Способ определения коэффициента интенсивности напряжений в материале изделия

,Г. Чау пс геаед р 1 асел)епт 4, р, 399- КОЭФФИАПРЯспытатель - повыше- а за счет нсивности ноже- редеОСУДАРСТ 8 ЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЭОбРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИ РИ ГКНТ СССР ПИСАНИЕ 1(71) Институт проблем прочност(54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯЦИЕНТА ИНТЕНСИВНОСТИНИЙ В МАТЕРИАЛЕ ИЗДЕЛИЯ(57) Изобретение относится к иной технике, Цель изобретенияние информативности способопределения коэффициента инт Изобретение относится к исследованиям напряженно-деформированного состояния изделия с трещиной, а именнок способу определения коэффициентов интенсивно-, сти напряжений в осесимметричных изделиях, содержащих поверхностные трещины, развивающиеся внутрь изделия, и может быть использовано в заводских лабораториях и научно-исследовательских организациях при оценке эксплуатационной надежности изделий с трещинами,Известен метод экспериментального определениякоэффициентов интенсивности напряжений (КИН) в плоских телах на основе асимптотического решения для перемещений р малой окрестности вершины трещины, при реализации которого необходимо измерять смещение берегов трещины непосредственно у ее вершины. Однако этот метод не обеспечивает требуемой точнапряжений в осесимметричных изделиях с поверхностными трещинами, развивающимися внутрь изделия. Нагружают изделие с трещиной усилиями, раскрывающими трещину; регистрируют при этом длину трещины и смещения берегов трещины на поверхности изделия. Затем выполняют при нагружении изделия в месте выхода трещины на поверхность глухое цилиндрическое углубление, диаметр О и глубину ) которого выбирают из условий О(1,5-500) Ч, 1)0,8 а, где Ч 0 - смещения берегов трещины на поверх-. ности изделия, а - глубина трещины. Измеряют расхождение берегов трещины в 1 плоскости дна цилиндрического углубления и с его учетом определяют коэффициент интенсивности напряжений,ности измерения раскрытия берегов трещины непосредственно вблизи вершины, вследствие локальной текучести и объемных эффектов, а кроме того. практически исключается возможность оп ределения КИ Н в обьемных телах с трещинами, распространяющимися внутрь тела, поскольку неВозможно Определить профиль трещины внутри тела,Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является способ определения КИН в материале иэделия, по которому нагружают изделие стрещиной усилиями, раскрывающими трещину, регистрируют при этом длину трещины и смещение берегов трещины на поверхности трещины и по ним определяют КИН в окрестности вершины трещины,Известный способ позволяет по м ству точек измерений правильно оп1749760 3лить профиль раскрывающейся трещины итем самым избежать ошибок, связанных сизмерением раскрытия берегов трещинытолько у ее вершины, а кроме того, точноопределить КИН в плоских телах с трещиной;Однако, с помощью известного способапрактически невозможно определить КИН вобъемном теле с трещиной, распространяющейся вдоль тела, так как невозможно измерить смещения берегов трещийы внутритела,Целью изобретения является повышение информативности за счет определения. КИН в осесимметричных изделиях с поверхностными трещинами, развива 1 ощимися внутрь изделия.Поставленная цель достигается тем,что согласно способу определения КИН вматериале изделия, по которому нагружаютизделие с трещиной усилиями. раскрывающими трещину, регистрируют при этом длину трещины и смещение берегов трещинына поверхности трещины и по ним определяют КИН в окрестности вершины трещины,при нагружении изделия в месте выходатрещины на поверхность дополнительновыполняют глухое цилиндрическое утлубление, диаметр О и глубину Ь которого выбирают из условий(а, т)- Н - 1(1 -с) + 2/2 оо а 1 п 5 + 5 й 1+а/й Ч3 Ьабар+- а) 4 Л аР(1-ф), 1:2 а 310где ЬО=Ко/Йыйа)- безразмерный КИН приоднородной нагрузке сто,Х - безразмерный КИН при какой-либо 15 неоднородной нагрузке;В - радиус устья кольцевой трещины;Н - ,обобщенный модуль Юнга (Н=Епри плоском напряженном состоянии иН=Е/(1-ч ) при плоской и осесимметричной 20 деформации),х - текущая координата с началом в устье трещины."