Презентация на тему: MSC.Patran PAT 318 2002 - 19

РАЗДЕЛ 19 РАСПРОСТРАНЕНИЕ УСТАЛОСТНЫХ ТРЕЩИН

РАСПРОСТРАНЕИЕ УСТАЛОСТНЫХ ТРЕЩИН (МЕТОДЫ ЛИНЕЙНО-УПРУГОЙ МЕХАНИКИ ТРЕЩИН) Какова долговечность после образования трещины? Как составить график ремонтно-восстановительных работ для конструкции с трещинами? Метод анализа роста трещин основан на принципах линейно-упругой механики разрушения (LEFM) Этот метод определяет зависимость КИН от размера трещины и дологовечности Используется расчет цикл-за-циклом для определения долговечности Часто используется в аэерокосмической отрасли, автомобильной промышденности, при изготовлении газотурбинных установок и т.д.

ТРЕУГОЛЬНИК МЕХАНИКИ РАЗРУШЕНИЯ

ПРЯМОУГОЛЬНИК МЕХАНИКИ РАЗРУШЕНИЯ

КОЭФФИЦИЕНТЫ ИНТЕНСИВНОСТИ НАПРЯЖЕНИЙ

ОСНОВНЫЕ ТИПЫ ДЕФОРМИРОВАНИЯ ТРЕЩИН

МЕХАНИКА ТРЕЩИН Коэффициент интенсивности напряжений KI Общий вид K K = Y a , где Y = Y (a/w, B, ... ) – функция согласования гемотрических размеров трещин

ТИПИЧНЫЕ ФУНКЦИИ СОГЛАСОВАНИЯ Сквозная трещина в бесконечной пластине Y = 1 Краевая трещина в полубесконечной пластине Y = 1.12 Краевая трещина в пластине конечных размеров Y = 1.12 - 0.231(a/w) + 10.55(a/w)2 - 21.72(a/w)3 + 30.30(a/w)4

ЛИНЕЙНО-УПРУГАЯ МЕХАНИКА РАЗРУШЕНИЯ

ЛИНЕЙНО-УПРУГАЯ МЕХАНИКА РАЗРУШЕНИЯ

K – КАК ХАРАКТЕРИСТИКА РАЗРУШЕНИЯ В случае малой зоны пластичности K хорошо описывает напряженное состояние у вершины трещины Разрушение происходит при достижении К некоторого предельного значения K = KIC (этот параметр характеризует вязкость разрушения материала)

ДОПУЩЕНИЕ О МАЛОМАСШТАБНЫХ ПЛАСТИЧЕСКИХ ДЕФОРМАЦИЯХ Размер пластической зоны: Для того, чтобы выводы линейно-упругой механики разрушения оставались справедливыми, размер пластической зоны должен быть достаточно малым по сравнению с длиной трещины и геометрическими размерами детали:

ЭТАПЫ РОСТА ТРЕЩИН

МЕХАНИЗМ УСТАЛОСТНОГО РОСТА ТРЕЩИНЫ Циклические пластические деформации Коррозия

АНАЛИЗ СКОРОСТИ РОСТА ТРЕЩИНЫ - ПОДОБИЕ

ЭТАПЫ РОСТА ТРЕЩИН В ЗАВИСИМОСТИ ОТ K

ЭТАПЫ РОСТА

ФАКТОРЫ, ВЛЯЮЩИЕ НА РОСТ ТРЕЩИН Пластичность в вершине трещины (эффект залечивания) Средние напряжения цикла Пороговая область (для низкого уровня нагружения и коротких трещин) Нагружение переменной амплитуды Окружающая среда

ЗОНЫ ПЛАСТИЧНОСТИ В ВЕРШИНЕ ТРЕЩИНЫ

ПЛАСТИЧЕСКАЯ ЗОНА И ЭФФЕКТ ЗАЛЕЧИВАНИЯ В процессе роста трещины вокруг ее вершины развивается область пластических деформаций Пластически деформированные участки окружены остальным материалом, который находится в состоянии упругой деформации В процессе разгружения наличие пластических зон приводит к тому, что берега трещины сходятся; в этом случае говорят, что наблюдается эффект залечивания Эффект залечивания может быть вызван: Большими перегрузками Корозионными эффектами Неровностями поверхности

ЭФФЕКТ ПЕРЕМЕННОГО СРЕДНЕГО НАПРЯЖЕНИЯ ЦИКЛА

КОРОТКИЕ ТРЕЩИНЫ Короткие трещины: Не подвержены залечиванию. В общем случае не подчиняются законам линейной механики разрушения. Обычно имеют завышенную оценку параметров роста трещины по сравнению с длинными трещинами. Замечание: длинные трещины НЕ РАСТУТ, если K меньше некоторого порогового значения Kth.

