О влиянии коэффициента асимметрии цикла внешней нагрузки на характеристики цикла нагружения материала, расположенного в окрестности вершины трещиновидного дефекта

Рассматривается связь коэффициента асимметрии внешней нагрузки, действующей на конструкцию, и характеристики цикла, которым нагружен материал образца в области, примыкающей к вершине трещиновидного дефекта. Развитие усталостной трещины определяется характеристиками цикла нагружения. Предел выносливости материала существенно зависит от коэффициента асимметрии внешней нагрузки: при симметричном цикле он значительно ниже, чем при пульсирующем (при одинаковых амплитудных напряжениях). Усталостные явления определяются напряженно-деформированным состоянием в окрестности вершины выреза, где материал также испытывает циклическое нагружение со стороны окружающего материала, работающего упруго. Исследуется циклическое нагружение плоского образца, выполненного из циклически упрочняющегося материала и имеющего центральный трещиновидный вырез. Рассматриваются циклы внешней нагрузки с коэффициентами асимметрии от 0 до 0,9. Задача решается методом конечных элементов в двумерной постановке для случая плоского напряженного состояния. Проведена верификация используемой конечноэлементной модели. Подтверждено, что созданная модель трещиновидного дефекта позволяет производить упругопластические расчеты с достаточной точностью. Для циклов с различными значениями коэффициентов асимметрии зафиксированы напряжения в вершине трещиновидного дефекта при максимальных и минимальных уровнях внешней нагрузки. Отслежено изменение напряженного состояния при вершине в процессе наработки циклов внешней нагрузки. Установлено принципиальное изменение характера циклических напряжений в области при вершине трещиновидного дефекта вследствие наступления обратной пластичности. Определено, что при любом коэффициенте асимметрии внешней нагрузки в материале, примыкающем к вершине трещиновидного дефекта, реализуется симметричный цикл нагружения с возрастающей от цикла к циклу амплитудой. Скорость нарастания амплитуды тем меньше, чем ближе значение коэффициента асимметрии внешней нагрузки к единице. При его значении, близком к единице, обратная пластичность исчезает и при вершине реализуется несимметричный цикл с постоянной амплитудой.

трещиновидный дефект, циклическое нагружение, коэффициент асимметрии, пластическая зона, концентрации напряжений

1. Трощенко В.Т., Сосновский Л.А. Сопротивление усталости металлов и сплавов: Справ. Киев, 1987. 1242 с.

2. Партон В.З., Морозов Е.М. Механика упругопластического разрушения. М., 1974. 416 с.

3. Коцаньда С. Усталостное растрескивание металлов. М., 1990. 623 с.

4. Головин C.А., Пушкар А. Микропластичность и усталость металлов. М., 1980. 240 с.

5. Голуб В.П., Плащинская А.В. О влиянии концевой пластической зоны на рост усталостных трещин в изотропных пластинках при одноосном растяжении-сжатии // Теоретическая и прикладная механика. 2003. Вып. 38. С. 91-96.

6. A numerical study of plasticity induced crack closure under plane strain conditions / F.V. Antunes, F.G. Chegini, R. Branco, D. Camas // International Journal of Fatigue. 2015. № 71. P. 75-86.

7. Шабанов А.П. Возможная модель развития усталостной трещины в упрочняющихся материалах // Проблемы машиностроения и надежности машин. 2010. № 5. С. 40-47.

8. Crack paths under mixed mode loading / J.R. Yates, M. Zanganeh, R.A. Tomlinson, M.W. Brown, F.A. Garrido // Engineering Fracture Mechanics. 2008. № 75. P. 319-330.

9. Москвитин В.В. Пластичность при переменных нагружениях. М., 1965. 263 с.

10. Кишкин Б.П. Конструкционная прочность материалов. М., 1976. 184 с.

11. Шакиртов М.М., Шабанов А.П., Корнев В.М. Построение диаграмм разрушения для пластин с трещиновидным дефектом на основе необходимых и достаточных критериев // Прикладная механика и техническая физика. 2013. Т. 54. № 2. С. 163-170.

12. Нейбер Г. Теория концентрации напряжений в призматических стержнях, работающих в условиях сдвига, для любого нелинейного закона, связывающего напряжения и деформации // Механика: Сб. переводов. 1961. № 4. С. 117-130.

13. Нейбер Г. Концентрация напряжений. М.; Л.: Гос. изд-во технико-теорет. лит., 1947. 204 с.

14. Кутовой В.П., Шабанов А.П., Шакиртов М.М. Исследование напряженно-деформированного состояния вершины усталостной трещины в головке рельса // Известия Транссиба. 2013. № 1 (13). С. 89-94.

15. Шабанов А.П. О механизме роста усталостной трещины в поле внешних сжимающих напряжений // Прикладная механика и техническая физика. 2005. Т. 46. № 6. С. 108-115.

16. Тихомиров В.М., Суровин П.Г. Развитие усталостных трещин смешанного типа в образцах из стали // Прикладная механика и техническая физика. 2004. Т. 45. № 1. С. 135-142.

17. Шабанов А.П. О формировании усталостных трещин в образцах, помещенных в поле внешних сжимающих напряжений // Вестник Сибирского государственного университета путей сообщения. Новосибирск: Изд-во СГУПСа, 2005. Вып. 12. С. 42-46.