Кинетика разнонаправленности упругопластического разрушения при учете анизотропии свойств материала

Живучесть, ресурс и безопасность эксплуатации конструкций определяются степенью их повреждаемости, которая преобладающим образом регламентируется наличием и развитием в материале дефектов типа трещин. На основе расчетно-экспериментальных данных и численных решений предложены кинетические зависимости развития поверхностных разноориентированных полуэллиптических трещин с учетом анизотропии свойств материала. Получены результаты, необходимые для исследований задач кинематики нелинейной механики сплошной анизотропной среды. Предложены уточняющие параметрические уравнения состояния упругопластической деформационной анизотропии. Приведены функциональные зависимости параметров кинетических диаграмм малоциклового разрушения от механических свойств материала для широкого класса сварных соединений аустенитных нержавеющих циклически стабильных сталей типа 12Х18Н10Т. Исследованы процессы развития наклонных поверхностных полуэллиптических трещин в континуумах сварных соединений при нелинейных граничных условиях нагружения. Проведены расчетно-экспериментальные и численные исследования напряженно-деформированного состояния в окрестности контура как стационарных, так и растущих поверхностных полуэллиптических произвольно ориентированных в пространстве трещин при упругопластическом номинальном циклическом нагружении с учетом анизотропии свойств материала. Получено функциональное распределение параметра неоднородности механических свойств материала, влияющего на накопление локальных пластических деформаций и на направление развития упругопластического разрушения, представленное в виде кинетического уравнения нелинейной механики разрушения. На основе сравнения экспериментальных результатов и численных расчетов напряженно-деформированного состояния по контуру исследуемых трещин при нелинейных краевых условиях нагружения показано хорошее согласование интенсивностей относительных упругопластических деформаций в их поверхностных точках с учетом деформационной анизотропии. Расчеты на сопротивление упругопластическому разрушению элементов ответственного оборудования с учетом рассматриваемых факторов нелинейной механики разрушения и неоднородности свойств позволят повысить точность оценки их прочности, эксплуатационных ресурсов и живучести.

1. Махутов Н. А., Макаренко И. В. Методика исследования кинетики полуэллиптических поверхностных наклонных трещин при малоцикловом нагружении / Заводская лаборатория. 1984. Т. 50. № 2. С. 63 – 66.

2. Zhao Jun, Zhang Xing. The asymptotic study of fatigue crack growth based on damage mechanics / Engn. Fracture Mechanics. 1995. Vol. 50. N 1. P. 131 – 141.

3. Махутов Н. А. Деформационные критерии разрушения и расчет конструкций на прочность — М.: Машиностроение, 1981. — 273 с.

4. Махутов Н. А. Конструкционная прочность, ресурс и техногенная безопасность. В 2-х ч. — Новосибирск: Наука, 2005. — 1110 с.

5. Makhutov N. A., Makarenko I. V., Makarenko L. V. Calculation and experimental analysis of the stress-strain state for in clined semi-elliptical surface cracks / Inorganic Materials. 2017. Vol. 53. N 15. P. 1502 – 1505.

6. Махутов Н. А., Макаренко И. В., Макаренко Л. В. Исследование пространственной механической неоднородности сварных соединений аустенитных нержавеющих сталей / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2004. Т. 70. № 2. С. 39 – 49.

7. ANSYS, 2010. Structural Analysis Guide. 660578.

8. Makhytov N. A., Makarenko I. V., Makarenko L. V. A study of fracture kinetics in welded components of nuclear power plant equipment in the presence of surface semi-elliptical variously oriented cracks / Strength of Materials. 2010. Vol. 42. N 1. P. 25 – 31.

9. Makhutov N. A., Makarenko I. V., Makarenko L. V. Studies on the fracture mechanism and kinetics of randomly oriented surface semielliptic cracks at the multiaxial stress-strain state with deformation criteria of nonlinear fracture mechanics / Strength of Materials. 2013. Vol. 45. N 4. P. 454 – 458.

10. Li CQ, Fu GY, Yang W. Stress intensity factors for inclined external surface cracks in pressurized pipes / Engng. Fract. Mech. 2016. Vol. 165. P. 72 – 86.

11. Fu GY, Yang W, Li CQ. Stress intensity factors for mixed mode fracture induced by inclined cracks in pipes under axial tension and bending / Theor. Appl. Fract. Mech. 2017. Vol. 89. P. 100 – 109.

12. Chandra D., Putra I. S., Ariffin A. K., Mardi N. A., Nukman Y., Purbolaksono J. Fatigue growth analysis of a surface crack in a solid cylinder under combined cyclic axial-torsion loading / Exp. Tech. 2016. Vol. 40. P. 1397 – 1407.

13. Guoyang Fu, Wei Yang, Chun-Qing Li. Stress intensity factors for mixed mode fracture induced by inclined cracks in pipes under axial tension and bending / Theor. Appl. Fract. Mech. 2017. Vol. 89. P. 100 – 109.

14. Bin Qianga, Yadong Lia, Changrong Yao, Xin Wang. Through-thickness welding residual stress and its effect on stress intensity factors for semi-elliptical surface cracks in a butt-welded steel plate / Eng. Fract. Mech. 2018. Vol. 193. P. 17 – 31.

15. Miao X. T., Zhou, C. Y., Li J., He X. H. Studies of elastic and elastic — plastic J-integral for mixed mode cracked plate under biaxial loading / Fatigue. Fract. Eng. Mater. Struct. 2016. Vol. 39. P. 536 – 551.

16. Aliha MRM, Gharehbaghi H. The effect of combined mechanical load welding residual stress on mixed mode fracture parameters of a thin aluminum cracked cylinder / Eng. Fract. Mech. 2017. Vol. 180. P. 213 – 241.

17. Shen HJ, Guo WL. 3D constraint effect on 3D fatigue crack propagation / Int. J. Fatigue. 2005. Vol. 27. P. 617 – 640.

18. Tetsuya Koshima, Hiroshi Okada. Three-dimensional J-integral evaluation for finite strain elastic — plastic solid using the quadratic tetrahedral finite element and automatic meshing methodology / Eng. Fract. Mech. 2015. Vol. 135. P. 34 – 63.

19. Ferro P., Berto F., James N. M. Asymptotic residual stress distribution induced by multipass welding processes / Int J Fatigue. 2017. Vol. 101. P. 421 – 430.

20. Judt P. O., Ricoeur A., Linek G. Crack path prediction in rolled aluminium plates with fracture toughness orthotropy and experimental validation / Eng. Fract. Mech. 2015. Vol. 138. P. 33 – 48.

21. Lach R., Grellmann W. Mixed mode fracture mechanics behaviour of PMMA / Macromol Symp. 2017. Vol. 373. N 1. P. 1 – 6.