Моделирование гидравлического автофретирования толстостенных цилиндрических оболочек с учетом упругопластической анизотропии, вызванной эффектом Баушингера

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Настоящая работа направлена на разработку метода расчета остаточных напряжений при автофретировании цилиндрических оболочек, позволяющего учитывать упругопластическую анизотропию, вызванную эффектом Баушингера. Предложенный метод расчета основан на совместном решении методом переменных параметров упругости интегральных уравнений равновесия и совместности деформаций, записанных в координатах Эйлера для нелинейных мер деформации. Результаты работы хорошо согласуются с результатами других авторов, полученными при аналогичных исходных данных.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

С. И. Феоктистов

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования “Комсомольский-на-Амуре государственный университет”

Автор, ответственный за переписку.
Email: serg_feo@mail.ru
Россия, Комсомольск-на-Амуре

И. К. Андрианов

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования “Комсомольский-на-Амуре государственный университет”

Email: ivan_andrianov_90@mail.ru
Россия, Комсомольск-на-Амуре

Л. Тхет

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования “Комсомольский-на-Амуре государственный университет”

Email: linhtetnaining513028@gmail.ru
Россия, Комсомольск-на-Амуре

Список литературы

  1. Fryer D.M., Fryer D.M., Harvey J.F. High Pressure Vessels. Harvey, Boston: Springer, 2012. 216 p.
  2. Shufen R., Shufen R., Dixit U.S. A review of theoretical and experimental research on various autofrettage processes // J. Press. Vessel Technol. 2018. V. 140. № 5. P. 15.
  3. Малинин Н.Н. Прикладная теория пластичности и ползучести. М.: Машиностроение, 1975. 399 с.
  4. Kholdi M., Loghman A., Ashrafi H. Analysis of thick-walled spherical shells subjected to external pressure: Elastoplastic and residual stress analysis // Proc. Inst. Mech. Eng., Part L. 2020. V. 234. № 1. P. 186–197. https://doi.org/10.1177/1464420719882958
  5. Huang X.P., Cheng C.W. Autofrettage analysis of thick-walled cylinder based on tensile-compressive curve of material // Key Engineering Materials. 2004. V. 274–276. P. 1035–1040. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/KEM.274-276.1035
  6. Chen P.C.T. The Bauschinger and hardening effect on residual stresses in an autofrettaged thick-walled cylinder // J. Pressure Vessel Technol. 1986. V. 108. № 1. P. 108–112. https://doi.org/10.1115/1.3264743
  7. Huang X.P. A general autofrettage model of a thick-walled cylinder based on tensile–compressive stress–strain curve of a material // J. Strain Anal. Eng. Design. 2005. V. 40. № 6. P. 599–607. https://doi.org/10.1243/030932405X16070
  8. Hu Z., Penumarthy C. Computer modeling and optimization of swage autofrettage process of a thick-walled cylinder incorporating Bauschinger effect // American Transactions on Engineering & Applied Sciences. 2014. V. 3. № 1. P. 31–63.
  9. Perl M., Perry J. An experimental-numerical determination of the three-dimensional autofrettage residual stress field incorporating Bauschinger effects // J. Press. Vessel Technol. 2006. V. 128. № 2. P. 173–178. https://doi.org/10.1115/1.2172959
  10. Hu Z., Parker A.P. Swage autofrettage analysis – Current status and future prospects // Inter. J. Press. Vessels Piping. 2019. V. 171. P. 233–241. https://doi.org/10.1016/j.ijpvp.2019.03.007
  11. Zare H.R., Darijani H. A novel autofrettage method for strengthening and design of thick-walled cylinders // Mater. Des. 2016. V. 105. P. 366–374. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2016.05.062
  12. Zare H.R., Darijani H. Strengthening and design of the linear hardening thickwalle cylinders using the new method of rotational autofrettage // Int. J. Mech. Sci. 2017. V. 124–125. P. 1–8. https://doi.org/10.1016/j.ijmecsci.2017.02.015
  13. Kamal S.M. Estimation of optimum rotational speed for rotational autofrettage of disks incorporating Bauschinger effect // Mech. Base. Des. Struct. Mach. 2020. № 50. № 7. P. 1–20. http://dx.doi.org/10.1080/15397734.2020.1780608
  14. Москвитин В.В. Пластичность при переменных нагружениях. М.: Изд-во МГУ, 1965. 263 с.
  15. Feoktistov S.I., Andrianov I.K. Analytical description of the Bauschinger effect using experimental data and the generalized Мasing principle // Mater. Phys. Mech. 2024. V. 52. № 1. P. 49–59. http://dx.doi.org/10.18149/MPM.5212024_5
  16. Адигамов Р.Р., Андреев В.А., Рогачев С.О., Федотов Е.С., Хадеев Г.Е., Юсупов В.С. Проявление эффекта Баушингера при знакопеременной деформации // Черная металлургия: Известия вузов. 2022. Т. 65. № 7. С. 455–466. https://doi.org/10.17073/0368-0797-2022-7-455-466
