НАУКА и ОБРАЗОВАНИЕ

Файл статьи: SE-BMSTU...o396.pdf (1089.45Кб)

УДК 621.7-97

Россия,  МГТУ им. Н.Э. Баумана

Ползучесть представляет одно из основных свойств материалов, её скорость зависит от температуры в значительной степени. Винтовые цилиндрические пружины широко используются в элементах теплоэнергетических установок, что приводит к необходимости учета влияния температуры на напряженно-деформированное состояние пружины. Предметом исследования является винтовая цилиндрическая пружина, применяемая при высоких температурах. В условиях высоких температур необходимо обеспечить стабильность напряженного состояния пружин. В работе исследуются процессы релаксации напряженного состояния и образования остаточных напряжений. Расчеты проведены в среде ABAQUS. Цель работы состоит в исследовании закономерности релаксации и остаточного напряжения в пружине.
В статье излагаются основы теории ползучести материала винтовой цилиндрической пружины. Выведены расчетные соотношения релаксации касательных напряжений при фиксированной степени сжатия. Представлен анализ расположения и характер изолиний напряжений в поперечном сечении витка.  Рассмотрена закономерность релаксации напряжений во времени. Разработана приближенная формула расчета касательного напряжения релаксации в сечении витка пружин.
Исследованы скорость ползучести и закон изменения остаточных напряжений в поперечном сечении витка пружин при температуре 650℃. Было использовано компьютерное моделирование в среде ABAQUS. Представлена конечно-элементная модель ползучести пружины кругового поперечного сечения.
Проанализированы изменения напряжений при ползучести под постоянной нагрузкой. При действии постоянной силы напряжения быстро уменьшаются в окрестности контура сечения и увеличиваются в центре, то есть максимальное и минимальное напряжение сближаются во времени. Результаты работы свидетельствуют о возможности использования приближенных формул расчета касательного напряжения в сечении витка пружин и могут служить теоретической основой при анализе срока службы пружин, работающих при высоких температурах.
В работе исследуются процессы релаксации напряженного состояния. Создана конечно-элементная модель для анализа ползучести и релаксации при высокой температуре. Проанализировано изменение остаточных напряжений во времени и влияние на длину пружин.

1. Junghyun Ryu, Sungmin Ahn, Je-sung Koh, Kyu-Jin Cho, Maenghyo Cho. Modified Brinson model as an equivalent one-dimensional constitutive equation of SMA spring // Proc. SPIE 7981. Sensors and Smart Structures Technologies for Civil, Mechanical, and Aerospace Systems 2011. Paper no. 79813W. DOI: 10.1117/12.881948
2. Reza Mirzaeifar, Reginald DesRoches, Arash Yavari. A combined analytical,numerical,and experimental study of shape-memory-alloy helical springs // International Journal of Solids and Structures. 2011. Vol. 48, no. 3-4. P. 611-624. DOI: 10.1016/j.ijsolstr.2010.10.026
3. Su Deda. Spring (Material) Stress Relaxation and Prevention. Tianjin: Tianjin University press, 2002. P. 421.
4. Del Llano-Vizcaya L., Rubio-Gonzales C., Mesmacqueb G., Banderas-Hernándeza A. Stress relief effect on fatigue and relaxation of compression springs // Materials and Design. 2007. Vol. 28, no. 4. P. 1130-1134. DOI: 10.1016/j.matdes.2006.01.033
5. Golub V.P., Krizhanovskii V.I., Rusinov A.A. A Mixed Criterion of Delayed Creep Failure Under Plane Stress // International Applied Mechanics. 2003. Vol . 39, no . 5. P . 556-565. DOI: 10.1023/A:1025187509053
6. Сунь Х., Данилов В.Л. Исследование напряженно-деформированного состояния пружины при высокой температуре с помощью ABAQUS // Наука и образование. МГТУ им. Баумана. Электрон. журн. 2014. №   5. С. 217-230. DOI:10.7463/0514.0710723
7. Гусев М.П., Данилов В.Л. Релаксационная стойкость винтовой цилиндрической пружины в условиях нейтронного облучения // Наука и образование. МГТУ им. Баумана. Электрон. журн. 2012. №   4. Режим доступа: http://technomag.bmstu.ru/doc/402924.html (дата обращения 01.05.2015).
8. Kobelev V. Elastic-plastic work-hardening deformation under combined bending and torsion and residual stresses in helical springs // International Journal of Material Forming. 2010. Vol. 3, suppl. 1. P. 869-881. DOI: 10.1007/s12289-010-0908-8
9. Kobelev V. Elastoplastic stress analysis and residual stresses in cylindrical bar under combined bending and torsion // Journal of Manufacturing Science and Engineering. 2011. Vol. 133, no. 4. P. 1-12. DOI: 10.1115/1.4004496
10. Kobelev V. An exact solution of Torsion Problem for an incomplete torus with application to helical springs // Meccanica. 2002. Vol. 37, no. 3. P. 269-282. DOI: 10.1023/A:1020108922684