1.4.5. ОСОБЕННОСТИ ДЕФОРМИРОВАНИЯ ЭЛЕМЕНТА КОНСТРУКЦИИ ПРИ ИМПУЛЬСНОМ НАГРУЖЕНИИ

Как показывают экспериментальные исследования [215], разрушение элементов сварных конструкций при импульсном нагружении имеет ряд особенностей.

Рис. 1.14. Геометрические параметры и схема нагружения стыкового сварного соединения при квазистатическом (1) и импульсном (2) нагружениях длительность импульса)

В частности, относительная критическая деформация где -критическая деформация сварного соединения при импульсном нагружении; критическая деформация идентичного сварного соединения при квазистатическом нагружении) при разрушении стыкового сварного соединения зависит от одного из геометрических параметров — от относительного усиления высота усиления, толщина листов стыкового соединения — рис. 1.14, 1.15). Из рис. 1.15 видно, что с увеличением и при

— ширина усиления) уменьшается: Такой экспериментальный результат достаточно сложно объяснить «охрупчиванием» материала сварного соединения под действием высокоскоростного нагружения. В самом деле, при условии (которое практически всегда обеспечивается при сварке)

с увеличением коэффициент концентрации напряжений меняется очень слабо [145, 179]. Следовательно, скорость нагружения при различных в зоне сопряжения шва с основным металлом (в зоне разрушения) остается практически неизменной. Поэтому если при импульсном нагружении происходит охрупчивание металла зоны сопряжения при высоких значениях как следствие, снижение то практически идентичное снижение должно происходить и при малых

Рис. 1.15. Зависимость относительной критической деформации от относительной высоты усиления шва h/s стыкового сварного соединения [215]: экспериментальные данные; заштрихованная зона — полоса разброса экспериментальных данных

Сделанный вывод не соответствует имеющимся экспериментальным данным.

Таким образом, объяснить зависимость от (см. рис. 1.15) изменением свойств материала сварного соединения при динамическом нагружении не представляется возможным.

По всей видимости, снижение в зависимости от можно объяснить следующей причиной. Следствием импульсного нагружения являются последующие свободные колебания сварного соединения. Очевидно, что в зоне сопряжения шва с основным металлом эти колебания за счет концентрации напряжений и деформаций могут приводить к циклическому знакопеременному упругопластическому деформированию материала. Разрушение материала в данном случае может быть связано с накоплением усталостных повреждений. Ясно, что критическая деформация, по сути являющаяся остаточной деформацией после импульсного нагружения, будет меньше, чем критическая деформация при монотонном квазистатическом нагружении. Увеличение относительной высоты усиления приводит к росту инерционных сил, за счет которых в зависимости от схемы нагружения растет амплитуда и (или) количество циклов свободных колебаний сварного соединения. Роль усталостного повреждения в этом случае увеличивается, что приводит к снижению критической деформации при динамическом нагружении.

С целью обоснования изложенных выше представлений был проведен с помощью МКЭ численный анализ деформирования стыкового сварного соединения при статическом монотонном и импульсном нагружениях в условиях плоской деформации [134].

При расчете геометрические параметры сварного соединения (см. рис. 1.14) и механические свойства стали были приняты следующие: радиус сопряжения шва с основным металлом); соответственно предел текучести, модули Юнга и упрочнения исследуемого материала). Принималось, что реология деформирования стали описывается схемой трансляционного упрочнения: уравнение (1.6)].

Поскольку разрушение сварных соединений происходило в основном по зоне термического влияния (ЗТВ), локализованной у сопряжения шва с основным металлом, то в расчете необходимо было использовать именно характеристику предельной пластичности металла ЗТВ. Величина критической деформации ЗТВ стали в соответствии с работой [262] была принята равной

Прежде чем перейти к описанию результатов выполненных расчетов, отметим некоторые методические особенности. При построении экспериментальной зависимости от деформации замеряли не непосредственно в концентраторе напряжений, а на некотором расстоянии от зоны сопряжения шва с основным металлом [215]. Следовательно, измеряемые в эксперименте деформации по сути дела являются номинальными (именно такие деформации и напряжения использует в расчетах конструктор). В то же время инициация разрушения происходит в зоне концентрации напряжений, и, следовательно, для описания процесса повреждения этой зоны и соответственно всего сварного соединения необходимо оперировать величинами деформаций и напряжений, локализованных непосредственно у сопряжения шва с основным металлом. В дальнейшем будем их называть локальными деформациями и напряжениями. В проведенных расчетах анализировали кинетику как номинальных, так и локальных напряжений и деформаций.

Условие разрушения сварного соединения при статическом нагружении принимали в виде

где интенсивность локальных пластических деформаций; — критическая деформация ЗТВ стали принятая равной 0,22. Расчеты МКЭ показали, что при выполнении условия (1.65) номинальная критическая деформация замеренная на расстоянии от сопряжения шва с основным металлом, составляет 0,08.

Условие разрушения сварного соединения при импульсном нагружении принимали в виде [141]

где интенсивность локальных односторонне накопленных пластических деформаций (на рис. 1.16 показана односторонне накопленная поперечная пластическая деформация долговечность до зарождения трещины при интенсивности размаха локальных пластических деформаций количество полуциклов при знакопеременном упругопластическом деформировании (при колебании сварного соединения) до момента приспособляемости, когда

Рис. 1.16. Зависимость номинальных (1) и локальных (2) поперечных напряжений от поперечных пластических деформаций грхх при импульсном нагружении стыкового сварного соединения номер полуцикла)

Поскольку процесс колебаний сварного соединения характеризуется изменением в каждом полуцикле, то усталостное суммирование повреждений производится по полуциклам.

Значение для каждого полуцикла определяется на основании уравнения Мэнсона-Коффина [141]

Величина импульса q [нагружение производили по прямоугольному импульсу (см. рис. 1.14); величину принимали равной подбиралась таким образом, чтобы было выполнено условие (1.66). На рис. 1.16 представлена кинетика локального и номинального НДС при выполнении условия (1.66).

После выполнения условия приспособляемости интенсивность остаточных номинальных пластических деформаций составляет 0,0384. Как уже указывалось, эта деформация и есть экспериментально измеряемая после взрыва критическая деформация при импульсном нагрузжении [на рис. 1.16 показана номинальная остаточная поперечная пластическая деформация Следовательно, расчетное значение составляет 0,48, что достаточно хорошо согласуется с имеющимися экспериментальными данными (см. рис. 1.15).

Таким образом, предположение о снижении с увеличением за счет свободных колебаний сварного соединения при импульсном нагружении подтверждается выполненными расчетными исследованиями, базирующимися на разработанном методе решения динамической упругопластической задачи. Очевидно, что изложенные закономерности будут справедливы и для других сварных соединений, где усиление оказывает влияние на характер колебательного процесса рассматриваемого узла.