Прогнозирование начальной стадии усталостного разрушения судовых гребных валов

Опыт эксплуатации конструкций различного назначения, в том: числе морскихи речных судов, показывает, что их надежность в, эксплуатации в существенной, степени зависит от прочности, недолговечности конструктивных-элементов. Известно, что подавляющеебольшинствоконструктивных элементов"при эксплуатации воспринимают переменные во времени? нагрузкикоторые являются основным-условием возникновенияи развития, усталостного разрушения. Это в полной степени относится к судовым гребным валам, тем более что в этом случае процессусталостного разрушения-происходит пррг одновременном: воздействиюитвал поверхностно-активной среды морской^ или пресною воды. Выявленные: причины повреждений: гребных валов" показывают, что большая? часть" повреждений (более 60% случаев) явились следствием, усталости и коррозионной усталости гребных валов.

Существующая тенденция к увеличению мощности энергетических установок, применяемых па транспортных судах, повышает риск, усталостных разрушений пропульсивного комплекса судна и гребного вала, в частности. Восстановление, ремонт и замена этих элементов, особенноподводной части судна, производят только после вывода судна из эксплуатации. Поэтому вопросы прогнозирования технического состояния таких элементов играют важную> роль в процессе эксплуатации, судна и снижении непроизводственных затрат судовладельца, связанных с простоем судна. ,.

В настоящее время известны, методики, прогнозирования роста усталостных макротрещпн. В тоже время, процесс зарождения и распространения малых усталостных трещин освещен в литературе недостаточно полно-, несмотря на точто именнона эту стадиюприходится значительная"доля полной долговечности конструктивных элементов. Прогнозирование процессов зарожденияи развития малых трещин важно еще и потому, что трещина на этой стадии имеет размеры порядка нескольких зерен микроструктуры материала, и находитсяна грани возможности обнаружения* методами промышленной дефектоскопии, что не позволяет контролировать процесс ее роста при эксплуатации судна.

Актуальность работы определяется необходимостью количественной оценки длительности начальной стадии процесса усталостного разрушения гребных валов и установления критических размеров трещинооб-разных дефектов.

Объектом исследования являются судовые гребные валы.

Предметом исследований является кинетика малых усталостных трещин.

Целью работы является создание методики прогнозирования начальной стадии усталостного разрушения судовых гребных валов.

Для достижения поставленной цели потребовалось решить следующие задачи:

1. Провести анализ существующих критериев усталостной прочности, применяемых к начальной стадии усталостного разрушения.

2. Опытным путем установить закономерности кинетики малых трещин в конструкционном материале судового гребного вала при испытании образцов на воздухе и в. морской воде. с.

3. Создать феноменологическую и математическую модели, описывающие рост малых усталостных трещин в поликристаллическом материале.

4. Разработать методику прогнозирования начальной стадии усталостного разрушения судовых гребных валов, позволяющую решать различные прикладные задачи, связанные с их эксплуатацией.

Методы исследования. Основные теоретические и экспериментальные результаты, представленные в диссертации, получены с помощью математического аппарата механики деформированного твердого тела, в том числе численных методов, и проведении лабораторных испытаний образцов на испытательных машинах, включая эксперименты на вновь разработанной установке.

На защиту выносятся следующие научные результаты:

1. Кинетические закономерности роста малой усталостной трещины в стали 35 на воздухе и в морской воде.

2. Феноменологическая и математическая модели начальной стадии усталостногоразрушения конструкционных поликристаллических материалов.

3. Методика прогнозирования' начальной стадии усталостного разрушения судовых гребных валов.

Новизна, первого научного результата заключается в установлении существенных отличительных особенностей кинетики малой трещиныот кинетики макротрещины1 и количественном определении границы перехода малой трещины в макротрещину.

Новизна второго научного-результата^ заключается в формулировании основных закономерностей кинетики роста малой трещины, составляющих основу предложенной феноменологической модели.

Новизна третьего научного результата состоит в разработке новой расчетной методики прогнозирования начальной стадии усталостного разрушения судового гребного вала.