  17. Пыхтунова С.В. К вопросу об эффекте Баушингера // Качество в обработке материалов. 2015. № 1(3). С. 75–77.
  18. Нигматуллин В.И. Экспериментальное исследование влияния предварительной пластической деформации на поведение конструкционных сталей при обратном нагружении // Труды ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова. 2011. № 60. С. 119–132.
  19. Perry J., Perl M., Shneck R., Haroush S. The Influence of the Bauschinger Effect on the Yield Stress, Young’s Modulus, and Poisson’s Ratio of a Gun Barrel Steel // J. Press. Vessel Technol. 2006. V. 128. № 2. P. 179–184. https://doi.org/10.1115/1.2172962
  20. Dell H.D., Eliseev V.V., Shapievskaya V.A. Experimental study of the bauschinger effect for anisotropic metals // Mechanics of Solids. 2014. V. 49. № 5. P. 561–567. https://doi.org/10.3103/S0025654414050070
  21. Parker A.P. Characterization of steels using a revised kinematic hardening model incorporating Bauschinger effect // J. Press. Vessel Technol. 2003. V. 125. № 3. P. 277–281. https://doi.org/10.1115/1.1593071
  22. Hu Z., Parker A.P. Implementation and validation of true material constitutive model for accurate modeling of thick-walled cylinder swage autofrettage // Int. J. Press. Vessels and Piping. 2021. V. 191. P. 1–10. https://doi.org/10.1016/j.ijpvp.2021.104378
  23. Faghih S., Jahed H., Behravesh S. Variable Material Properties Approach: A Review on Twenty Years of Progress // J. Press. Vessel Technol. 2018. V. 140. № 5. P. 050803. https://doi.org/10.1115/1.4039068
  24. Jahed H., Dubey R.N. An Axisymmetric Method of ElasticPlastic Analysis Capable of Predicting Residual Stress Field // ASME J. Press. Vessel Technology. 1997. V. 119. № 3. P. 264–273. https://doi.org/10.1115/1.2842303
  25. Биргер И.А. Круглые пластинки и оболочки вращения. М.: Оборонгиз, 1961. 368 с.
  26. Биргер И.А., Мавлютов Р.Р. Сопротивление материалов. М.: Наука, 1986. 560 с.
  27. Писаренко Г.С., Можаровский Н.С. Уравнения и краевые задачи теории пластичности и ползучести. Киев: Наук. Думка, 1981. 496 с.
  28. Крыжевич Г.Б., Филатов А.Р. Модель упругопластического деформирования алюминиевых сплавов и критерии малоцикловой усталости конструкций // Труды Крыловского государственного научного центра. 2018. Спец. Вып. № 2. С. 85–95. https://doi.org/10.24937/2542-2324-2018-2-S-I-85-95
  29. Feoktistov S.I., Andrianov I.K. Method for calculating the forming limit of a pipe blank under expansion taking into account nonlinear plasticity // J. Appl. Mech. Tech. Phys. 2023. V. 64. № 4. P. 721–727. https://doi.org/10.1134/s0021894423040193
  30. Durban D. Large strain solution for pressurized elasto/plastic tubes // J. Appl. Mech, Trans. ASME. 1979. V. 46. № 1. P 228–230. https://doi.org/10.1115/1.3424511
  31. Durban D. A finite strain axially-symmetric solution for elastic tubes // Int. J. Solids Struct. 1988. V. 24. № 7. P. 675–682. https://doi.org/10.1016/0020-7683(88)90016-9
  32. Durban D. Finite straining of pressurized compressible elastoplastic tubes // Int. J. Eng. 1988. V. 26. № 9. P. 939–950. https://doi.org/10.1016/0020-7225(88)90023-7
  33. Durban D., Kubi M. A General solution for the pressurized elastoplastic tube // J. Appl. Mech. 1992. № 59. № 1. P. 20–26. https://doi.org/10.1115/1.2899431
  34. Феоктистов С.И. Андрианов И.К. Уравнения совместности логарифмических деформаций в координатах Эйлера для решения осесимметричных процессов обработки металлов давлением // Ученые записки Комсомольского-на-Амуре государственного технического университета. 2021. № 7 (55). С. 26–30. https://doi.org/10.17084/20764359-2021-55-26
  35. Durban D., Kubi M. A General solution for the pressurized elastoplastic tube // J. Appl. Mech. 1992. V. 59. № 1. P. 20–26. https://doi.org/10.1115/1.2899431
  36. Феоктистов С.И., Андрианов И.К., Тхет Л. Моделирование напряженно-деформированного состояния толстостенных цилиндрических оболочек с учетом физической нелинейности материала // Ученые записки Комсомольского-на-Амуре государственного технического университета. 2022. № 3 (59). С. 12–20. https://doi.org/10.17084/20764359-2022-59-12
  37. Andrianov I.K., Feoktistov S.I. Inverse problem of elastic-plastic deformation of a free thick-walled cylindrical shell taking into account the nonlinear law of hardening // Problems of Strength and Plasticity. 2024. V. 86. № 3. P. 259–269. https://doi.org/10.32326/1814-9146-2024-86-3-259-269
  38. Смирнов-Аляев Г.А. Теория автоскрепления цилиндров. М.: Оборонгиз, 1940. 284 с.
  39. Troiano E., Underwood J.H., Parker A.P. Finite Element Investigation of Bauschinger Effect in High-Strength A723 Pressure Vessel Steel // J. Press. Vessel Technol. 2006. V. 128. № 2. P. 185–189. https://doi.org/10.1115/1.2172616

