Численное исследование влияния многоосности нагружения и параметров процесса деформирования на усталостную долговечность металлов

Abstract

Проанализированы известные экспериментальные данные о влиянии многоосности нагружения и вида траектории деформирования на процесс накопления повреждений при усталости. С позиции механики поврежденной среды развит вариант определяющих соотношений, описывающих процессы упругопластического деформирования и накопления повреждений в конструкционных материалах (металлы и их сплавы) при многоосных непропорциональных путях малоциклового нагружения. Модель поврежденной среды состоит из трех взаимосвязанных составных частей: соотношений, определяющих упругопластическое поведение материала с учетом влияния процесса разрушения; уравнений, описывающих кинетику накопления повреждений; критерия прочности поврежденного материала. С целью качественной оценки определяющих соотношений проведен численный эксперимент по построению поверхностей равной поврежденности. Расчетные данные сравниваются с экспериментальными. Исследовано влияние многоосности напряженного состояния и вида траектории деформирования на долговечность металлов при малоцикловой усталости. Показано, что развитый вариант определяющих соотношений поврежденной среды правильно отражает основные эффекты циклического упругопластического деформирования и накопления повреждений при многоосном напряженном состоянии и произвольных траекториях деформирования материала.

Проаналізовано відомі експериментальні дані про вплив складного навантаження і виду траєкторії деформування на процес накопичення пошкоджень при втомі. Виходячи з позиції механіки пошкоджень середовища, розвинуто варіант визначальних співвідношень, що описують процеси пружнопластич- ного деформування і накопичення пошкоджень в конструкційних матеріалах (метали та їх сплави) при складних непропорційних шляхах малоциклового навантаження. Модель пошкоджень складається з трьох взаємозв’ язаних складених частин: співвідношень, що визначають пружнопластич- ну поведінку матеріалу з урахуванням впливу процесу руйнування; рівнянь, що описують кінетику накопичення пошкоджень; критерію міцності пошкодженого матеріалу. Для якісної оцінки визначальних співвідношень проведено числовий експеримент щодо побудови поверхностей рівної пошкодженості. Досліджено вплив складного напруженого стану та виду траєкторії деформування на довговічність металів за малоциклової втоми. Показано, що розвинутий варіант визначальних співвідношень пошкодженого середовища описує основні ефекти циклічного пружнопластичного деформування і накопичення пошкоджень при складному напруженому стані та вільних траєкторіях деформування матеріалу.

We analyze well-known experimental data on the effect of the load multiaxiality and the type of deformation trajectory on the process of damage accumulation in fatigue. In the framework of the continuum mechanics for damaged media, we refine the criterion for the governing equations that describe processes of elastoplastic deformation and damage accumulation in structural materials (metals and alloys) under multiaxial nonproportional paths of low-cycle fatigue. The damaged-media model consists of three interrelated constituents: governing relations for the material elastoplastic behavior with the account of the fracture process effects, equations describing the damage-accumulation kinetics, and the strength criterion of the damaged material. In order to provide a quantitative assessment of the governing equations, a numerical simulation of constructing the equi-damaged surfaces was performed, and the results calculated were compared with the experimental data. We investigated the influence of multiaxial stressed state and the type of deformation trajectory on the high-cycle fatigue life of metals. It is shown that the refined version of the governing relations for the damaged media provides adequate description of the main effects of cyclic elastoplastic deformation and damage accumulation under multiaxial stressed state conditions and arbitrary deformation trajectories of the material.