Достоверность научных результатов обеспечивается использованием испытательного и измерительного оборудования, прошедшего соответствующие поверки, и использованием в проведении эксперимента методик в. соответствии с действующими нормативными документами. Результаты расчетов, выполненные с помощью предлагаемой методики, прогнозирования продолжительности начальной стадии усталостного разрушения судовых гребных валов, находятся в удовлетворительном соответствии с данными лабораторных испытаний и с фактическими данными наработки гребных валов.

Практическая ценность работы. Материалы работы были использованы на четырех предприятиях, осуществляющих эксплуатацию морских судов в Азово-Черноморском бассейне, при решении задач, связанных с ремонтом и эксплуатацией судовых гребных валов. В частности для определения 6 рабочего ресурса гребного вала при планировании мероприятий по его ремонту и замене, а так же для определения наиболее опасных зон на поверхности вала.

Разработаннаяметодика прогнозирования может быть использована проектными и судоремонтными организациями для оценки прочности и ресурса гребных валов, судов или других конструктивных элементов, выполненных из исследуемого материала.

Апробация, результатов исследования. Основные результаты* исследований докладывались, обсуждались-и получили одобрение на: VIII, IX, X городской научно-практической конференции' студентов, аспирантов и молодых ученых: «Молодая наука» (Новороссийск, 2008, 2009, 2010) — VII, VIII, IX региональной научно-технической конференции: «Проблемы эксплуатации водного транспорта и подготовка кадров на Юге России» (Новороссийск, 2008, 2009, 2010) — академической научно-практической конференции курсантов «Новое поколение в науке» (Новороссийск 2005, 2009, 2010) — V, VI международной научно-практической конференции: «Бъдещи изследвания» (София, 2009, 2010) — VII Всероссийской научной конференции молодых ученых и студентов'"Современное состояние и приоритеты. развития фундаментальных наук в регионах" (Анапа, 2010) — IX международной научно-технической конференции «Инновация, экология» и ресурсосберегающие технологии на предприятиях машиностроения" (Ростов-на-Дону, 2010).

Структураи5 объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, 8 приложений, списка использованной литературы, включающего 130 наименований. Работа изложена на 131 странице машинописного текста, содержит 63 иллюстрации и 22 таблицы.

Результаты исследования кинетики малых трещин (испытания на воздухе) сг = 285 М] Па (7 = 275 М Па ^ а =265 МПа.

ТУ, цикл /, мкм с11Ш ТУ, цикл /, мкм с!1Ш ТУ, цикл /, мкм Ш/сШ.

20 ООО 43 0.215 40 000 32 0.0032 110 000 21 0.0021.

40 ООО 58 0.75 т 50 000 40 0.0008 120 000 26 0.0005'.

60 ООО 104 0.0023 60 000 47 0.0007 130 000 32 0.0006.

80 ООО 118 0.0007 1 70 000 64 0.0017 1150 000 36 0.333.

100 000 123 0.25 80 000 89 0.0025 200 000 181 0.0029.

120 000^ 156 0.165 90 000' 108 0.0019 250 000 329 0.296.

140 000 208 0.0026 5100 000 167 0:0059- 300 000 357 0.56.

160 000 360 0.0076 150 000 238 0.142 350 000 624 0:534.

180 000 790 0.0215 5 200 000 304 0.132 * 400*000 1284 0.0132.

200 000 1354 0.0282 !250 000 923 0.1 238 450 000 3372 0.4 176.

220 000 2273 0.4 595 300 000 3103 0.0436 500 000 7086 0.7 428.

240 000 3894 0.8 105 350 000 6333 0.0646 *.

260 000 5887 0.9 965.

7 = 255 МПа, а = 285 МПа.

ТУ, цикл /, мкм с!1Ш ТУ, цикл /, мкм с11Ш.

180 000 13 0.7 200 000 11 0.11.

190 000 22 0.18 300 000 24 0.13.

200 000 46 0.48 400 000 87 0.63'.

250 000 51 0.0001 500 000 114 0.27.

300 000 64 0.26* 600 000 453 0.339.

350 000 350 0.608 1 700 000 587 0.134.

400 000 410 0.0012 800 000 887 0.003.