НАГРУЗКИ С ПЕРЕМЕННОЙ АМПЛИТУДОЙ

ПАРАМЕТРЫ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

ВЫЧИСЛЕНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ Необходимо: начальный размер трещины конечный размер трещины размах напряжений уточнить K кривая роста трещины для материала

ЗАКОНЫ, ОПИСЫВАЮЩИЕ РОСТ ТРЕЩИНЫ Зависимостей для определения скорости роста трещины в литературе встречается много: Париса (наиболее известный метод) Формана Лукаса-Клеснила Элбера Уолкера Вилера Вилленборга (MSC.Fatigue использует усовершенствованную версию этой модели)

ПОДХОД С ПРИМЕНЕНИЕМ ЭФФЕКТИВНОГО K Ключевым моментом в анализе роста трещины MSC.Fatigue является замена истинного K (расчитанного для приложенной нагрузки) на эффективный K (то есть движущая сила рассматривается непосредственно на фронте трещины) Обычный метод Метод, реализованный в MSC.Fatigue

АЛГОРИТМ АНАЛИЗА РОСТА ТРЕЩИН В MSC.FATIGUE Ввод следующего цикла Расчет истинного K по справочным таблицам Преобразование к эффективному K для Залечивания/коротких трещин Влияния концентраторов Наличия зон статического разрушения Эффектов истории нагружения Эффектов окружающей среды da = C Keffm a = a+da (если нет быстрого разрушения, то переходим к следующему циклу)

РЕАЛИЗАЦИЯ В MSC.FATIGUE

РОСТ ТРЕЩИНЫ ЦИКЛ-ЗА-ЦИКЛОМ Основные функции: Поцикловый алгоритм Последовательный по времени подсчет циклов методом дождя Влияние окружающей среды на свойства материалов Размер минимальных трещин по Китагава Моделирование в пороговой области Эффекты залечивания и замедления роста трещин Орпеделяемая пользователем долговечность Критерий разрушения – вязкость разрушения материала Поверхностные или объемные трещины Модифицированное уравнение Париса (модифицированная модель Вилленборга)

КРАТКИЙ ОБЗОР МЕТОДА Идентификация критических зон и выбор режима узел/элемент для номинальных напряжений Орпеделение геометрических параметров трещины и выбор функции согласования из библиотеки Задание начального размера трещины MSC.Fatigue расчитывает изменение размера трещины цикл за циклом до момента, когда происходит быстрое разрушение При правильном определении всех параметров расчитанная долговечность должна отличаться от практически наблюдаемой не более чем в два раза

ПРИМЕНЕИЕ МЕТОДОВ АНАЛИЗА СКОРОСТИ РОСТА ТРЕЩИН MSC.FATIGUE Проектировочный расчет Планирование испытаний Составление регламента ремонтно-восстановительных работ Исследование разрушения Дополнительная информация при принятии решений

РПИМЕР: АНАЛИЗ РОСТА ТРЕЩИНЫ Проушина Одна нагрузка

АНАЛИЗ МЕТОДАМИ ЛИНЕЙНО-УПРУГОЙ МЕХАНИКИ РАЗРУШЕНИЯ

ОПРЕДЕЛИТЕ ТИП ТРЕЩИНЫ И ОТОБРАЗИТЕ ФУНКЦИЮ СОГЛАСОВАНИЯ

ЭТАП ОПИСАНИЯ НАГРУЖЕНИЯ

ЭТАП ЗАДАНИЯ СВОЙСТВ МАТЕРИАЛОВ создайте группу “far_field” и поместите в нее только узел № 223

ПРОВЕДЕНИЕ АНАЛИЗА

УПРАЖНЕНИЕ Выполните упражнение из главы 8 книги Quick Start Guide -“Introduction to Crack Growth” Выполните упражнение из главы 10 книги Quick Start Guide -“Multiple Loads” Еслти что-либо не понятно – не стесняйтесь спрашивать.