Пластическое течение и ползучесть в полом цилиндре с жестким внешним покрытием под действием внутреннего давления

Обложка


Цитировать

Полный текст

Аннотация

Изучается изотермическое деформирование толстостенной трубы с жестким покрытием боковой поверхности под воздействием изменяющегося внутреннего давления. Рассматриваются четыре стадии нагружения: (1) плавный рост нагрузки, (2) ее фиксация на максимальном значении в течение продолжительного времени, (3) плавное уменьшение нагрузки до нуля и (4) частичная релаксация напряжений. В качестве материала взята сталь 45, разогретая до температуры 725 °C.

Изучается влияние ползучести на процесс пластического течения и на изменение уровня напряжений и деформаций в течение процесса деформирования, а также на их остаточные значения. Для изучения влияния ползучести также рассматривается задача деформирования с нулевыми скоростями ползучести. Рассматриваются два варианта нагружения: при распространении пластичности на часть среды (давление 200 МПа) и при распространении пластического течения на всю среду (давление 320 МПа при отсутствии ползучести).

По результатам расчетов получено, что ползучесть оказывает значительное влияние на распределение напряжений и деформаций в материале. Особенно сильно это проявляется на более продолжительных стадиях выдержки и релаксации. Расчеты для двух случаев нагружения давлением в 200 МПа и 320 МПа в конце стадии выдержки приводят к близким значениям напряжений, а после релаксации также сравниваются значения деформаций и перемещения. При сравнении случаев упругопластического деформирования и деформирования с учетом ползучести видим, что ползучесть замедляет распространение пластичности, а также сокращает итоговую область влияния пластического течения. Однако в связи с большими накопленными необратимыми деформациями ползучесть приводит к увеличению влияния повторного пластического течения, которое появляется раньше и затрагивает большую часть деформируемой среды.

Об авторах

Сергей Викторович Фирсов

Институт машиноведения и металлургии ДВО РАН, ХФИЦ ДВО РАН,

Автор, ответственный за переписку.
Email: firsov.s.new@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0001-7446-6231
SPIN-код: 8267-2329
Scopus Author ID: 56976208300
ResearcherId: D-1966-2018
http://www.mathnet.ru/person141592

