4.1.2.3. ВЛИЯНИЕ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИИ НА РАЗВИТИЕ УСТАЛОСТНЫХ ТРЕЩИН В СВАРНЫХ УЗЛАХ
Особая роль сварных соединений в вопросах прочности конструкций при переменном нагружении привлекла пристальное внимание многих исследователей к свойствам материала соединения, а также к проблеме влияния остаточных сварочных напряжений (ОСН) на развитие трещин усталости [23, 235, 361]. Первоначально делались попытки методами механики разрушения получить интегральные сведения о сопротивлении
«сварных соединений росту трещин и описать их с помощью простых зависимостей вида (4.1) [362, 370, 374]. Затем оценки развития трещин стали ставиться в зависимость от распределения ОСН в той области, где проходит траектория трещины [5, 236], лричем влияние ОСН предполагалось учитывать путем корректировки константы уравнения (4.1). Было показано [49—51], что ОСН в зависимости от знака могут ускорить или затормозить рост трещины и что под влиянием остаточных напряжений (ОН) возможно возникновение и распространение трещин даже при пульсирующем сжатии [362].
Одними из первых исследований, посвященных расчетному анализу развития трещин в поле ОСН, были работы В. И. Махненко [137, 139] и К. Масубучи [367]. В работах Махненко указывается на необходимость учета изменения поля ОСН в результате пластического нагружения, если при этом в областях с максимальными сварочными напряжениями происходит пластическое деформирование. Для описания развития усталостной трещины используется уравнение Уолкера в виде
где определяемый сварочными напряжениями в теле без трещины, откорректированными с учетом возможного упругопластического деформирования материала при циклическом нагружении, рассчитывается с учетом поправки на конечность ширины пластины и влияния отверстия, от которого развивается трещина).
Как видно, в таком подходе не учитывается возможность перераспределения ОСН в процессе роста трещины за счет упругопластического деформирования материала. В последующей работе [140] Махненко учитывает такую возможность и вычисляет с учетом упругопластического деформирования материала, происходящего по мере развития трещины, для случая равномерно распределенных ОСН по толщине сварного соединения.
Другой подход к определению КИН предложен в работе С. В. Петинова и А. А. Бабаева [181], где решалась упруго-пластическая задача МКЭ с учетом ОСН применительно к пластине со сварным швом и трещиной. По напряженному состоянию в области, непосредственно расположенной за упругопластической зоной у трещины, на стадии нагружения и разгрузки определялись КИН путем экстраполяции напряжений к вершине трещины. Авторы утверждают, что в этом случае КИН определены с учетом поправки на пластичность, введенной Ирвином [16].
В таком подходе есть методическая неточность. Как известно, поправка Ирвина была введена при анализе НДС в вершине трещины при монотонном нагружении элемента
конструкции. В этом случае в вершине трещины реализуется прямое нагружение, близкое к простому, и, следовательно, напряженное состояние в упругой области у трещины, характеризуемое КИН с учетом поправки, отражает деформирование материала в упругопластической зоне. В случае усталости материала в вершине трещины за цикл претерпевает сложное нагружение; НДС определяется всей историей деформирования в процессе нагружения и разгрузки и неоднозначно контролируется напряженным состоянием в упругой области у трещины, т. е. КИН. при разгрузке, полученный по предлагаемой авторами методике, неадекватно отражает НДС материала у вершины трещины при циклическом нагружении.
Следует отметить, что в рассмотренных выше работах при расчете долговечности сварных элементов КИН определялись по зависимостям, справедливым для прямолинейных трещин; при условии отсутствия контактирования их берегов.
В общем случае развитие трещины при наличии ОН может иметь следующие особенности:
искривление траектории распространения трещины; изменение эффективных значений КИН, контролирующих: процесс разрушения, вследствие взаимодействия эксплуатационных и ОН;
перераспределение поля действующих напряжений при изменении жесткости элемента конструкции;
возможность контактирования берегов трещины в условиях: сложного нагружения элемента конструкции.
Как видно из предшествующего анализа, перечисленные выше особенности развития усталостных трещин на основание существующих методов в полной мере не могут быть учтены. В связи с этим важное значение приобретает разработка универсальных численных методов расчета траекторий трещин и параметров линейной механики разрушения, учитывающих все перечисленные факторы.
Ниже будет представлен разработанный метод расчета траектории трещины и КИН, удовлетворяющий изложенным выше требованиям [27, 28, 65, 67, 70, 86, 92].