Разработан алгоритм, имитирующий процесс зарождения и развития усталостных трещин в сварном соединении на примере узла крепления мобильной платформы и опорной обечайки поворотного устройства грузоподъемного крана Gottwald НМК 170 EG (63 т), разрушение которого произошло в 2011 году на территории ОАО «Новороссийский морской торговый порт» (НМТП). Предложенный алгоритм учитывает неоднородную геометрию шва, влияющую на значение коэффициента концентрации напряжений, и неравномерное распределение номинальных напряжений, связанное с конструктивными особенностями узла. В основе процесса моделирования лежит экспериментально установленный факт, что профиль геометрии перехода от шва к основному металлу вдоль сварного соединения изменяется случайно. В результате этого появление трещин вдоль шва носит случайный характер. При циклическом нагружении развитие разрушения представляет собой последовательный процесс зарождения трещин на различных участках сварного соединения вдоль шва, подрастание одиночных поверхностных трещин по законам механики разрушения, появление новых трещин, слияние трещин на соседних участках. При слиянии берегов трещины изменяется профиль контура, что приводит к увеличению скорости роста глубины трещины. В дальнейшем процесс развития многоочагового разрушения продолжается до достижения трещиной критического размера. Скорость накопления повреждений и развития разрушения зависит от степени неоднородности концентрации напряжений вдоль шва. Реализация предложенной модели позволит решить задачи определения периодичности диагностирования узла, мест с наибольшей вероятностью возникновения усталостных трещин и обосновать возможные методики усиления конструкции.
The algorithm simulating the initiation and development of fatigue cracks in the joint weld on the example of the mount of the mobile platform and the supporting cowl of Gottwald NMK 170 EG (63 tons) crane rotator, the destruction of which occurred in 2011 in the territory of “Novorossiysk commercial sea port” OJSC (NCSP), is worked out. The proposed algorithm takes into account the non-uniform weld geometry affecting the value of the stress concentration factor and the uneven distribution of the rated stress related to the joint design features. The modeling process is based on the experimentally established fact that the geometry profile of the junction between the weld and the base metal along the welded joint changes randomly. As a result, the fatigue flaking along the weld lacks any regular pattern. Under the cyclic loading, the development of the destruction is a sequential process of the crack nucleation in different parts of welded joints along the weld, single surface cracks growth under the fracture mechanics laws, nucleation of new cracks, and crack coalescence in the adjoining sections. At the coalescence of the crack edges, the contour profile is changing which leads to increasing the growth rate of the crack depth. In the future, the development of the multicentric destruction continues until the critical crack. The damage accumulation and destruction development rate depends on the uniformity coefficient of the stress concentration along the weld. The implementation of the proposed model allows solving the problems of determining the frequency of node diagnosis and the points with the utmost probability of fatigue cracks initiation, as well as validating the possible methods of structural reinforcement.
Для прогнозирования процесса разрушения сварных конструкций при циклическом нагружении зачастую используют аналитические модели, которые позволяют оценивать долговечность и надежность относительно простых тел с трещинами. Однако они не всегда позволяют учитывать многообразие факторов, влияющих на процесс разрушения сварных соединений, и вынуждают прибегать к упрощению реальных явлений. Этот факт указывает на то, что использование аналитических моделей для расчета характеристик прочности сварных соединений может быть слишком неточным.Имитационное моделирование позволяет учитывать большое количество особенностей процесса развития разрушений сварных соединений, особенно в крупногабаритных конструкциях, которые могут иметь несколько зон концентрации напряжений.Процесс статистического моделирования зарождения и развития разрушений в сварных конструкциях подробно описан в работах сотрудников кафедры «Машины и автоматизация сварочного производства» ДГТУ [1–3]. Однако в этих работах моделирование рассматривалось с позиции неизменного распределения номинальных напряжений вдоль шва. Целью работы является обоснование возможности использования процесса имитационного моделирования с учетом неоднородного распределения номинальных напряжений в конструкции.