500 000 734 0.324 900 000 1478 0.591.

600 000 1624 0.0089 1 000 000 2586 0.1 108.

700 000 4371 0.2 747 1 100 000 4713 0.2 127.

800 000 7860 0.3 489 1 200 000 9624 0.4 911.

Кривые зависимости скорости роста трещин (рис. 2.23, 2.24) позволяют определить момент перехода трещины в стадию развития макротрещи.

3 Моделирование стадии роста малой трещины 3.1 Базовые положения феноменологической модели.

Приведенные в данной работе результаты исследования процесса усталостного" разрушения стали 35 на воздухе и в морской" воде, и кинетики малых трещин явились основой для формулирования базовых положений^ разработанной модели. Изложим эти положения, которые в своей совокупности рассматриваются как феноменологическаямодель стадии^ роста малой трещины.

1) Объектом применения предлагаемой модели является стадия роста малой трещины, временной интервал которой определяется левой границеймоментом зарождения в зерне конструкционного материала микротрещины с характерным размером сопоставимым с размером зерна, l.

2) Развитие малой трещины в пределах зерна рассматривается как ее рост в сплошной однородной среде с интегральными механическими характеристиками данного конструкционного материала.

3) Напряженно-деформированное состояние отдельного зерна конструкционного материала считается как среднестатистическое и определяется из внешних нагрузок на образец и интегральных механических характеристик материала.

4) Средняя скорость роста малой трещины не зависит от изменения ее размера и определяется параметрами цикла переменных напряжений.

5) Кинетика роста малой трещины в экспериментальном образце и реальном конструктивном элементе считается одинаковой.

6) Влияние коррозионной среды сводится к изменению средней скорости роста малой трещины за счет облегчения деформирования поверхностного слоя образца (эффект Ребиндера [108]) и снижения сопротивления силовых барьеров (границ зерен) [109 — 111].

3.2 Математическая модель роста малой трещины.

В основе математической модели используются > положения феноменологической модели, представленные в разделе 3.1, и основные закономерности роста малой трещины, полученные в результате эксперимента образцов стали 35 на воздухе и в морской воде.

Считается, что полная долговечность конструктивного элемента (образца) определяется как сумма циклов нагружения, затрачиваемых на три характерных стадии процесса разрушения:

3.1) где N1 — стадия зарождения микротрещины размером, не превышающим средний диаметр зерна структуры конструкционного материалаN?1 — стадия роста малой трещиныЫщ — стадия роста макротрещины.

Для определения правой границы стадии роста малой трещины, соответствующей переходу к макротрещине, проведем анализ и установим характерные особенности кинетики трещины на данной стадии разрушения. На рис. 3.1 — 3.3 приведены результаты испытаний образцов на воздухе с различными максимальными напряжениями цикла нагружения.

Анализ приведенных данных позволяет сделать следующий основной вывод: трещины размером меньше 10Лср имеют значительно больший разброс значений параметра скорости роста, нежели трещины с размером, превышающим величину 10с1ср. Это объясняется существенным влиянием на рост малой трещины различных силовых барьеров, в первую очередь, границ зерен. Очевидно, что на данном этапе разрушения малая трещина не проявляет себя как мощный концентратор напряжений, в отличие от макротрещины, на рост которой границы зерен не оказывают заметного влияния.

Ж=^7' ^ где.

Л^ЛГ-Л^-А^. (3.3).

Первое и второе слагаемые в правой части (3.3) определены по результатам эксперимента и представляют собой зависимости от наибольших значений напряжений цикла нагружения = (3−4) и.

3−5).

Продолжительность третьей стадии роста макротрещины определяется численно по следующей формуле кр

10 С (ср М где /(.'ДК]) — функция от размаха коэффициента интенсивности напряжений ЛК], определяется исходя из условий нагружения и геометрии образца- 1кр, т критический размер трещины, предшествующий моменту полного разрушения образца.

