Оценка развития трещины при многорежимном циклическом нагружении на основе анализа рассеянных повреждений материала

Abstract

Предлагается инженерная методика расчета кинетики трещин в плоских и осесимметричных объектах при многорежимном циклическом нагружении с применением концепции накопления рассеянных повреждений в материале. Упругое термонапряженное состояние для всех режимов нагружения на пути развития трещины определяется методом конечных элементов для нескольких фиксированных длин трещины; распределение напряжений для текущих длин подрастающей трещины – с помощью квадратичной интерполяции, что существенно снижает вычислительные затраты; размахи упругопластических деформаций – с помощью обобщенного принципа Нейбера; поврежденность материала – по кривым малоцикловой усталости гладких образцов с использованием гипотезы линейного суммирования повреждений. Поврежденность материала определяется в точках, расположенных на пути продвижения трещины, расположенных на одинаковом достаточно малом расстоянии (0,1¸0,2 мм). При достижении повреждаемости в вершине трещины критического значения трещина скачкообразно подрастает до следующей точки. Рассмотрены примеры развития трещин в пластине и цилиндре из различных сталей, нагруженных отнулевым циклом различной интенсивности при различных температурах. Результаты сравниваются с данными, полученными методами механики хрупкого разрушения на основе уравнений Пэриса. Удовлетворительное согласование результатов свидетельствует о возможности использования предложенного подхода для оценки трещиностойкости плоских и осесимметричных элементов конструкций.

Наведені результати аналізу розвитку тріщини при багаторежимному циклічному навантаженні із застосуванням концепції розсіяних пошкоджень для плоских і осесиметричних елементів конструкцій: пластини й циліндра. Напружено-деформований стан елементів визначається на різних режимах методом скінченних елементів, розмахи пружнопластичних деформацій – за принципом Нейбера, пошкодження – по кривих малоциклової втоми гладких зразків з використанням гіпотези лінійного підсумовування ушкоджень. Результати порівнюються з даними, отриманими методами механіки крихкого руйнування на основі рівнянь Периса. Узгодження отриманих результатів свідчить про можливість використання запропонованого підходу для оцінки тріщиностійкості плоских і осесиметричних елементів конструкцій.

Engineering method for cracks kinetic calculation of plane and axisymmetric objects under multimode cyclic load is proposed. Concept of scattered damage accumulation is used. Elastic thermostress state for all loading regimes near crack is determined by finite element method for multiple fixed crack lengths. Stress distribution for the current length rising crack is determined by quadratic interpolation. Elastoplastic deformation swings are assessed by generalized Neuber’s principle. Material damage is considered by analyzing smooth samples low cycle fatigue curves using the hypothesis of damage linear summation. Material damage is determined at points located on the way of a crack. These points located at the same sufficiently small distances (0,1-0,2 mm). Crack jumps to the next point upon reaching the damage critical value of crack peak. Evolution of cracks in the plate and cylinder for various types of steels loaded with varying intensity zero-to-tension cycle with different temperatures is studied. The results are compared with data obtained by brittle fracture mechanics based on the equations of Paris’. Good agreement of the results shows the possibility of using the proposed approach for the assessment of fracture toughness of plane and axisymmetric structural elements.