Известия Саратовского университета. Новая серия.

Серия Математика. Механика. Информатика

ISSN 1816-9791 (Print)
ISSN 2541-9005 (Online)


Для цитирования:

Радченко В. П., Шишкин Д. М. Метод реконструкции остаточных напряжений в призматическом образце с надрезом полукруглого профиля после опережающего поверхностного пластического деформирования // Изв. Сарат. ун-та. Нов. сер. Сер. Математика. Механика. Информатика. 2020. Т. 20, вып. 4. С. 478-492. DOI: 10.18500/1816-9791-2020-20-4-478-492

Статья опубликована на условиях лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International (CC-BY 4.0).
Опубликована онлайн: 
30.11.2020
Полный текст:
(downloads: 64)
Язык публикации: 
русский
Рубрика: 
Тип статьи: 
Научная статья
УДК: 
539.43:621.787
DOI: 
10.18500/1816-9791-2020-20-4-478-492

Метод реконструкции остаточных напряжений в призматическом образце с надрезом полукруглого профиля после опережающего поверхностного пластического деформирования

Авторы: 
Радченко Владимир Павлович, Самарский государственный университет
Шишкин Дмитрий Михайлович, Самарский государственный технический университет
Аннотация: 

Исследуется напряженно-деформированное состояние в поверхностно упрочненном брусе (балке) с концентратором напряжений типа полукруглого надреза. Предложен численный метод расчета остаточных напряжений в области надреза после опережающего поверхностно пластического деформирования. Задача сведена к краевой задаче фиктивной термоупругости, где начальные (пластические) деформации модели моделируются температурными деформациями в неоднородном температурном поле. Решение построено с использованием метода конечных элементов. Для модельных расчетов в качестве исходной информации использовались экспериментальные данные о распределении остаточных напряжений в гладкой балке из сплава ЭП742 после ультразвукового механического упрочнения. Детально исследовано влияние радиуса надреза и толщины балки на характер и величину распределения компонент тензора остаточных напряжений в области концентратора напряжений. Для нормальной продольной компоненты тензора остаточных напряжений, играющей важную роль в теории многоцикловой усталости, установлено, что если радиус полукруглого надреза меньше толщины упрочненного слоя (области сжатия материала), происходит увеличение (по модулю) этой компоненты остаточных напряжений в наименьшем сечении детали (в объеме, непосредственно примыкающем к дну концентратора), а если глубина надреза больше толщины упрочненного слоя, то наблюдается уменьшение (по модулю) этой величины по сравнению с гладким упрочненным образцом. Показано, что в упрочненной балке с надрезом величина прогиба вследствие наведенных самоуравновешенных остаточных напряжений меньше, чем в гладкой балке. Выполнена экспериментальная проверка разработанного численного метода для поверхностно упрочненной гладкой балки из сплава ЭП742.