3.7) где X — относительная длина трещины по поверхности образца, определяется из уравнения:

Г = 6ЛУг (1,87 — 3,27Я + 8,29Я2), при выполнении условия 0,16 < Л < 0,5 где У — безразмерный коэффициент, зависящий от относительного размера трещины, определяемый по формуле [112]:

80 где К1/с — критический коэффициент интенсивности напряжений (для материала сталь 35 Кус = 26,3 МПал/м [113]).

С учетом выражений (3.3) — (3.7), средняя скорость малой трещины (3.2) может быть определена по формуле:

Ш Ю йср т ъ ь,) ?1 ¦ (3.10).

Полученное выражение (ЗЛО) средней скорости роста малой трещины может быть несколько преобразовано, если объединить первую и вторую стадии разрушения. Это действие не внесет существенную ошибку в определение средней скорости роста малой трещины, т.к. протяженность стадии зарождения микротрещины (/V/) существенно меньше стадии роста малой трещины (/V//). При этом не потребуется экспериментально находить коэффициенты выражения (3.5), что существенно упростит использование предлагаемой модели и методики расчета реального вала.

Выражение средней скорости малой трещины, Уср, с учетом указанных изменений, примет следующий вид: ср

V =а • (3.11) аСГтйх I.

Ч, ЛАК,).

Рассмотрим сходимость результатов расчета по предложенной модели с полученными на образцах экспериментальными данными.

Для этого были использованы результаты эксперимента, проведенного на установке для испытания образцов на усталость при изгибе с кручением. Результаты расчета по математической модели в рамках разработанной методики сравнивались с данными эксперимента и расчетом по модели Хобсона-Брауна [75]. В качестве характеристики сравнения использовалась наработка, выраженная в циклах нагружения, до перехода малой трещины в стадию раз.

• проверка вала на наличие исходных концентраторов напряжений, влияние которых должно быть учтено при прогнозировании долговечности ГВ судна.

2) предрасчетный — численное моделирование:

• построение пространственной геометрической модели исследуемого ГВ судна;

• задание характеристик материала исследуемого ГВ судна, создание твердотельной модели;

• построение конечно-элементной модели ГВ судна, путем дискретизации внутреннего пространства твердотельной модели вала сеткой расчетных элементов конечного объема, соединенных между собой в узловых точках;

Заключение

.

Основными результатами выполненных лабораторных и теоретических исследований являются следующее:

1. Выполнен статистический анализ повреждений и поломок гребных валов судов на основе данных доступных литературных источников.

2. Установлены качественные и количественные закономерности кинетики малых усталостных трещин в конструкционном материале судового гребного вала (сталь 35), как при испытании образцов на воздухе, так и в морской воде.

3. Приведено количественное обоснование момента перехода малой усталостной трещины в макротрещину.

4. Сформулированы основные положения феноменологической модели начальной стадии усталостного разрушения на основе установленных в рамках данной работы основных закономерностей кинетики малых усталостных трещин.

5. Предложена математическая модель и методика прогнозирования начальной стадии усталостного разрушения судового гребного вала, позволяющая:

— определить продолжительность начальной стадии усталостного разрушения гребного вала (до возникновения макротрещины) в зависимости от условий его эксплуатации;

— оценить остаточный рабочий ресурс гребного вала;

— установить допускаемые безопасные характерные размеры дефектов в зависимости от их местоположения, геометрии и режима нагружения гребного вала;

— получить количественную информацию о локальной прочности гребного вала при решении эксплуатационных и ремонтных задач.

6. Осуществлена проверка результатов расчета по предложенной методике на сходимость с данными эксперимента и результатами расчетов, выполненными по моделям других авторов.

7. Выполнен расчет продолжительности начальной стадии усталостного разрушения гребного вала т/х «Волгонефть» пр. 1577/550А. Результаты расчета сравнивались с фактической наработкой валов до обнаружения в них трещин, отмечено взаимное соответствие данных. Превышение значений фактической наработки над расчетными данными по долговечности объясняется менее жесткими условиями фактической эксплуатации гребного вала относительно принятых расчетных режимов.

Материалы работы были использованы на четырех предприятиях, осуществляющих эксплуатацию морских судов в Азово-Черноморском бассейне, при решении задач, связанных с ремонтом и эксплуатацией судовых гребных валов.