-" - наружная кольцевая трещина,Из (1) определяют неизвестную функцию 1, приняв для нее зависимость в видеряда по степеням аМ: 1 ЩЬаЩ"Ьн д, (2)30 о =О. и =О0= (1,5 - 500) Ч,10,8 а,где Чо - смещение берегов трещины на поверхности изделия;а - глубина трещины,измеряют расхождение берегов трещины вплоскости дна цилиндрического углубленияи учитывают его при определении КИН, 40Для определения профиля трещины,распространяющейся внутрь тела, помимоасимптотического решения для перемещений берегов у вершины трещины дополнительно используется уравнение знергетического баланса, благодаря чему отпадаетнеобходимость в измерении смещений берегов трещины непосредственно у вершины, а можно измерять их в различныхплоских сечениях, перпендикулярных предполагаемому росту трещины, удаленных отее вершины.В общем виде применительно к плоским задачам такая идея использована вработе Петроски-Ашенбаха, Двучленное 55выражение профиля кольцевой трещины,полученное на основе подхода ПетроскиАшенбаха при произвольной нагрузке, приложенной к ее берегам, имеет вид;=Ь ЯУ(1 - Т)1 4 Рп(1 - 1 Щ (3) где Е(1+ Л,(4) Если кроме смещений берегов трещиныизмерять также и угол раскрытия а, то изуравнения (3) получают: Нт а/2 В 1Таким образом, замеряя смещения и углы раскрытия берегов трещины для некоторого числа точек, получают систему уравнений для определения неизвестных коэффициентов Ь: Рп-1 141 = 2, Ьп 1 рп(1 - 11)2 + 3 Гп(1 - Ь)2),и =ОН 14где п 2 к 4 и21.2 оа Н 1 я я/2Оо 1=1,2,К;=1,21,где К - число точек, по которым выполнены замеры перемещений берегов трещины;1 - число точек, с известными углами раскрытия (И=1 +К).Дополнительно измеряя углы раскрытия берегов трещины, значительно сокращается число точек измерения смещений берегов трещины и их минимальное количество сводится к двум,В уравнениях (3) - (6) целесообразно принять оо=1, тогда величину искомого КИН определяют по формуле Кп = и/ЖГ Ьпф,(7) и =О В качестве функции Ьо в (4) принимаютК-тарировку для краевой трещины в полосепри одностороннем растяжении: 1 ф) = 1,121 - 0,231 3+ 10,55 ф- -21,72 Рз+ 30,39 /34, (8) 1 4 4/д) 11,121 рп4 Я рг п.+2 5 и(9) Для нахождения численных значения чк и а в месте выхода трещины на поверхность изделия выполняют по меньшей мере одно глухое цилиндрическое углубление, охватывающее трещину, ось которого совмещают с предполагаемым направлением распространяющейся трещины, Для того чтобы, опкоторая дает удовлетворительные результаты для кольцевых трещин в диапазоне Р= =0-0,4 при Юl й0,1.Подставляя (8) в (4), получают явное выражение Ги: ределить КИН по предлагаемому способу,достаточную двух точек измерения смеще.ний берегов трещины и одного угла раскрытия берегов трещины,5 Для того, чтобы точно определить уголраскрытия берегов трещины, используютвыражениеС учетом того, что берега трещины всегда разгружены, размеры диаметра О цилиндрического углубления выбираются изнескольких соображений: удобства выполнения углубления, доступности и надежностиизмерения смещений берегов трещины вместе сопряжения дна цилиндрического углубления с берегами трещины и не нарушения кинематических связей изделия,Учитывая имеющиеся техническиесредства для выполнения цилиндрическогоуглубления, а также тот факт, что в реальныхизделиях можно зафиксировать смещенияберегов трещин, если эти смещения превышают 0,01 мм, принимают О(1,5-500)Чо.Использование измерений смещенийберегов трещины в местах сопряжения днацилиндрического углубления с берегамитрещины при выполнении цилиндрическогоглубиной не менее 0,8 а, где а - глубина тре 30 щины, позволяет определить КИН с требуемойточностью. Измерение смещений береговтрещины в местах сопряжения цилиндрического углубления глубиной Ь 0,8 а связано сбольшими погрешностями вследствие влияния локальной текучести и обьемных эффектов у вершины трещины нэ результатыизмерения, что существенно сказывается наточности определения КИН.