ОГЛАВЛЕНИЕ
Стр.
ВВЕДЕНИЕ.........................................................4
1. Аналитический обзор и постановка задач исследования........9
1.1 Влияние циклической составляющей напряжения на ползучесть конструкционных материалов...........9
1.2. Анализ моделей, описывающих виброползучесть конструкционных материалов.............................17
1.3. Постановка задач исследования.....................23
2. Разработка модели виброползучести конструкционных материалов.27
2.1. Методика построения модели виброползучести конструкционных материалов.............................27
2.2. Методика экспериментального исследования виброползучести жаропрочного сплава ЭП693 и алюминиевых сплавов Д16Т, АК4-1Т1..................................29
2.3. Построение модели виброползучести жаропрочного сплава ЭП693 и алюминиевых сплавов Д16Т, АК4-1Т1 по результатам натурного эксперимента.....................46
2.4. Выводы............................................57
3. Влияние величины циклической составляющей напряжения на длительную прочность алюминиевых сплавов Д16Т и АК4-1Т1.........58
3.1. Прогнозирование времени до разрушения с помощью разработанных моделей виброгюлзучести.......................58
3.2. Исследование влияния величины циклической составляющей напряжения на длительную прочность алюминиевых сплавов Д16Т и АК4-1Т1.....................71
3.3. Выводы............................................75
4. Применение моделей виброползучести для расчета остаточного ресурса работоспособности легкосплавных бурильных труб (ЛБТ).... 77
2
4.1. Температурно-силовые режимы эксплуатации бурильной колонны в сверхглубокой скважине...................77
4.2. Определение критических температур смены критериев работоспособности и расчета ЛБТ.......................92
4.3. Методика расчета остаточного ресурса ЛБТ, эксплуатирующихся при повышенных температурах и вибрационных нагрузках .............................97
4.4. Выводы .......................................104
5. Заключение..............................................105
Библиографический список..................................107
Приложение................................................117
3
В В Е Д Е Н И Е
Рост рабочих параметров и, соответственно, нагруженности деталей машин, работающих в режиме ползучести при нестационарном температурно-силовом воздействии, требует наиболее полного использования прочностных и деформационных свойств материала конструкции. Это делает необходимым дальнейшее совершенствование расчетных методов, и в частности определяющих соотношений, связывающих внешние температурно-силовые воздействия и деформационные свойства материала, в направлении учета в них реальных условий работы деталей. Построение таких определяющих соотношений является важным направлением научных исследований механики деформируемого твердого тела.
Реальные условия работы деталей машин сопровождаются вибрационным фоном (вибронагрузкой), который в расчетах часто не учитывается, хотя по известным литературным данным, существенно влияет на накопление деформаций ползучести, а следовательно, и на долговечность конструкции. 11оэтому проблема учета в расчетах вибронагрузки в условиях повышенных температур, имеет большой научный и практический интерес.
В частности, необходимо уметь описывать влияние амплитуды и частоты циклической составляющей напряжения на накопление деформаций ползучести. Для описания этого процесса в условиях нестационарного воздействия температурно-силовых факторов ряд авторов применяют такие определения как циклическая ползучесть [13, 12, 9], динамическая
ползучесть [37, 60, 77], и виброползучесть [43, 41].
Явление ползучести при совместном воздействии статического (7„, и
/
циклического напряжения оа в настоящей работе определяется как виброползучесть. Это предполагает, что частота изменения оа ЮГ'ц, а
4
отношение амплитуды циклической составляющей напряжения к статической составляющей не более 0.1.
В данной работе рассматриваются материалы, физико-механические свойства которых не изменяются во времени (материал стабильный). Модель виброползучести строится при постоянной температуре и частоте циклической составляющей напряжения. Под моделью виброползучести понимается система определяющих соотношений, связывающая внешние статические и циклические напряжения, температуру и другие факторы с деформациями, вызванными ползучестью.
Перечисленные ограничения не слишком обременительны и не препятствуют использованию модели в расчетах.
Актуальность проблемы разработки моделей виброползучссти конструкционных материалов обусловлена следующими причинами:
1. В последние годы большое значение приобрели вопросы высокотемпературной прочности при воздействии циклических нагрузок в атомной энергетике, ракетной и авиационной технике, нефтяном и химическом машиностроении, а также при проектировании резервуаров хранилищ трубопроводов. Имеющиеся экспериментальные данные свидетельствуют о существенном влиянии циклической составляющей напряжения на процессы накопления деформаций ползучести и разрушения материалов. Поэтому для повышения разрешающей способности расчетов необходимо учитывать в них возможно большее число факторов, формирующих внешнее воздействие. В данной работе таким новым фактором является циклическая составляющая напряжения.
2. Для учета влияния циклической составляющей напряжения на процессы накопления деформаций ползучести и длительную прочность
5
конструкционных материалов необходима разработка модели виброползучести, адекватно описывающей рассматриваемые явления.
3. Наличие моделей виброползучести конструкционных материалов делает необходимым разработку методик их применения в расчетах элементов конструкций, работающих в условиях повышенных температур и вибрационных нагрузок.
Диссертация выполнена в соответствии с тематическим планом НИР Самарского государственного технического университета на 1991... 1995 и 1996...2000 годы.
Цель диссертации. Разработка модели виброползучести, позволяющей описывать реологическую деформацию и длительную прочность
конструкционных материалов при ступенчато изменяющейся статической и циклической составляющей напряжения.
