Основные причины и виды усталостных повреждений

Любая конструкция, в том числе и корпусная, считается прочной до тех пор, пока в ней не появляются признаки «недостаточности». В докладе Десятого комитета Третьего Международного конгресса по конструкции судов (1964 г.) было признано целесообразным различать два вида «недостаточности»:

• — повреждение, при котором первоначальная форма конструкции изменилась в ущерб ее дальнейшей работе, даже если при этом не наступила потеря ее способности выполнять свои функции. Примерами повреждений являются большие остаточные деформации из-за местной текучести материала, усталостные или хрупкие трещины. Поврежденная конструкция еще в состоянии воспринимать расчетные нагрузки, но уверенности в ее надежности уже нет;
• — разрушение, при котором конструкция настолько сильно повреждена, что теряет способность выполнять свою функцию. Потеря работоспособности подготавливается постепенно (удлинение усталостной трещины) или может быть внезапной (распространение хрупкой трещины) .

Повреждению или, тем более, разрушению конструкции предшествует ее переход в некоторое опасное состояние. Анализ опыта эксплуатации судов, их технического обслуживания и надзора за ними, а также результаты экспериментально-теоретического изучения работоспособности корпусных конструкций привели к выводу, что возможны следующие виды их повреждений и соответствующих им опасных состояний: усталостные, хрупкие, пластические. Остановимся подробнее на усталостных повреждениях.

Многочисленными экспериментами установлено, что в металлических конструкциях максимальное значение повторяющейся (циклической) нагрузки, при которой появляются усталостные трещины, много меньше значения нагрузки, соответствующего разрыву при статическом нагружении. Известно, что усталостные трещины, как правило, возникают в местах концентрации (конструктивной или технологической) напряжений, где местные напряжения существенно увеличиваются, а вязкость материала снижается из-за создаваемого здесь объемного напряженного состояния. Усталостная прочность существенно зависит от типа циклического нагружения (по симметричному, пульсирующему или любому произвольному циклу). Появление асимметричных циклов обусловлено наличием постоянной составляющей изгибающего момента того или иного знака (момент на тихой воде). Заметим, что при равных амплитудах наиболее неблагоприятен симметричный цикл, который, однако, маловероятен в корпусных конструкциях.

Значительное неблагоприятное влияние на циклическую прочность сталей оказывают структурные изменения и изменение механических характеристик металла и их неоднородность при термическом воздействии в зоне сварных швов, а также коррозия.

Основой для современных представлений об усталости послужили работы двух известных исследователей. В 1870 г. были опубликованы результаты экспериментальной работы Велера, испытывавшего вагонные оси на созданной им машине при циклическом нагружении. Основные выводы Велера заключались примерно в следующем:

• — для одного и того же вида конструкций или деталей, изготовленных из одного и того же материала, имеется определенная закономерность, связывающая действующие напряжения и числа циклов повторения нагрузки до разрушения;
• — существует некоторый критический уровень напряжений, ниже которого разрушений не бывает. Этот критический уровень, называемый пределом усталости, проявляется при большом числе циклов нагружения (2—5 млн).

Особенности явления характеризуются кривой усталости, или кривой Велера, как ее иногда называют. Предел усталости судокорпусных сталей составляет примерно 0,40—0,45 предела прочности.

После Велера важные результаты получил Баушингер (1886 г.). Он установил, что при переменном нагружении изменяются упругопластические свойства материалов, а также диаграммы их деформирования. Баушингер высказал предположение, что предел усталости материала есть его естественный предел пропорциональности, который обнаруживается только при переменном нагружении. Он установил, что, если при переменном нагружении появляются пластические деформации, результатом окажется усталостное разрушение металла. Явление возникновения в этой связи петли пластического гистерезиса в координатах «напряжение — деформация» называется эффектом Баушингера. С развитием ядерной энергетики появились конструкции, испытывающие сравнительно небольшое число циклов нагружения, сопровождающихся более или менее значительными пластическими деформациями. В аналогичных условиях работают многие узлы судового корпуса. При этом под действием циклических волновых нагрузок работа материала в зонах повышенной концентрации напряжений сопровождается значительными пластическими деформациями. Разрушение элементов конструкций, работающих в этих условиях, стали объяснять малоцикловой усталостью, т. е. усталостью при заметных пластических деформациях. Исследованиям этого вида усталости посвящены работы Коффина, который в 1952 г. сформулировал соответствующий критерий.

Таковы самые общие представления об усталости и истории ее первых исследований.

К 1920 гг. казалось, что была полностью решена проблема общей прочности судна на волнении, которая сводилась к статической постановке корпуса на тихую воду и волну, заданной длины и высоты, с последующим расчетом эквивалентного бруса. Но в 1970;е гг. и последующие вплоть до настоящего времени годы эту проблему пришлось решать заново, но на новом, более высоком уровне: увеличение скорости судов привело к тому, что динамические составляющие изгибающих моментов (волновые и ударные) стали соизмеримы со статическими составляющими. Это заставило обратиться к оценке усталостной прочности корпуса при общем изгибе.

