Методы ана­лиза напряжений в конструкциях с учетом деформаций ползучести

ПЕВНЕВУ

Бойл Дж., Спенс Дж. Анализ напряжений в конструкциях при ползучести: Пер. с англ. — М.: Мир, 1986.-360с., ил.

Книга английских специалистов, являющаяся учебным пособием по методам ана­лиза напряжений в конструкциях с учетом деформаций ползучести. Рассмотрены как простые, так и усложненные модели установившейся и неустановившейся ползучести, учитывающие нестационарные явления при переменных нагрузках и температуре. При­ведены численные методы решения краевых задач на ЭВМ, обсуждаются оценки досто­верности численных решений, рассмотрены вопросы повреждения и разрушения при ползучести.

Для студентов машиностроительных факультетов и факультетов прикладной ма­тематики, физических и механико-математических факультетов, для инженеров и спе­циалистов в области механики деформируемого твердого тела.

1. Основные понятия

Простейшим понятием ползу­чести можно назвать зависимость во времени  дефор­мации, образованной в материалах конструкции под действием нагрузок, приложенных к ней в течение длительного промежутка времени.

При Из вида обычной кривой   нагрузка — перемещение   для образца из линейного упругого ма­териала следует, что заданной фиксированной нагрузке соответствует оп­ределенное перемещение (рис. 1.1). Однако в случае, когда материал пол­зет, перемещение будет постоянно расти даже при неизменной нагрузке.

рис. 1.1. Области упругости и ползучести на кривой нагрузка - деформация.

рис. 1.2. Стандартная кривая ползу­чести.

Зависимость перемещения от времени показана на рис. 1.2 — этот тип кривой обычно называют "стандартная кривая ползучести". Разумеется, рас­тягиваемый образец не может удлиняться бесконечно — в конце концов пол­зучесть приводит к разрыву или к "разрушению при ползучести". Эти факты, а также исследование стандартной кривой ползучести заставляют предпо­ложить, что для проектирования элементов инженерных конструкций требу­ется всесторонний анализ их работы. В частности, если имеет место де­формация ползучести, то мы должны закладывать в проект конечное время работы, чтобы избежать чрезмерных перекосов или разрушения в течение расчетного срока работы конструкции. Для того чтобы это сделать, мы должны уметь анализировать напряжения с учетом деформаций ползучести.

1.1   ЯВЛЕНИЕ ПОЛЗУЧЕСТИ В ЭЛЕМЕНТАХ ИНЖЕНЕРНЫХ КОНСТРУКЦИЙ

Понятие ползучести не является новым; это явление можно было наб­людать при течении льда, снега, скальных и грунтовых массивов. Оно бы­ло замечено еще в древности и учитывалось при возведении некоторых соо­ружений из дерева и изготовлении изделий из тканей [ 1]. Ползучесть может возникать во многих материалах, используемых в современных инженерных конструкциях — в битумах, керамике, бетоне и, конечно же, в металлах. Вообще говоря, кривые ползучести таких материалов в целом подобны стан­дартной кривой, приведенной на рис. 1.2 (хотя в деталях они, разумеется, могут различаться); полезную для приложений сводку данных по ползучести можно найти в работах [ 2, 3]. В этой книге мы будем иметь дело почти всюду с ползучестью только металлов. Несмотря на то что в истории разви­тия техники, в частности при создании печей и паровых котлов, инженеры непременно должны были столкнуться с явлением ползучести, истинная при­рода и значимость этого явления были поняты и правильно оценены только после публикации данных по ползучести Е.Н.К. Андраде в 1910 г. Ключевым моментом здесь было понимание, что ползучесть металла вызывается повы­шением температуры.

Какие же элементы конструкций могут испытывать ползучесть? Ниже мы приведем краткое описание некоторых наиболее показательных приме­ров из различных областей техники.

1.1.1 Энергетические установки

Многочисленные задачи теории ползучести возникают при проектирова­нии энергосилового оборудования. В девятнадцатом веке для повышения КПД простейших паросиловых ус­тановок их рабочая температура постоянно повышалась, однако выход в область температур, где возникает ползучесть конструкционных материалов, произошел лишь в первой четверти нашего столетия в связи со все возрас­тающим применением перегретого пара. Несмотря на это, серьезных проблем проектирования, связанных с уче­том ползучести, не встречалось до тех пор, пока не были изобретены тур­бины с большими скоростями вращения. Паровые турбины и до сих пор про­изводят значительную долю электрической энергии [5]. Типичная конструк­ция состоит из нагревателя, питающего турбогенератор перегретым па­ром с температурой порядка 538 — 568° С. Основные компоненты такой ус­тановки, которые работают в области заметной ползучести, должны быть рассчитаны таким образом, чтобы, в течение намеченного промежутка вре­мени работы не произошло разрушения. Разрушиться вследствие ползучес­ти могут трубопроводы нагревателя, турбинные лопатки; катастрофические   • последствия могут повлечь за собой также изменения взаимных расстояний между деталями турбины вследствие их ползучести.