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Типичная диаграмма деформирования высокопрочных сталей при одноосном растяжении-сжатии.

Скачать (73KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Изменение коэффициента эффекта Баушингера – (a) и модуля упругости – (b) при разгрузке-сжатии в зависимости от величины предшествующей деформации при нагружении ei′ для стали А723-1130.

Скачать (78KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Диаграммы деформирования стали А723-1130 при одноосном растяжении, последующей разгрузке и сжатии для различных уровней деформации si [МПа].

Скачать (166KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Диаграмма деформирования для изотропной и кинематической модели упрочнения: 1 – прямое нагружение, 2 – обратное нагружение (изотропное упрочнение); 3 – обратное нагружение (кинематическое упрочнение) [24]. si[МПа].

Скачать (122KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Сравнение результатов расчета окружных напряжений sq′ в нагруженном состоянии (4, 5, 6) и остаточных окружных напряжений sq0 (1, 2, 3) для изотропного упрочнения при paut = 1720 МПа; Soverstr = 0.47: 1, 4 – по методике данного исследования, 2, 5 – методом конечных элементов [24], 3, 6 – методом переменных свойств материала [24].

Скачать (87KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Сравнение результатов расчета остаточных радиальных sr0 (4, 5, 6) и осевых sz0 напряжений для изотропного упрочнения (1, 2, 3) при paut = 1720 МПа; Soverstr = 0.47: 1, 4 – по методике данного исследования, 2, 5 – методом конечных элементов [24], 3, 6 – методом переменных свойств материала [24].

Скачать (99KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Сравнение результатов расчета окружных напряжений sq′ в нагруженном состоянии (4, 5, 6) и остаточных окружных напряжений sq0 (1, 2, 3) для кинематического упрочнения при paut = 1720 МПа; Soverstr = 0.47: 1, 4 – по методике данного исследования, 2, 5 – методом конечных элементов [24], 3, 6 – методом переменных свойств материала [24].

Скачать (90KB)
Метаданные
9. Рис. 8. Сопоставление результатов расчета остаточных радиальных sr0 (4, 5, 6) и осевых sz0 напряжений для кинематического упрочнения (1, 2, 3) при paut = 1720 МПа; Soverstr = 0.47: 1, 4 – по методике данного исследования, 2, 5 – методом конечных элементов [24], 3, 6 – методом переменных свойств материала [24].

Скачать (99KB)
Метаданные
10. Рис. 9. Сопоставление результатов расчета окружных напряжений sq′ в нагруженном состоянии (4, 5, 6) и остаточных окружных напряжений sq0 (1, 2, 3) для изотропного упрочнения при paut = 1679 МПа; Soverstr = 0.44: 1, 4 – по методике данного исследования, 2, 5 – методом конечных элементов [24], 3, 6 – методом переменных свойств материала [24].

Скачать (80KB)
Метаданные
11. Рис. 10. Сопоставление результатов расчета остаточных радиальных sr0 (4, 5, 6) и осевых sz0 напряжений (1, 2, 3) для изотропного упрочнения при paut = 1679 МПа; Soverstr = 0.44: 1, 4 – по методике данного исследования, 2, 5 – методом конечных элементов [24], 3, 6 – методом переменных свойств материала [24].

Скачать (93KB)
Метаданные
12. Рис. 11. Сопоставление результатов расчета окружных напряжений sq′ в нагруженном состоянии (4, 5, 6) и остаточных окружных напряжений sq0 (1, 2, 3) для кинематического упрочнения при paut = 1679 МПа; Soverstr = 0.44: 1, 4 – по методике данного исследования, 2, 5 – методом конечных элементов [24], 3, 6 – методом переменных свойств материала [24].