Таким образом, оптимальными являются следующие соотношения: 0=(1,5-500)Чо,Н 0,8 а.Для повышения точности определенияКИН по предлагаемому способу необходи:мо выполнить ряд соосных цилиндрическихуглублений в месте выхода трещины на поверхность иэделия, при этом увеличиваетсячисло точек измерения смещений береговтрещины,П р и м е р, По предлагаемому способуопределяют величину КИН в цилиндрическом сосуде давления (труба паропровода снаружным радиусом В=-500 мм и толщинойстенки Я=5 мм), работающем под действием внутреннего давления р=0,203 кГ/мм .гСосуд установлен в камере, через которуюпериодически пропускают жидкий азот, Материал трубы - сталь 22 К (ов-п 500 МПа,После двух летэксплуатации рентгеновским методом в трубе в месте прохождения ее через азотну 1 о камеру обнаружена наружная кольцевая трещина глубиной а=,5 мм И =а/Я=0,5).С помощью катетометра КМизмеряют смещение берегов трещины на поверхности трубы Ч;-2,210 г мм, после чего в месте выхода трещины на поверхность трубы выполняют цилиндрическое углублени 6 0=4 мм на глубину И=О,8 мм и повторно измеряют смещение берегов трещины в месте соп ряжения плоскости дна цилиндрического углубления с берегами трещины ч 1=1,710 г мм.По этим данным определяют КИН в виде ряда из трех членов: Коэффициенты Ьп в (11) находят из следующей системы уравнений:= 3,125 10ения коэффициентов2) следующие: 34,68747,424 . (1327,336 1,9938 0,6292 0,2137 Ьо 3,9815 0,8877 0,1410 Ь 1 1,4003 0,4894 0,1868 Ьг Решив систему уравнений (13), получают: Ьо 702,368; Ь 1=4015,127; Ьг= - 5106,45 Отсюда значение КИН К 1 равно К 1- ъ/л 2 ЛГ (Ь+Ь 10,5+ Ьг(0,5) = 80 1 кГ/мм г= 25,57 МПа 1/м.Оценивая величину погрешности опрееления КИН по предлагаемому способу, в Нт 9 Г 2В последнем сЧ(а 0/2) в точке 1,=0образом:/2 0Числовые значстемы уравнений (1Ф оотношении величину определяют следующим качестве точного принимают значениеКИН, полученное по известным смещениям берегов трещины, найденным с помощью МКЭ, и значение КИН, полученное5 по известному аналитическому решениюданной задачи,Значение КИН, рассчитанное с помощью МКЭ для данной задачи, равноК 1=78,27 кГ/мм=25,0 МПам, При этом10 относительная погрешность определенияКИН по предлагаемому способу в сравнении с данными МКЭ составляет 2,30,Определяют КИН по известному решению в рядах;К 1 = 0/лЗ тгде о=10 кГ/мм =100 МПа - нагрузка, при-гложенная к берегам трещины:20 У(а/В/) - поправочная функция, учитывающая геометрию и условия нагружениярассматриваемого тела с трещиной, У(0,5)==2,826 при ЮВ0,10,При этом относительная погрешность25 определения КИН по предлагаемому способу в сопоСтавлении с аналитическим расчетом составляет 1,1% (К 1 анап=79,2 кГ/мм=-.24,63 МПам),30Формула изобретения Способ определения коэффициента интенсивности напряжений в материале изделия, по которому нагружают изделие с 35 трещиной усилиями, раскрывающими трещину, регистрируют при этом длину трещины и смещение берегов трещины на поверхности трещины и по ним определяют коэффициент интенсивности напряжений в 40 окрестности вершины трещины, о т л и ч аю щ и й с я тем, что, с целью повышения информативности способа за счет определения коэффициента интенсивности напряжений в осесимметричных иэделиях с 45 поверхностными трещинами, развивающимися внутрь изделия, дополнительно выполняют при нагружении изделия в месте выхода трещины на поверхность глухое цилиндрическое углубление, диаметр О и глу бину Ь которого выбирают из условийЭ=(1,5 - 50.0)Чо.Ь 0,8 а,где Ч 0 - смещение берегов трещины на поверхности иэделия;55 а - глубина трещины.измеряют расхождение берегов трещины в плоскости дна цилиндрического углубления и учитывают его при определении коэффициента интенсивности напряжений.