Распределение остаточных напряжений во впадинах резьбы после опережающего поверхностного пластического деформирования

DOI: 10.34759/trd-2023-131-07

Авторы

Сазанов В. П.^*, Кирпичёв В. А., Письмаров А. В.^**

Самарский национальный исследовательский университет им. академика С.П. Королева, Московское шоссе, 34, Самара, 443086, Россия

*e-mail: sazanow@mail.ru
**e-mail: andrei_pismarov@mail.ru

Аннотация

В работе представлены результаты расчётно-экспериментального исследования влияния опережающего поверхностного пластического деформирования на сопротивление усталости деталей с метрической резьбой М16×2, изготовленных из конструкционных сталей 30ХГСА и 40Х. Перед технологической операцией нарезания резьбы поверхность цилиндрических заготовок была упрочнена путём обкатки на роликовом приспособлении. Проведены расчёты распределений остаточных напряжений в наименьших сечениях впадин резьбы аналитическим методом и методом конечно-элементного моделирования. Установлено, что эти результаты дают достаточно высокую сходимость во впадинах резьбы, несколько удалённых от начала резьбовой части детали. Очевидно, данное обстоятельство связано с тем, что аналитическое решение распределения остаточных напряжений выполнено на достаточно удалённом расстоянии от краевой зоны. Конечно-элементное моделирование и необходимый объём расчётов выполнены с использованием программного комплекса PATRAN/NASTRAN. Конечно-элементные модели гладких цилиндрических и резьбовых деталей разработаны в осесимметричной постановке, а моделирование остаточного напряжённо-деформированного состояния проводилось методом термоупругости с использованием первоначальных деформаций. Влияние сжимающих остаточных напряжений на сопротивление усталости определялось через приращение предела выносливости по критерию среднеинтегральных напряжений. Расчётные приращения пределов выносливости сравнены с их опытными значениями, полученными при испытании на усталость упрочнённых и неупрочнённых резьбовых деталей при изгибе с вращением в случае симметричного цикла (30ХГСА) и при растяжении в случае асимметричного цикла (40Х). Учитывая близкие значения приращений пределов выносливости при изгибе и предельной амплитуды цикла при растяжении, подтверждён важный вывод о замене растяжения на изгиб при проведении испытаний на усталость.

Ключевые слова:

остаточное напряженное состояние, поверхностное пластическое деформирование, обкатка поверхности, предел выносливости, конечно-элементное моделирование, метод термоупругости, среднеинтегральные остаточные напряжения, испытания на усталость

Библиографический список

1. Биргер И.А. Остаточные напряжения. — М.: Машгиз, 1963. — 232 с.
2. Доброславский А.В., Иванов С.Д. Экспериментальный метод температурной динамической интерферометрии для определения остаточных напряжений // Проблемы машиностроения и автоматизации. 2014. № 1. С. 120-125.
3. Бабайцев А.В., Рабинский Л.Н., Ян Наинг Мин. Методика оценки остаточных напряжений в образцах из сплава AlSi10Mg, полученных по технологии SLM // Труды МАИ. 2021. № 119. URL: https://trudymai.ru/published.php?ID=159788. DOI: 34759/trd-2021-119-10
4. Иванов С.И. К определению остаточных напряжений в цилиндре методом колец и полосок. Остаточные напряжения. — Куйбышев: КуАИ, 1971. Вып. 53. С. 32-42.
5. Иванов С.И., Григорьева И.В. К определению остаточных напряжений в цилиндре методом снятия части поверхности. Вопросы прочности элементов авиационных конструкций. — Куйбышев: КуАИ, 1971. Вып.48. С. 179-183.
6. Иванов С.И., Павлов В.Ф., Минин Б.В., Кирпичёв В.А., Кочеров Е.П., Головкин В.В. Остаточные напряжения и сопротивление усталости высокопрочных резьбовых деталей. — Самара: Изд-во СНЦ РАН, 2015. — 170 с.
7. Иванов С.И., Филатов А.П. Остаточные напряжения и сопротивление усталости деталей с резьбой, нарезанной по предварительно упрочнённой поверхности // Вестник машиностроения. 1989. № C. 23-24.
8. Сазанов В.П. Исследование распределения компонентов остаточного напряжённого состояния в области наименьшего сечения поверхностно упрочнённой детали с кольцевым надрезом методом конечно-элементного моделирования // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета. № 3 (34). С. 158-161.
9. Сазанов В.П., Кирпичёв В.А., Вакулюк В.С., Павлов В.Ф. Определение первоначальных деформаций в упрочнённом слое цилиндрической детали методом конечно-элементного моделирования с использованием расчётного комплекса PATRAN/NASTRAN // Вестник Уфимского государственного авиационно-технического университета. 2015. Т. 19. № 2 (68). С. 35-40.
10. Barsoum Z., Barsoum I. Residual stress effects on fatigue life of welded structures using LEFM // Engineering Failure Analysis, 2008, no. 23 (2), pp. 449-467. DOI:1154/1.2951862
11. Melicher R., Meško J., Novák P., Žmindák M. Residual stress simulation of circumferential welded joints // Applied and Computational Mechanics, 2007, vol. 1, no. 2, pp. 541-548
12. Parks D.M. The virtual crack extension method for nonlinear material behavior // Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, 1977, vol. 12, issue 3, pp. 353–364. DOI: 1016/0045-7825(77) 90023-8
13. Radaj D. Welding residual stresses and distortion, Berlin, Springer Verlag, 2003.
14. Roger F., Traidia A. Modeling Residual Stresses in Arc Welding, Proceedings of the COMSOL, 2010, Boston (2015).
15. Иванычев Д.А. Решение задач термоупругости для анизотропных тел вращения // Труды МАИ. 2019. № 106. URL: https://trudymai.ru/published.php?ID=105643
16. Павлов В.Ф., Кирпичёв В.А., Вакулюк В.С. Прогнозирование сопротивления усталости поверхностно упрочнённых деталей по остаточным напряжениям. — Самара: Изд-во СНЦ РАН, 2012. — 125 с.
17. Березин А.В., Жиркевич В.Ю., Кулемин А.В., Нестеренко Б.Г., Клемяшов А.Г. Обоснование безопасности эксплуатации конструкций фюзеляжей с многоочаговыми трещинами // Проблемы машиностроения и автоматизации, 2018. № C. 69-86.
18. Павлов В.Ф. О связи остаточных напряжений и предела выносливости при изгибе в условиях концентрации напряжений // Известия вузов. Машиностроение. 1986. № С. 29-32.
19. Павлов В.Ф. Влияние на предел выносливости величины и распределения остаточных напряжений в поверхностном слое детали с концентратором. Сообщение I. Сплошные детали. // Известия вузов. Машиностроение. 1988. № 8. С. 22-25.
20. Завойчинская Э.Б. Развитие микро- и макротрещин в металлах и сплавах при пропорциональном циклическом нагружении // Проблемы машиностроения и автоматизации. 2016. № C. 98-108.
21. Кудрявцев П.И. Нераспространяющиеся усталостные трещины. — М.: Машиностроение, 1982. — 171 с.

Скачать статью