Компьютерное проектирование и подготовка производства сварных конструкций

Метод оценки работоспособности сварных конструкций

Создание модели разрушения, пригодной для описания как крупного, так и вязкого разрушения от концентраторов различной остроты, представ­ляется весьма важным. Эта модель должна служить основой для подсисте­мы прочности САПР сварных конструкций.

Несмотря на трудности, связанные с созданием такой модели на осно­ве классической механики материалов (эти трудности обусловлены, глав­ным образом, несовершенством расчетных методов), такой подход является более перспективным, чем попытки построения единой модели на основе линейной механики разрушения.

Наиболее серьезной проблемой для классической механики является сингулярность (неограниченный рост) компонент НДС вблизи острого кон­центратора. Но значения компонент напряжений ограничены текучестью материала, поэтому сингулярность поля напряжений в действительности не возникает, а в расчетах НДС является следствием неучета текучести мате­риала и изменения остроты трещины (притупления) в процессе деформиро­вания. Более сложную проблему создает рост деформаций. Хотя он также ограничен, но при раскрытии трещины от исходной ширины в несколько микрометров до десятых долей миллиметра деформация перед ее фронтом достигает сотен процентов. Это гораздо больше, чем пластичность металла при растяжении гладкого образца. Однако такие большие деформации про­исходят только в сравнительно тонком слое материала, непосредственно примыкающем к фронту раскрывающейся трещины.

Основным допущением, позволяющим распространить классический подход на острые концентраторы, является предположение, что материал у концентратора подчиняется тому же критерию разрушения, что и металл гладкого образца. Весь материал, в котором параметры НДС превысили критический уровень, уже является разрушенным, хотя ввиду малости этого участка наступившее продвижение трещины может быть незаметным. Такая модель разрушения материала делает задачу анализа прочности сварной конструкции обозримой и доступной для практического решения с учетом всех основных факторов, так как критерии разрушения зависят только от свойств материала и параметров НДС.

Поскольку такое расширение области применения классической меха­ники материалов может быть достигнуто только на основе гораздо более полного учета всех геометрических и физических факторов при моделиро­вании НДС, для решения таких задач разработано специализированное ме­тодическое и программное обеспечение.

При оценке работоспособности по предельным состояниям страгива - ния и развития трещин от концентратора требуется определить НДС в ло­кальных зонах у вершин концентраторов. Сложность решения задачи связа­на с высокими градиентами поля в этих зонах. При этом в соответствии со сделанным предположением о разрушении материала после превышения его предельной пластичности процесс разрушения в зависимости от остроты концентратора может начинаться на разных стадиях нагружения. Следова­тельно, во-первых, повышаются требования к точности расчета. При реали­зации численных методов это выражается в применении моделей с более мелкой сеткой элементов вблизи концентратора, а также в учете изменения геометрии конструкции под нагрузкой, т. е. в применении геометрически нелинейных моделей. Во-вторых, большое значение приобретает анализ фа­зы развития разрушения, так как начало разрушения от острого концентра­тора возможно уже при нормальных рабочих нагрузках и в зависимости от прогнозируемого дальнейшего хода этого процесса иногда может быть при­знано допустимым.

В некоторых случаях анализ НДС в локальной области оказывается недостаточным для установления наступления предельного состояния. Это относится к случаям нарушения устойчивости развития процесса деформи­рования и разрушения металла — к переходу к нестабильному росту трещи­ны или к разрыву по ослабленному концентратором сечению за счет потери пластической устойчивости. Существуют два способа регистрации таких предельных состояний — по балансу энергии в детали или по кинетике раз­вития деформаций и перемещений в зоне разрушения. Второй подход явля­ется разновидностью первого, так как рост от шага к шагу приращений де­формаций в локальной области у вершины трещины свидетельствует о том, что подводимая энергия упругих деформаций перекрывает затраты энергии на развитие процесса. В то же время он проще реализуется (отпадает слож­ный вопрос о размерах зоны, в которой необходимо анализировать баланс энергии) и позволяет проследить процесс перехода в неустойчивое состоя­ние, сосредоточив внимание на локальной зоне разрушений. Кроме того, кинетика развития перемещений у концентратора может быть непосредст­венно сопоставлена с экспериментом.

Таким образом, возможность решения задачи за несколько шагов при учете изменения граничных условий и геометрии от шага к шагу и с регист­рацией кинетики развития НДС является одним из требований к программ­ному комплексу.

При определении НДС возможен выбор различных по сложности мо­делей поведения материала: идеально упругого, идеально упругопластичес­кого, упругопластического с упрочнением, анизотропного и т. д.; если про­цесс протекает при температурах значительно ниже температуры плавления, для большинства материалов может быть применена модель упруго­пластического материала с упрочнением.

Характерными особенностями сварного соединения, влияющими на его работоспособность при эксплуатации, являются неоднородность свойств и остаточные напряжения. Учет этих факторов в рамках КЭ модели требует исходных данных о границах зон с различными свойствами и о свойствах материала в каждой зоне.

Анализ известных отечественных и зарубежных программных ком­плексов показывает, что ни один из них, несмотря на объем и высокую стои­мость, не обеспечивает решения всех перечисленных проблем, связанных с оценкой работоспособности сварных соединений. В связи с этим в МГТУ им.

Н. Э. Баумана разработан специализированный программный комплекс «СВАРКА», описанный в гл. 2. Особенности моделирования в этом комплек­се упругопластически разрушающегося материала приведены в § 2.4.