Список источников: 
  1. Биргер И. А. Остаточные напряжения. М. : Машгиз, 1963. 232 с.
  2. Гринченко И. Г. Упрочнение деталей из жаропрочных и титановых сплавов. М. : Машиностроение, 1971. 120 с.
  3. Сулима А. М., Шувалов В. А., Ягодкин Ю. Д. Поверхностный слой и эксплуатационные свойства деталей машин. М. : Машиностроение, 1988. 240 с.
  4. Кудрявцев И. В. Поверхностный наклеп для повышения прочности и долговечности деталей машин поверхностным пластическим деформированием. М. : Машиностроение, 1969. 100 с.
  5. Ножницкий Ю. А., Фишгойт А. В., Ткаченко Р. И., Теплова С. В. Разработка и применение новых методов упрочнение деталей ГТД, основанных на пластическом деформировании поверхностных слоев. (Обзор) // Вестн. двигателестроения. 2006. № 2. С. 8–16.
  6. Brockman R. A., Braisted W. R., Olson S. E., Tenaglia R. D., Clauer A. H., Langer K., Shepard M. J. Prediction and characterization of residual stresses from laser shock peening // Intern. J. Fatigue. 2012. Vol. 36, № 1. P. 96–108. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijfatigue.2011.08.011
  7. Dai K., Shaw L. Analysis of fatigue resistance improvements via surface severe plastic deformation // Intern. J. Fatigue. 2008. Vol. 30, № 8. P. 1398–1408. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijfatigue.2007.10.010
  8. James M. N., Hughes D. J., Chen Z., Lombard H., Hattingh D. G., Asquith D., Yates J. R., Webster P. J. Residual stresses and fatigue performance // Engineering Failure Analysis. 2007. Vol. 14, iss. 2. P. 384–395. DOI: https://doi.org/10.1016/j.engfailanal.2006.02.011
  9. Majzoobi G. H., Azadikhah K., Nemati J. The effect of deep rolling and shot peening on fretting fatigue resistance of Aluminum-7075-T6 // Materials Science and Engineering A. 2009. Vol. 516, № 1–2. P. 235–247. DOI: https://doi.org/10.1016/j.msea.2009.03.020
  10. Soady K. A. Life assessment methodologies incorporating shot peening process effects: mechanistic consideration of residual stresses and strain hardening. Part 1 — effect of shot peening on fatigue resistance // Mater. Sci. Technol. 2013. Vol. 29, iss. 6. P. 673–651. DOI: https://doi.org/10.1179/1743284713Y.0000000222
  11. Terres M. A., Laalai N., Sidhom H. Effect of hitriding and shot peening on the fatigue behavior of 42CrMo4 steel: Experimantal analysis and predictive approach // Mater. Design. 2012. Vol. 35. P. 741–748. DOI: https://doi.org/10.1016/j.matdes.2011.09.055
  12. Павлов В. Ф., Кирпичев В. А., Вакулюк В. С. Прогнозирование сопротивления усталости поверхностно упрочненных деталей по остаточным напряжениям. Самара : СНЦ РАН, 2012. 125 с.
  13. Букатый А. С. Конечно-элементное моделирование и исследование остаточных напряжений и деформаций после дробеструйного упрочнения // Вестн. машиностроения. 2016. № 6. С. 52–57.
  14. Jebahi M., Gakwaya A., L´evesque J., Mechri O., Ba K. Robust methodology to simulate real shot peening process using discrete-cotinuum coupling method // Int. J. Mech. Sci. 2016. Vol. 107. P. 21–33. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijmecsci.2016.01.005
  15. Gallitelli D., Boyer V., Gelineau M., Colaitis Y., Rouhaud E., Retraint D., Kubler R., Desvignes M., Barrallier L. Simulation of shot peening: From process parameters to residual stress fields in a structure // C. R. M´ecanique. 2016. Vol. 344, № 4–5. P. 355–374. DOI: https://doi.org/10.1016/j.crme.2016.02.006
  16. Келлер И. Э., Трофимов В. Н., Владыкин А. В., Плюснин В. В., Петухов Д. С., Виндокуров И. В. К вопросу о реконструкции остаточных напряжений и деформаций пластины после дробеструйной обработки // Вестн. Сам. гос. техн. ун-та. Сер. Физ.-мат. науки. 2018. Т. 22, № 1. С. 40–64. DOI: https://doi.org/10.14498/vsgtu1602
  17. Радченко В. П., Афанасьева О. С., Глебов В. Е. Исследование влияния остаточных напряжений на геометрические параметры поверхностно упрочненного бруса // Изв. Сарат. ун-та. Нов. Сер. Математика. Механика. Информатика. 2019. Т. 19, вып. 4. С. 464–478. DOI: https://doi.org/10.18500/1816-9791-2019-19-4-464-478
  18. Павлов В. Ф., Букатый А. С., Семенова О. Ю. Прогнозирование предела выносливости поверхностно упрочненных деталей с концентраторами напряжений // Вестн. машиностроения. 2019. № 1. С. 3–7.
  19. Иванов С. И., Шатунов М. П., Павлов В. Ф. Влияние остаточных напряжений на выносливость образцов с надрезом // Вопросы прочности элементов авиационных конструкций : межвуз. сб. Куйбышев : КуАИ. 1974. Вып. 1. С. 88–95.
  20. Павлов В. Ф., Столяров А. К., Вакулюк В. С., Кирпичев В. А. Расчет остаточных напряжений в деталях с концентраторами напряжений по первоначальным деформациям. Самара : СНЦ РАН, 2008. 124 c.
  21. Вакулюк В. С. Исследование влияния толщины упрочненного слоя на остаточные напряжения во впадине концентратора методом первоначальных деформаций // Вестн. Сам. гос. техн. ун-та. Сер. Физ.-мат. науки. 2010. Вып. 1 (20). С. 222–225. DOI: https://doi.org/10.14498/vsgtu782
  22. Сазанов В. П., Кирпичев В. А., Вакулюк В. С., Павлов В. Ф. Определение первоначальных деформаций в упрочненном слое цилиндрической детали методом конечно-элементного моделирования с использованием расчётного комплекса PATRAN/NASTRAN // Вестн. УГАТУ. 2015. Т. 19, № 2 (68). С. 35–40.
  23. Саушкин М. Н., Куров А. Ю. Анализ напряженного состояния в надрезах полукруглого профиля после опережающего поверхностного пластического деформирования сплошных цилиндрических образцов // Вестн. Сам. гос. техн. ун-та. Сер. Физ.-мат. науки. 2012. Вып. 1 (26). С. 133–140. DOI: https://doi.org/10.14498/vsgtu1039
  24. Радченко В. П., Куров А. Ю. Влияние анизотропии поверхностного пластического упрочнения на формирование остаточных напряжений в цилиндрических деталях с надрезами полукруглого профиля // Вестн. Сам. гос. техн. ун-та. Сер. Физ.-мат. науки. 2016. Т. 20, № 4. С. 675–690. DOI: https://doi.org/10.14498/vsgtu1513
  25. Радченко В. П., Саушкин М. Н., Бочкова Т. И. Математическое моделирование и экспериментальное исследование формирования и релаксации остаточных напряжений в плоских образцах из сплава ЭП742 после ультразвукового упрочнения в условиях высокотемпературной ползучести // Вестн. Перм. нац. иссл. политехн. ун-та. Механика. 2016. № 1. С. 93–112. DOI: https://doi.org/10.15593/perm.mech/2016.1.07
  26. Радченко В. П., Афанасьева О. С., Глебов В. Е. Влияние технологии поверхностного пластического упрочнения, остаточных напряжений и граничных условий на выпучивание балки // Вестн. Перм. нац. иссл. политехн. ун-та. Механика. 2020. № 1. С. 87–98. DOI: https://doi.org/10.15593/perm.mech/2020.1.07
  27. Радченко В. П., Павлов В. Ф., Саушкин М. Н. Исследование влияния анизотропии поверхностного пластического упрочнения на распределение остаточных напряжений в полых и сплошных цилиндрических образцах // Вестн. ПНИПУ. Механика. 2015. № 1. С. 130–147. DOI: https://doi.org/10.15593/perm.mech/2015.1.09
Поступила в редакцию: 
25.06.2020
Принята к публикации: 
24.07.2020
Опубликована: 
30.11.2020