Совершенствование методов расчета судовых конструкций позволяет уменьшить их металлоемкость за счет снижения запасов прочности до строго обоснованных величин. С другой стороны, уменьшению металлоемкости корпусных конструкций способствует широкое применение сталей повышенной прочности (СПП), из которых наиболее распространены низколегированные стали 09Г2 и 10ХСНД. В 1960—1970;е гг. из стали 09Г2 были построены сотни судов различного назначения. Ее применение привело к уменьшению момента сопротивления палубы от 5 до 17%, толщины борта — до 20% и толщины днища — до 25%. Применение стали 09Г2 при постройке речных судов позволило, например, на танкерах дедвейтом 5000 т уменьшить массу корпуса на 150 т.

Сталь 10ХСНД была широко использована при строительстве серийных танкеров типа «Варшава» и «София», а также сухогрузных судов типа «Ленинский комсомол». При этом уменьшение толщин палубы и днища для «Варшавы» составило примерно 30%, для «Софии» — 25%. Размеры поперечного набора и толщины переборок уменьшились у «Варшавы» в среднем на 10%, у «Софии» — на 3%. Масса корпуса судов типа «Ленинский комсомол» снизилась на 10%.

Однако уменьшение толщин деталей корпусных конструкций снизило их жесткость, а значит — резонансные частоты всего корпуса и отдельных его элементов. В сочетании с ростом скоростей это привело у крупных судов к появлению волновой вибрации с частотой первого тона на сравнительно небольшом волнении, вызывающем резонанс. При этом размахи вибрационных напряжений оказались соизмеримы с размахами волновых напряжений. Кроме того, в 1961 г. А. А. Курдюмов показал, что в случае использования СПП повышение номинальных напряжений пропорционально пределу текучести при относительно малом изменении усталостных характеристик стали должно приводить к уменьшению усталостной долговечности корпусов. Следствием этих обстоятельств с учетом концентрации напряжений и достаточно высоких частот, обеспечивающих наработку необходимого числа циклов, стало появление усталостных трещин в основных продольных связях корпуса и в сопряженных с ними конструкциях в районе миделя.

Снижение резонансных частот элементов конструкций в сочетании с тем, что основным источником колебаний являются винты и главные судовые двигатели, 96% которых составляют малои среднеоборотные дизели, повышает склонность судовых конструкций к местной вибрации, что выразилось в большом количестве соответствующих повреждений на судах различных типов. Отметим, что местная вибрация также не относится к числу «вечных» проблем. Примерно до 1950 г. было принято считать, что вибрация корпуса и его прочность — вещи не связанные, хотя и относятся к сфере строительной механики. Вибрация резко ухудшает обитаемость, работу механизмов и приборов, но не вызывает никаких разрушений в силу малости возникающих при этом напряжений. Общие представления о судовой вибрации были хорошо разработаны в классических трудах А. Н. Крылова, П. Ф. Папковича, Ю. А. Шиманского. Но около 1950 г. на ряде первых цельносварных судов различных классов и назначений совершенно неожиданно в массовом количестве (десятками и даже сотнями) начали появляться трещины в кормовой оконечности. Обследование конструкций показало, что трещины в пластинах и наборе имеют усталостную природу и являются результатом местной резонансной вибрации. Из всех корпусных конструкций наиболее уязвимыми с этой точки зрения оказались пластины и подкрепляющий их набор — ребра жесткости. Так возникла проблема местной вибрации, которая до сих пор окончательно не решена.

Таким образом, усталость корпусных конструкций определяется тремя основными причинами: волновыми циклическими нагрузками, ходовой и местной вибрациями. Спектры первых и размахи амплитуд напряжений второй и третьей не могут привести к усталости, если исходить из их номинальной величины. Оказалось, что все три процесса имеют общую особенность — трещины зарождаются в районе концентраторов напряжений, которыми являются сварные швы, прерывистые связи и жесткие точки. Это означает, что в районе появления трещины всегда имеет место сложное напряженное состояние, требующее учета при расчетах усталостной прочности, что до настоящего времени делается весьма условно.

Следует отметить, что рассмотрение при усталости корпусных конструкций отдельно общей и местной прочности представляется достаточно условным. Действительно, маловероятно, что в гладкой несущей продольной связи может появиться усталостная трещина вне зоны концентратора напряжений. Значит, оценка общей прочности на стадии зарождения трещины выльется в оценку прочности узла, провоцирующего ее появление, т. е. по существу речь будет идти о местной прочности узла в условиях сложного напряженного состояния. Таким образом, на стадии зарождения усталостной трещины можно говорить только о местной прочности, и лишь на стадии развития магистральной трещины следует рассматривать общую или местную прочность в зависимости от того, развивается ли трещина в основных несущих связях корпуса, обеспечивающих общую прочность, или во второстепенных связях, которые не участвуют в общем изгибе (поперечные конструкции, узлы корпуса в оконечностях и т. п.).