младший научный сотрудник

Россия, 681005, Комсомольск-на-Амуре, ул. Металлургов, 1

Список литературы

  1. Nadai A. Plasticity. New York, London: McGraw Hill Book Comp., 1931. 392 pp.
  2. Hill R., Lee E. H., Tupper S. J. The theory of combined plastic and elastic deformation with particular reference to a thick tube under internal pressure // Proc. R. Soc. Lond., Ser. A, 1947. vol. 191, no. 1026. pp. 278–303. https://doi.org/10.1098/rspa.1947.0116.
  3. Cook G. The stresses in thick-walled cylinders of mild steel overstrained by internal pressure // Proc. Inst. Mech. Eng., 1934. vol. 126, no. 1. pp. 407–455. https://doi.org/10.1243/PIME_PROC_1934_126_019_02.
  4. Allen D. N., Sopwith D. G. The stresses and strains in a partly plastic thick tube under internal pressure and end-load // Proc. R. Soc. Lond., Ser. A, 1951. vol. 205, no. 1080. pp. 69–83. https://doi.org/10.1098/rspa.1951.0018.
  5. Steele M. C. Partially plastic thick-walled cylinder theory // J. Appl. Mech., 1952. vol. 19, no. 2. pp. 133–140. https://doi.org/10.1115/1.4010436.
  6. Соколовский В. В. Теория пластичности. М.: Высш. школа, 1969. 608 с.
  7. Chu S. C., Vasilakis J. D. Inelastic behavior of thick-walled cylinders subjected to non-proportionate loading // Exp. Mech., 1973. vol. 13, no. 3. pp. 113–119. https://doi.org/10.1007/BF02323968.
  8. Gao X.-L. An exact elasto-plastic solution for an open-ended thick-walled cylinder of a strain-hardening material // Int. J. Pres. Ves. Pip., 1992. vol. 52, no. 1. pp. 129–144. https://doi.org/10.1016/0308-0161(92)90064-M.
  9. Chu S.-C. A more rational approach to the problem of an elastoplastic thick-walled cylinder // J. Franklin Inst., 1972. vol. 294, no. 1. pp. 57–65. https://doi.org/10.1016/0016-0032(72)90113-5.
  10. Gao X.-L. An exact elasto-plastic solution for a closed-end thick-walled cylinder of elastic linear-hardening material with large strains // Int. J. Pres. Ves. Pip., 1993. vol. 56, no. 3. pp. 331–350. https://doi.org/10.1016/0308-0161(93)90004-D.
  11. Durban D. Large strain solution for pressurized elasto/plastic tubes // J. Appl. Mech., 1979. vol. 46, no. 1. pp. 228–330. https://doi.org/10.1115/1.3424511.
  12. Bonn R., Haupt P. Exact solutions for large elastoplastic deformations of a thick-walled tube under internal pressure // Int. J. Plast., 1995. vol. 11, no. 1. pp. 99–118. https://doi.org/10.1016/0749-6419(94)00040-9.
  13. MacGregor C. W., Coffin L. F., Fisher J. C. The plastic flow of thick-walled tubes with large strains // J. Appl. Phys., 1948. vol. 19, no. 3. pp. 291–297. https://doi.org/10.1063/1.1715060.
  14. Durban D. Finite straining of pressurized compressible elasto-plastic tubes // Int. J. Eng. Sci., 1988. vol. 26, no. 9. pp. 939–950. https://doi.org/10.1016/0020-7225(88)90023-7.
  15. Durban D., Kubi M. A general solution for the pressurized elastoplastic tube // J. Appl. Mech., 1992. vol. 59, no. 1. pp. 20–26. https://doi.org/10.1115/1.2899431.
  16. Gao X.-L. Elasto-plastic analysis of an internally pressurized thick-walled cylinder using a strain gradient plasticity theory // Int. J. Solids Struct., 2003. vol. 40, no. 23. pp. 6445–6455. https://doi.org/10.1016/S0020-7683(03)00424-4.
  17. Darijani H., Kargarnovin M. H., Naghdabadi R. Design of thick-walled cylindrical vessels under internal pressure based on elasto-plastic approach // Mat. Des., 2009. vol. 30, no. 9. pp. 3537–3544. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2009.03.010.
  18. Nejad M. Z., Alamzadeh N., Hadi A. Thermoelastoplastic analysis of FGM rotating thick cylindrical pressure vessels in linear elastic-fully plastic condition // Compos. B. Eng., 2018. vol. 154. pp. 410–422. https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2018.09.022.
  19. Coffin L. F., Jr., Shepler P. R., Cherniak G. S. Primary creep in the design of internal-pressure vessels // J. Appl. Mech., 1949. vol. 16, no. 3. pp. 229–241. https://doi.org/10.1115/1.4009970.
  20. Weir C. D. The creep of thick tubes under internal pressure // J. Appl. Mech., 1957. vol. 24, no. 3. pp. 464–466. https://doi.org/10.1115/1.4011565.
  21. Sankaranarayanan R. Steady creep of circular cylindrical shells under combined lateral and axial pressures // Int. J. Solids Struct., 1969. vol. 5, no. 1. pp. 17–32. https://doi.org/10.1016/0020-7683(69)90066-3.
  22. Murakami S., Iwatsuki S. Transient creep of circular cylindrical shells // Int. J. Solids Struct., 1969. vol. 11, no. 11. pp. 897–912. https://doi.org/10.1016/0020-7403(69)90016-2.
  23. Murakami S., Iwatsuki S. Steady-state creep of circular cylindrical shells // Bull. JSME, 1971. vol. 14, no. 73. pp. 615–623. https://doi.org/10.1299/jsme1958.14.615.
  24. Murakami S., Suzuki K. On the creep analysis of pressurized circular cylindrical shells // Int. J. Non-Linear Mech., 1971. vol. 6, no. 3. pp. 377–392. https://doi.org/10.1016/0020-7462(71)90016-3.
  25. Murakami S., Tanaka E. On the creep buckling of circular cylindrical shells // Int. J. Mech. Sci., 1976. vol. 18, no. 4. pp. 185–194. https://doi.org/10.1016/0020-7403(76)90024-2.
  26. Pai D. H. Steady-state creep analysis of thick-walled orthotropic cylinders // Int. J. Mech. Sci., 1967. vol. 9, no. 6. pp. 335–348. https://doi.org/10.1016/0020-7403(67)90039-2.
  27. Bhatnagar N. S., Gupta S. K. Analysis of thick-walled orthotropic cylinder in the theory of creep // J. Phys. Soc. Japan, 1969. vol. 27, no. 6. pp. 1655–1661. https://doi.org/10.1143/JPSJ.27.1655.