Применить полученную модель для разработки методики расчета остаточного ресурса работоспособности легкосплавных бурильных труб (ЛБТ).
1 Уаучная новизна и основные положения, выносимые на защиту.
На основе метода разделения деформаций разработаны модели виброползучести конструкционных материалов, подверженных нестационарному температурно-силовому нагружению. Эти модели
позволяют описывать виброползучесть и длительную прочность
конструкционных материалов при ступенчато, и плавно изменяющихся величинах статической (сгт) и циклической (сга) составляющей напряжения. Температура (7) входит как параметр. Получены экспериментальные данные по исследованию виброползучести жаропрочного сплава ЭП693 и алюминиевых сплавов Д16Т и АК4-1Т1. Показано влияние величины
6
циклической составляющей напряжения на критические температуры смены критериев работоспособности и расчета ЛБТ, изготовленных из сплавов Д16Т и АК4-1Т1.
Достоверность. Достоверность основных научных положений подтверждена удовлетворительным совпадением результатов расчета по предлагаемым моделям с экспериментальными данными, полученными автором. Адекватность разработанных моделей виброползучести жаропрочного сплава ЭП693 и алюминиевых сплавов Д16Т и АК4-1Т1 проверялась для каждого из исследуемых материалов при раздельном ступенчатом изменении статической и циклической составляющей напряжения. При таком режиме наиболее ярко проявляются возможные несовершенства предлагаемых моделей виброползучести.
1 фактическая ценность. Разработанные модели виброползучести позволяют на стадии проектирования полнее учитывать влияние внешних нагрузок на долговечность изделия. Разработано испытательное оборудование для исследования виброползучести конструкционных материалов.
Экспериментально получены кривые виброползучести жаропрочного сплава ЭП693 при температуре 700°С и частотах циклической составляющей напряжения 35Гц и 17Гц, а так же атюминиевых сплавов Д16Т при температуре 160°С и 180°С, АК4-1Т1 при температуре 180°С и 200°С (частота £=10Гц).
Построены определяющие соотношения, адекватно описывающие виброползучесть жаропрочного сплава ЭП693 и алюминиевых сплавов Д16Т и АК4-ГП при вышеперечисленных температурно-силовых факторах. Определены критические температуры работоспособности и расчета ЛБТ,
7
изготовленных из сплавов Д16Т и АК4-1Т1 при совместном воздействии статических и циклических напряжений. Разработана методика расчета остаточного ресурса работоспособности нижней части бурильной колонны из ЛБТ в условиях глубокого и сверхглубокого бурения с учетом циклической составляющей напряжения.
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на следующих конференциях: Конференции России и стран Европы “Надежность механических систем” (Самара, 1995); III Всероссийской конференции “Ползучесть в конструкциях” (Новосибирск, 1996); 6-ой научной межвузовской конференции “Математическое моделирование и краевые задачи” (Самара, 1996); XXVI Международном научно-техническом совещании по динамике и прочности двигателей посвященном 85-летию со дня рождения Генерального конструктора академика Н.Д. Кузнецова “Динамика и прочность двигателей” (Самара, 1996); Седьмой научной межвузовской конференции “Математическое моделирование и краевые задачи” (Самара, 1997).
Публикации. Основные результаты исследований по теме диссертации опубликованы в 3 статьях, а также в тезисах докладов и в научно -техническом отчете.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех разделов и заключения; включает 116 страниц машинописного текста, 41 рисунок, 16 таблиц, и библиографический список из 103 наименований. В приложении помещен акт, подтверждающий внедрение результатов работы, а также прикладные программы, по которым производился расчет параметров модели виброползучести.
8
1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ
1.1. Влияние циклической составляющей напряжения на ползучесть конструкционных материалов
Поведение материала в условиях виброползучести существенно отличается от ползучести при постоянной нагрузке и температуре. Возникновение и развитие виброползучести связано с наличием в нагрузке периодически изменяющейся во времени компоненты. Если рассмотреть стержень в условиях одноосного растяжения с наложением вибрационной нагрузки в этом же направлении, то аналитически условия нагружения записываются в виде
<7= стт+оаФ(и\
где ат - статическая составляющая напряжения; суа - циклическая составляющая напряжения; Ф(/0 - периодическая функция частоты / и времени /.
На рис. 1.1 показана графическая интерпретация условий нагружения. Деформация, возникающая при таких условиях, в общем случае разделяется на упругую и деформацию виброползучести.
Величина деформации виброползучести определяется уровнем напряжений, температурой, характером вибронагрузки и свойствами самого материала [60, 6, 17, 39]. Существенное влияние на процесс виброползучести оказывает форма цикла и частота вибронагрузки.
9
Чаще всего встречающаяся форма цикла - синусоидальная и треугольная, реже прямоугольная (рис. 1.1). Частота вибронагрузки согласно данным работ [13, 71, 76, 79] разделяется на два диапазона:
- малоцикловый (/< 10 Гц ; А^,=//р<5 * Ю4... 5* 105 циклов);
- многоцикловый (/> 10 Гц ; > 104 циклов ).
Под Атр и понимается число циклов и время до разрушения соответственно.
г
Рис. 1.1. Изменение напряжений по прямоугольному, треугольному и синусоидальному законам изменения <та; атах и ат[п - максимальные и минимальные напряжения, действующие за время приложения нагрузки /;
Т - период цикла
10
- Київ+380960830922