зависимость этой величины от п показана на рис. 4 для нескольких величин р.

Распределение радиального и окружного напряжений по радиусу при п = 0,5 и нескольких величинах в показано на рис. 5 и 6, соответственно.

На рис. 2—6 пунктирная кривая соответствует в = 0 (предел текучести не зависит от температуры); кривая 1 - в = 20; 2 - 40; 3 - 60; 4 - 80; 5 - в = 100.

Выполненный параметричес

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.

Показать целиком