способ растяжения материала цилиндрической трубы

Формула изобретения

Способ растяжения материала цилиндрической трубы, заключающийся в нагружении с вращением главных осей напряженного состояния, представляющем собой вихревое растяжение материала трубы, осуществляемое посредством одновременного приложения осевой силы, внутреннего давления и крутящего момента, где к торцу образца прикладывают дополнительное усилие, уравновешивающее осевую составляющую внутреннего давления, причем основную осевую силу и внутреннее давление прикладывают по отнулевому циклу в противофазах, а крутящий момент - по симметричному циклу с отставанием по фазе на четверть периода относительно фазы одного из экстремальных значений осевой силы, отличающийся тем, что вихревому растяжению придают спиралевидно нарастающий или/и убывающий характер, при этом нагружение производят посредством квазивихревого растяжения, заключающегося в том, что вращение главных осей напряженного состояния в материале осуществляется дискретно за счет воздействия на трубу по четырем фазам, составляющим один цикл нагружения, а именно: первая фаза - осевое растяжение трубы, вторая фаза - двухосное растяжение трубы с кручением в условиях пропорционального нагружения, третья фаза - тангенциальное растяжение трубы, четвертая фаза - двухосное растяжение трубы с кручением в противоположном направлении в условиях пропорционального нагружения, при этом нагружение на каждой фазе каждого цикла сопровождается последующей полной разгрузкой, а наращивание или/и снижение растягивающего напряжения обеспечивается за счет его ступенчатого изменения в каждой последующей фазе, при этом ступень изменения напряжений рассчитывается пофазно в равных долях.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области испытания конструкционных материалов, в частности к способам возбуждения в цилиндрической трубе необходимого разрушающего или тренирующего воздействия.

Известен способ воздействия на трубчатый образец (Логинов Ю.Я., Шерстнев В.А. Об одной особенности сопротивления меди циклическому нагружению. М.: ВИНИТИ, 1986), когда образец вытягивали в осевом направлении, затем направление растяжения изменяли на ортогональное (переходили к тангенциальному растяжению), в результате чего регистрировали проявление эффекта тренировки, т.е. существенного повышения циклической долговечности материала образца. Подобный результат получали и при изменении порядка воздействий: сначала тангенциальное, а затем осевое растяжение. К достоинствам этого способа следует отнести его простоту, а также возможность выявления самого факта влияния поворота осей напряженного состояния на сопротивление разрушению при дальнейшем циклическом нагружении. Однако вопрос изучения влияния более плавного поворота осей на свойства материала при этом остается закрытым, что является основным недостатком указанного способа.

Возбуждение одноосного растяжения материала с одновременным поворотом линии действия растягивающего напряжения технически реализуемо на цилиндрических трубчатых образцах путем их одновременного нагружения осевой силой (F), внутренним давлением (Р) и скручивающим моментом (М) в определенном сочетании (Экспериментальные методы исследования деформации и напряжений (справочное пособие). - Киев: Наукова думка, 1981, с.131-133). Недостатком этого способа является неопределенность изменения силовых факторов во времени для получения режима вихревого нагружения материала, когда вектор напряжения совершает вращение относительно нормали и свободной поверхности образца.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является способ (Авторское свидетельство на изобретение №1619117, опубл. Б. №1 - 1991), заключающийся в одновременном приложении к цилиндрическому трубчатому образцу осевой силы, внутреннего давления и скручивающего момента в различных комбинациях, обеспечивающих одноосное растяжение материала в различных направлениях, который предусматривает подачу давления в полость образца без создания осевого растяжения (соответствующая дополнительная осевая сила при этом компенсируется конструктивно), осевая сила и внутреннее давление возбуждаются по отнулевому синусоидальному циклу в противофазах, а скручивающий момент возбуждается по симметричному синусоидальному циклу с отставанием по фазе на четверть периода относительно одной из фаз экстремальных значений осевой силы и внутреннего давления; соответствующие иллюстрации приведены на фиг.1.

Данный способ не позволяет вести нагружение при спиралевидно изменяемом значении растягивающего напряжения, а следовательно, и вести испытания на упругопластической стадии деформирования материала трубы. Способ является технически сложным и требует создания специальных нагружающих устройств для его реализации.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является проведение испытаний на упругопластической стадии деформирования материала трубы с использованием стандартных технических средств. Технический результат выражается в расширении функциональных возможностей, а именно позволяет вести растяжение материала трубы при спиралевидно изменяемом значении напряжения, что в свою очередь поможет выявлению скрытых резервов прочности материала.

