Малоцикловая прочность элементов шлюзовых ворот транспортных гидросооружений и методы продления их ресурса (23.08.2010)

Автор: Абросимов Виктор Григорьевич

Для крепления модели на машине было сконструировано специальное приспособление, крепящееся к станине испытательного оборудования (рис. 10). Принудительный захват водонапорной обшивки в центре модели позволял задавать пластине нужное отнулевое перемещение различной величины. Модель к раме крепилась несколькими болтами, что создавало ей жесткое защемление. Чтобы избежать перемещений полок модели под нагрузкой, на них наваривали ребра жесткости с обеих сторон, достигая условий деформирования, характерной для натурной конструкции. Центрирование и крепление моделей и плоских образцов обеспечивалось специальной направляющей рамой.

Рис.10. Схема испытаний на прочность и ресурс.

В процессе нагружения регистрировались перемещения и деформации обшивки модели. Деформацию измеряли тензорезисторами с малой базой (1,0 мм). Для записи сигналов с тензорезисторов использовали автоматический измеритель деформаций с цифропечатающим устройством СИИТ-3. Перемещения фиксировали прибором часового типа, установленным непосредственно вблизи перемещающегося штока, что давало возможность измерять максимальное перемещение обшивки модели. Цепочки тензорезисторов с прямоугольными розетками устанавливали вблизи сварных швов и на противоположной стороне водонапорной обшивки в зонах максимальных перемещений. Для моделей это соответствовало середине длинной стороны.

Для определения главных деформаций ?1 и ?2 тензорезисторы устанавливали максимально близко к основанию валика сварного шва. Испытанию подвергались следующие типы моделей и плоских образцов с различными видами сварных соединений:

Тип 1 (I-1, I -2, I-3, I-4, I-5) – модель с приваренной обшивкой толщиной 5 мм, внахлест с балкой № 12; перемещение 1,5 мм, 3 мм, 5 мм и 6 мм.

Тип 2 (II-1, II-2, II-3, II-4, II-5) – модель с приваренной обшивкой толщиной 5 мм, встык с балкой № 12; перемещений 1,5 мм, 3 мм, 5 мм и 6 мм.

Тип 3 (III-1, III-2, III-3, III-4, III-5) – модель с приваренной обшивкой толщиной 5 мм, встык с балкой № 12 со снятым механическим способом усилением сварного шва с напорной стороны; перемещения 1,5 мм, 3 мм, 5 мм и 6 мм.

Тип 4 (IV-1, IV-2, IV-3, IV-4, IV-5) – модель с приваренной обшивкой толщиной 5 мм, встык с балкой № 12 со снятым усилением сварного шва (валика) механическим способом с обеих сторон; перемещение 1,5 мм, 3 мм, 5 мм и 6 мм.

В таблице 4 в качестве примера приведены данные экспериментальных исследований малоцикловой прочности образцов шпаций, моделирующих технологию сварки встык.

Таблица 4

мм ?i max

% ?i max

% средн. Nтр

циклы Nтр

средн. циклы

6,0 0,413

0,398 0,4066 3056

3167 3187

5,0 0,311

0,286 0,2958 5516

7119 6006,4

3,0 0,250

0,210 0,2348 10086

16831 12840,2

1,5 0,154

0,153 0,1546 90653

`„бa$gd

вием отнулевой нагрузки. Все они начинали развиваться от подреза, сделанного сварным швом в основном металле. Место разрушения моделей находилось в средней части длинной стороны. Количество циклов нагружения, при которых появлялись поверхностные трещины и число циклов до образования сквозных разрушений приведены в 5-ти таблицах диссертации. Эти данные получены при испытании образцов шпаций, моделирующих технологию сварки внахлест, технологию сварки внахлест (первый ремонт без разделки трещины), технологию сварки внахлест (второй ремонт с разделкой трещин), технологию сварки встык и технологию сварки встык (первый ремонт без разделки трещины). На рис. 11 показаны данные об экспериментальных полях деформаций для рассматриваемой модели по параметру приложенного перемещения и кривые малоцикловой усталости данного образца.

Рис. 11

Проведенное тензометрирование позволяет отметить ряд характерных особенностей распределения деформаций в зонах усталостного разрушения исследованных объектов:

1. Максимальные деформации ?1 в моделях обнаружены в направлении меньшей оси прямоугольной пластины водонапорной обшивки. Имеется значительный градиент в этом направлении деформаций по мере удаления от основания сварного шва. Характерным также является местное увеличение рассматриваемых деформаций в центральной части пластины в зоне приложения нагрузки. Измеряемая прямоугольными розетками тензорезисторов вторая компонента деформации на поверхности в направлении большей оси прямоугольной пластины, оказывается существенно меньше, чем ?1. Уровень этих деформаций ?2 в зоне сварного шва составляет порядка 0,1 %, что по сравнению с первой компонентой в 3-4 раза меньше. По мере приближения к центру пластины в зоне местного увеличения деформаций в центре пластины начинается рост компоненты деформаций в направлении большей из осей. В результате этого достигаются значения ?2, соизмеримые с компонентой деформации ?1 в направлении меньшей оси. Значения ?3 в зоне сварного шва были на порядок меньше деформаций ?1 вдоль меньшей из осей, а в центре достигали значений порядка удвоенной максимальной деформации. Знак ?3 противоположен знаку ?1. Таким образом, по результатам измерений и расчета в моделях первая главная деформация оказывается в направлении меньшей оси пластины, вторая – в направлении большей оси, а третья – по направлению толщины пластины.