  28. Bhatnagar N. S., Arya V. K. Large strain creep analysis of thick-walled cylinders // Int. J. Non-Linear Mech., 1974. vol. 9, no. 2. pp. 127–140. https://doi.org/10.1016/0020-7462(74)90004-3.
  29. Sharma S., Sahni M., Kumar R. Thermo creep transition of transversely isotropic thick-walled rotating cylinder under internal pressure // Int. J. Contemp. Math. Sci., 2010. vol. 5, no. 11. pp. 517–527.
  30. Singh T., Gupta V. K. Effect of anisotropy on steady state creep in functionally graded cylinder // Compos. Struct., 2011. vol. 93, no. 2. pp. 747–758. https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2010.08.005.
  31. Altenbach H., Gorash Y., Naumenko K. Steady-state creep of a pressurized thick cylinder in both the linear and the power law ranges // Acta Mech., 2008. vol. 195, no. 1. pp. 263–274. https://doi.org/10.1007/s00707-007-0546-5.
  32. Chen J. J., Tu S. T., Xuan F. Z., Wang Z. D. Creep analysis for a functionally graded cylinder subjected to internal and external pressure // J. Strain Anal. Eng. Des., 2007. vol. 42, no. 2. pp. 69–77. https://doi.org/10.1243/03093247JSA237.
  33. You L. H., Ou H., Zheng Z. Y. Creep deformations and stresses in thick-walled cylindrical vessels of functionally graded materials subjected to internal pressure // Compos. Struct., 2007. vol. 78, no. 2. pp. 285–291. https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2005.10.002.
  34. Jamian S., Sato H., Tsukamoto H., Watanabe Y. Creep Analysis of functionally graded material thick-walled cylinder // Appl. Mech. Mater., 2013. vol. 315. pp. 867–871. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMM.315.867.
  35. Loghman A., Ghorbanpour Arani A., Amir S., Vajedi A. Magnetothermoelastic creep analysis of functionally graded cylinders // Int. J. Pres. Ves. Pip., 2010. vol. 87, no. 7. pp. 389–395. https://doi.org/10.1016/j.ijpvp.2010.05.001.
  36. Singh T., Gupta V. K. Analysis of steady state creep in Whisker reinforced functionally graded thick cylinder subjected to internal pressure by considering residual stress // Mech. Adv. Mater. Struct., 2014. vol. 21, no. 5. pp. 384–392. https://doi.org/10.1080/15376494.2012.697600.
  37. Gupta S. K., Pathak S. Thermo creep transition in a thick-walled circular cylinder under internal pressure // Indian J. Pure Appl. Math., 2001. vol. 32, no. 2. pp. 237–253.
  38. Sharma S., Sahay I., Kumar R. Creep transition in non homogeneous thick-walled circular cylinder under internal and external pressure // Appl. Math. Sci., 2012. vol. 6, no. 122. pp. 6075–6080.
  39. Ковтанюк Л. В., Панченко Г. Л. Об изменяющихся механизмах производства больших необратимых деформаций в условиях прямолинейного движения в цилиндрическом слое // Изв. РАН. МТТ, 2020. № 2. С. 10–21. https://doi.org/10.31857/S0572329920020099.
  40. Галимзянова К. Н., Ковтанюк Л. В., Панченко Г. Л. Ползучесть и пластическое течение материала сферического вязкоупругопластического слоя при его нагрузке и разгрузке // Вестн. Сам. гос. техн. ун-та. Сер. Физ.-мат. науки, 2019. Т. 23, № 2. С. 270–283. https://doi.org/10.14498/vsgtu1687.
  41. Бегун А. С., Ковтанюк Л. В., Лемза А. О. Ползучесть и релаксация напряжений при нагружении и разгрузке цилиндрического слоя с учетом развития и торможения вязкопластического течения // ПМТФ, 2019. Т. 60, № 4 (356). С. 183–193. https://doi.org/10.15372/PMTF20190420.
  42. Буренин А. А., Ковтанюк Л. В., Панченко Г. Л. Ползучесть и пластическое течение материала толстостенной цилиндрической трубы вследствие действия равномерного внутреннего давления // Вестн. ЧГПУ им. И. Я. Яковлева. Сер. Механика предельного состояния, 2020. № 3 (45). С. 72–79. https://doi.org/10.37972/chgpu.2020.91.51.007.
  43. Фирсов С. В. Необратимые деформации вращающегося цилиндра // Изв. Алт. гос. ун-та., 2018. Т. 102, № 4. С. 114–117. https://doi.org/10.14258/izvasu(2018)4-21.
  44. Фирсов С. В., Прокудин А. Н. Ползучесть и пластическое течение во вращающемся полом цилиндре // Вестн. ЧГПУ им. И. Я. Яковлева. Сер. Механика предельного состояния, 2019. № 4 (42). С. 45–55. https://doi.org/10.26293/chgpu.2019.42.4.005.
  45. Фирсов С. В., Прокудин А. Н., Буренин А. А. Ползучесть и пластическое течение во вращающемся цилиндре с жестким включением // Сиб. журн. индустр. матем., 2019. Т. 22, № 4. С. 121–133. https://doi.org/10.33048/sibjim.2019.22.412.
  46. Банщикова И. А., Горев Б. В., Сухоруков И. В. Двумерные задачи формообразования стержней в условиях ползучести // ПМТФ, 2002. Т. 43, № 3. С. 129–139.
  47. Кузнецов Е. Б., Леонов С. С. Методика выбора функций определяющих уравнений ползучести и длительной прочности с одним скалярным параметром поврежденности // ПМТФ, 2016. Т. 57, № 2. С. 202–211. https://doi.org/10.15372/PMTF20160221.
  48. Буренин А. А., Ткачева А. В. О сборке двухслойной металлической трубы способом горячей посадки // Изв. РАН. МТТ, 2019. № 3. С. 86–99. https://doi.org/10.1134/S0572329919030073.
  49. Работнов Ю. Н. Ползучесть элементов конструкций. М.: Наука, 2014. 752 с.
  50. Norton F. H. The Creep of Steel at High Temperatures / Classic Reprint Series. London: Forgotten Books, 2017. 102 pp.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать

© Авторский коллектив; Самарский государственный технический университет (составление, дизайн, макет), 2021

Creative Commons License
Эта статья доступна по лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Данный сайт использует cookie-файлы

Продолжая использовать наш сайт, вы даете согласие на обработку файлов cookie, которые обеспечивают правильную работу сайта.

О куки-файлах