Поставленная задача решается способом растяжения материала цилиндрических труб, заключающемся в нагружении с вращением главных осей напряженного состояния, представляющем собой вихревое растяжение материала трубы, осуществляемое посредством одновременного приложения осевой силы, внутреннего давления и крутящего момента, где к торцу образца прикладывают дополнительное усилие, уравновешивающее осевую составляющую внутреннего давления, причем основную осевую силу и внутреннее давление прикладывают по отнулевому циклу в противофазах, а крутящий момент - по симметричному циклу с отставанием по фазе на четверть периода относительно фазы одного из экстремальных значений осевой силы, при этом вихревому растяжению придают спиралевидно нарастающий (или(и) убывающий) характер, а нагружение производят посредством, квазивихревого растяжения, заключающегося в том, что вращение главных осей напряженного состояния в материале осуществляется дискретно за счет воздействия на трубу по четырем фазам, составляющим один цикл нагружения, а именно первая фаза - осевое растяжение трубы, вторая фаза - двухосное растяжение трубы с кручением в условиях пропорционального нагружения, третья фаза - тангенциальное растяжение трубы, четвертая фаза - двухосное растяжение трубы с кручением в противоположном направлении в условиях пропорционального нагружения, при этом нагружение на каждой фазе каждого цикла сопровождается последующей полной разгрузкой, а наращивание (или(и) снижение) растягивающего напряжения обеспечивается за счет его ступенчатого изменения в каждой последующей фазе, при этом ступень изменения напряжений рассчитывается пофазно в равных долях, определяемых отношением разности между конечным рабочим напряжением на последнем цикле и рабочим напряжением на начальной фазе первого цикла к числу ступеней.

На фиг.1 приведена схема вихревого растяжения материала трубы:

а) общая схема нагружения и действие растягивающего напряжения ₀ в произвольный момент времени;

б) вид напряженного состояния в произвольном элементе;

в) изменение напряжений по граням произвольного элемента.

На фиг.2 - последовательность изменения напряжений в материале трубы при нарастающем квазивихревом растяжении.

На фиг.3 - типовые варианты изменения напряжения в материале трубы: а) нарастающий вихрь; б) убывающий вихрь; в) смешанный вихрь.

На фиг.4 - установка для реализации квазивихревого растяжения.

Последовательность воздействий на трубу, которое приводит к спиралевидному квазивихревому растяжению материала, состоит в следующем. При осевом растяжении (фаза I, точка 1-1, фиг.2) задают уровень напряжений ₀ - начальное рабочее напряжение, затем после выдержки в течение t _н (см. фиг.3) осуществляют полную разгрузку; при первом диагональном растяжении (фаза II, точка 2-1 на фиг.2) напряжение увеличивают на , проводят нагружение, делая выдержку под нагрузкой в течение t _н, и осуществляют полную разгрузку; при тангенциальном растяжении (фаза III, точка 3-1) напряжение увеличивают на 2 по отношению к начальному рабочему напряжению ₀, после выдержки t _H под нагрузкой дают полную разгрузку и так далее вплоть до конечного рабочего напряжения _k. Типовые варианты изменения уровня напряжений в трубе приведены на фиг.3, где _i - уровень напряжений на промежуточном этапе t _i, а на следующем этапе напряжение _i+1 увеличивают на , пауза t _n означает время переналадки нагружающих устройств.

Для реализации предлагаемого способа растяжения материала цилиндрической трубы необходимо обеспечить трехкомпонентное нагружение, где значения силовых факторов N (осевая сила), Р (внутреннее давление) и М (крутящий момент) задают на основании следующих формул:

где N_доп - дополнительное осевое усилие, необходимое для уравновешивания осевого растяжения образца от внутреннего давления P; N_нагр - усилие, прикладываемое к трубе со стороны нагружающего устройства; d₀ - внутренний диаметр трубы; h - толщина стенки трубы. При этом d₀ и h в процессе нагружения изменяются и требуют внесения соответствующих поправок по результатам параллельно проводимого мониторинга.

Соответствующие нагрузки по четырем характерным фазам приведены в табл.1.

Данный способ может быть реализован с помощью установки (фиг.4), содержащей стандартные технические устройства, - испытательную машину для растяжения (сжатия) 2, источник давления 3 и торсатор 4. Задавая нормальную силу N_нагр, внутреннее давление Р и крутящий момент М в соответствии с таблицей 1, обеспечивают последовательную реализацию воздействия на образец по фазам I, II, III, IV, приводящему к квазивихревому растяжению материала.