Скачать (82KB)
Метаданные
13. Рис. 12. Сопоставление результатов расчета остаточных радиальных sr0 (4, 5, 6) и осевых напряжений sz0 (1, 2, 3) для кинематического упрочнения при paut = 1679 МПа; Soverstr = 0.44: 1, 4 – по методике данного исследования, 2, 5 – методом конечных элементов [24], 3, 6 – методом переменных свойств материала [24].

Скачать (87KB)
Метаданные
14. Рис. 13. Окружные остаточные напряжения sq0, полученные разными расчетными методами при R0 /r0 = 2; Soverstr = 0.7: 1 – по методике данного исследования, 2 – методом переменных свойств материала [39], 3 – методом конечных элементов в случае плоской деформации [39], 4 – методом конечных элементов в случае плоского напряженного состояния [39]. sq0[МПа], r[мм].

Скачать (99KB)
Метаданные
15. Рис. 14. Окружные остаточные напряжения sq0, полученные разными расчетными методами при R0 /r0 = 2.25; Soverstr = 0.7: 1 – по методике данного исследования, 2 – методом переменных свойств материала [39], 3 – методом конечных элементов в случае плоской деформации [39], 4 – методом конечных элементов в случае плоского напряженного состояния [39]. sq0[МПа], r[мм].

Скачать (114KB)
Метаданные
16. Рис. 15. Относительное изменение модуля упругости –E при разгрузке-сжатии по толщине оболочки при различных значениях величины пластической области при автофретировании для R0 /r0 = 2: 1 – Soverstr = 0.1; 2 – Soverstr = 0.3; 3 – Soverstr = 0.5; 4 – Soverstr = 0.7; 5 – Soverstr = 0.9; 6 – Soverstr = 1.0.

Скачать (110KB)
Метаданные
17. Рис. 16. Относительное изменение модуля упругости –E при разгрузке-сжатии по толщине оболочки при различных значениях величины пластической области при автофретировании для R0 /r0 = 3: 1 – Soverstr = 0.1; 2 – Soverstr = 0.3; 3 – Soverstr = 0.5; 4 – Soverstr = 0.7; 5 – Soverstr = 0.9; 6 – Soverstr = 1.0.

Скачать (115KB)
Метаданные
18. Рис. 17. Относительное изменение предела текучести siY = aY siY при разгрузке-сжатии по толщине оболочки при различных значениях величины пластической области при автофретировании для R0 /r0 = 2: 1 – Soverstr = 0.1; 2 – Soverstr = 0.3; 3 – Soverstr = 0.5; 4 – Soverstr = 0.7; 5 – Soverstr = 0.9; 6 – Soverstr = 1.0.

Скачать (115KB)
Метаданные
19. Рис. 18. Относительное изменение предела текучести siY = aY siY при разгрузке-сжатии по толщине оболочки при различных значениях величины пластической области при автофретировании для R0 /r0 = 3: 1 – Soverstr = 0.1; 2 – Soverstr = 0.3; 3 – Soverstr = 0.5; 4 – Soverstr = 0.7; 5 – Soverstr = 0.9; 6 – Soverstr = 1.0.

Скачать (115KB)
Метаданные
20. Рис. 19. Распределение остаточных окружных напряжений sq0 по толщине оболочки при различных значениях величины пластической области при автофретировании для R0 /r0 = 2: 1 – Soverstr = 0.1; 2 – Soverstr = 0.3; 3 – Soverstr = 0.5; 4 – Soverstr = 0.7; 5 – Soverstr = 0.9; 6 – Soverstr = 1.0. sq0 [МПа].

Скачать (141KB)
Метаданные
21. Рис. 20. Распределение остаточных окружных напряжений sq0 по толщине оболочки при различных значениях величины пластической области при автофретировании для R0 /r0 = 3: 1 – Soverstr = 0.1; 2 – Soverstr = 0.3; 3 – Soverstr = 0.5; 4 – Soverstr = 0.7; 5 – Soverstr = 0.9; 6 – Soverstr = 1.0. sq0 [МПа].

Скачать (123KB)
Метаданные
22. Рис. 21. Изменение сжимающих остаточных окружных напряжений sq0|r = r на внутренней поверхности оболочки при изменении величины пластической области при автофретировании для R0 /r0 = 2. sq0|r = r [МПа].

Скачать (60KB)
Метаданные
23. Рис. 22. Изменение сжимающих остаточных окружных напряжений sq0|r = r на внутренней поверхности оболочки при изменении величины пластической области при автофретировании для R0 /r0 = 3. sq0|r = r [МПа]. 

Скачать (58KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2025

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».