2. Для плоских образцов (рис. 9) характер распределения деформаций в зоне сварного шва соответствует НДС модели в той же зоне, причем компонента поперечной деформации (в направлении ширины пластины) практически равняется нулю, в связи, с чем деформация ?3 приблизительно равняется ?1, но с противоположным знаком. Указанное относится к измерениям в середине по ширине образца. По мере приближения к краям образца ?1 остается постоянной, а ?2 около края несколько возрастет, достигая значений порядка 0,15 %.

Следует подчеркнуть, что при распространении усталостных трещин на моделях характерным было их развитие в длину до 250-300 мм, после чего разрушение начинало развиваться по основному металлу, отходя от зоны сварного соединения. Период развития трещин до окончательного разрушения составлял 5-10 тысяч циклов. В отличие от моделей у плоских образцов после образования поверхностных макротрещин разрушение интенсивно распространялось по длине и толщине сечения, причем период от момента образования трещины до окончательного разрушения составлял по числу циклов порядка 500 циклов.

Шестая глава диссертации посвящена вопросам построения, адаптации и верификации численных методов для исследования напряженно-деформированного состояния, прочности и ресурса элементов шлюзовых ворот. Необходимость разработки и широкого применения таких методов определяется большими временными, энергетическими и финансовыми затратами на проведение не только натурных, но и модельных экспериментальных исследований. Кроме того, в упомянутых экспериментах не всегда удавалось наклеить датчики именно в местах наибольшей концентрации напряжений и деформаций, что снижало точность результатов исследования. Для выполнения целей и задач, поставленных в работе, был применен метод конечных элементов в двумерной и трехмерной постановке с учетом циклической работы материала в зоне концентрации за пределами упругости. Представлена общая постановка задачи о напряженно-деформированном состоянии элемента конструкции с применением метода конечных элементов.

Первоначально рассматривалась задача о НДС створки шлюзовых ворот в реальных условиях эксплуатации. Указанная створка моделировалась соответствующей пластиной с жесткой заделкой по контуру. Численное исследование НДС створки шлюзовых ворот показало, что наиболее опасными зонами этой конструкции с точки зрения образования малоцикловых трещин являются зоны, расположенные около вереяльных и створных столбов. В этих зонах значения полученных деформаций отличались от соответствующих значений в менее нагруженных зонах ворот в 5 и более раз. Полученные в процессе решения указанной задачи значения усилий и перемещений были использованы в качестве одной из групп исходных данных в задачах об определении величин коэффициентов концентрации напряжений и деформаций в зонах возможных технологических, эксплуатационных, ремонтных и других видов дефектов. В качестве таких задач рассмотрены задачи о НДС шпаций, полученных с применением различных видов сварных соединений.

Расчетная схема шпаций, полученных с применением сварки встык, и соответствующая конечно-элементная сетка представлена на рис. 12 (а, б). Расчетная схема шпаций, полученных с применением сварки внахлест, представлена на рис. 12 (в).

Рис. 12 (а, б).

Рис. 12 (в, г).

Как видно из представленных рисунков, основным видом нагружения в этих задачах, является распределенная нагрузка в виде давления, а в качестве краевых условий на левом и правом граничных контуров рассмотрены случаи полужесткого защемления. Известно, что на практике при производстве сварных работ наблюдается различные дефекты сварки. При этом основным (по частоте обнаружения) дефектом являются так называемые подрезы. Расчетная схема шпаций с подрезами и соответствующая конечноэлементная сетка представлена на рис. 12 (г).

Как показывают представленные схемы дискретизации исследуемой части узла сварного соединения на конечные элементы, сетка сгущена к точке у основания сварного шва в соответствии с увеличением градиента напряжений и деформаций при приближении к контуру. В целях получения достоверных значений компонент напряжений и деформаций, а также для сравнения результатов численного анализа с экспериментальными данными, полученными методом малобазной тензометрии (база измерения I, 0 мм), необходимо в окрестности концентратора напряжений от сварки провести интенсивное сгущение сетки конечных элементов. Определение необходимого количества элементов в зоне концентрации напряжений проводилось методом последовательного сгущения сетки и сравнения получаемых результатов. Оказалось, что при изменении количества элементов, с 600 на 800 разница не превышает 2%. Таким образом, удалось получить наименьший линейный размер элемента по горизонтали 0, I мм и смоделировать с максимально возможным приближением контур в зоне сварного шва. Первичная разбивка на конечные элементы составила 400 элементов при 2001 узле. Вторичная дискретизация включила 800 элементов 4001 узла.


загрузка...