Введение к работе
Актуальность темы. Одной из важнейших проблем современной техники является повышение надежности машин и изделий при одновременном снижении расхода материала, т.е. уменьшение их веса и размеров, что приводит к необходимости разработки новых методов расчета, которые более полно и адекватно учитывали свойства реальных материалов. В ее решении главное место отводится опенке напряженно-деформированного состояния элементов конструкций при силовом и тепловом воздействии.
Расчет напряженно-деформированного состояния существенно осложняется наличием в конструкциях отверстий различной формы, дефектами типа трещин и неоднородностью материала. Неоднородность упругих свойств часто возникает в пропессе изготовления (вслед-етвие различных температурных условий в разных зонах) изделия, at также в результате применения различной упрочняющей технологии (термическая, химико-термическая и другие виды обработок). Неоднородность упругих свойств возникает также при эксплуатации кон-їтрукпий под влиянием окружающей среда (термическое влияние, радиационное облучение, воздействие активных жидкостей и газов І т.п.).
Изучение температурных напряжений в твердых деформируемых гелах приобретает все большую актуальность в связи с интенсивным зазаитием энергетики, машиностроения л ракетной техники. Элементы и узлы современных инженерных конструкций зачастую работают з таких режимах, когда при расчете напряженного и деформироЕан-юго состояния необходимо учитывать не только упругую, ко и уп->уго-пластическую работу материала, влияние температуры.
Расчет температурных напряжений в конструкциях ядерных реакторов имеет очень большое значение для обеспечения их прочности при различных режимах работы реактора. Большую роль играет анализ температурных напряжений в тепловыделяющих элементах (ТВЭЛ), в отражателе и корпусе реактора. Изучение этих напряжений имеет существенное значение в тех случаях, когда в стенках отражателя расположены охлаждающие каналы. В таких конструктивных элементах возникают значительные температурные напряжения! могущие вызвать их разрушение.
В случае внезапной аварийной остановки реактора'происходит быстрое падение температуры теплоносителя на выходе из активной зоны реактора, что создает эффект так называемого теплового удара, вызывающего весьма значительное повышение напряжений в некоторых конструктивных элементах реактора (в баках, коллекторах, трубопроводах и т.д.).
Сложность конструкций ядерных реакторов создает значитель-. ные, в некоторых случаях практически непреодолимые, трудности при решении возникающих задач по определению температурных напряжений.
В подавляющем большинстве случаев для анализа температурных напряжений вводят упрощенные и условные модели, весьма приближенно отражающие действительные состояния конструкций реактора и происходящих в них процессов. Таким образом, существующие расчеты температурных напряжений в конструкциях реакторов носят оценочный характер. Тем не менее эти приближенные оценочные расчеты имеют очень важное значение, так как они дают общие указания о предельно допустимых размерах тех или иных конструктиЕНых элементов, о слабых местах в конструкциях, гребующих усиления и т.п.
В связи с расчетами тепловыделяющих элементов в ядерных реакторах имеют несомненный теоретический и практический интерес решения плоских стационарных и нестационарных двоякопериодичес-ких задач термоупругости к термоупругопластичности.
Из сказанного становится очевидным, насколько важен расчет температурных полей и напряжений в тепловыделяющих элементах для правильного выбора их конструкдаи, оптимальных размеров и допустимых мощностей тепловыделения.
Причинами аварий в различных элементах конструкдаи во многих случаях являются дефекты типа трещин, а также недостаточное сопротивление материалов развитию в нем трещин при воздействии заданных эксплуатационных факторов. Объясняется это тем, что при изготовлении различных видов техники наибольшее применение находят высокопрочные конструкционные материалы, склонные к хрупкому разрушению.
Приведенный в работе обзор исследований о напряженно-деформированном состоянии при тепловых воздействиях показывает, что совершенно не исследованы вопросы напряженно-деформированного состояния тепловыделяющих элементов, пронизанных цилиндрическими охлаждающими каналами, когда теплофизические и механические свойства материала зависят от температуры среды с учетом влияния жидкого теплоносителя.
Исследования напряженно-деформированного состояния тепловыделяющих элементов имеют важное значение для прогнозирования вопросов прочности элементов активной зоны, замедлителя ядерных реакторов. В связи с этим необходимы дальнейшие исследования о тепловом и напряженном состоянии тепловыделяющих элементов при стационарных и нестационарных режимах работы, учет дефектов типа
трещин, пластических деформаций, влияние теплоносителя, зависимости свойств материала и интенсивности тепловаделения от температуры.
единая диссертационная работа посвящена вопросам исследования температурных, напряженно-деформированных полей и разрушения тепловыделяющих элементов, ослабленных цилиндрическими каналами круглой формы, расположенных в вершинах двоякопериодической системы.
Целью настоящей диссертации является исследование тепловых, термоупругих и термоупруго-пластических напряженных состояний тепловыделяющих массивов с учетом зависимости свойств материала от.температуры, вопросов взаимодействия двоякопериодических систем круглых отверстий и трещин при стационарных и нестационарных режимах работы, влияния температурных факторов на развитие трещин возле отверстий, заполненных теплоносителем.
Научная новизна работы заключается в следующем:
разработана единая эффективная методика исследования распределения температуры, напряжений и деформаций тепловыделяющих массивов, ослабленных двоякопериодической системой круглых отверстий, заполненных жидкостью, с учетом зависимости свойств материала и интенсивности тепловыделения от температуры и пластических деформаций;
решена плоская двоякопериодическая задача неоднородной термоупругости с внутренними источниками тепла при стационарных и нестационарных тепловых воздействиях с учетом влияния теплоносителя;
решена плоская задача термоупругошіастичности для массива, ослабленного двбякопєриодической системой ьруглых отверстий;
решена плоская задача механики разрушения для тепловыделяющего массива, ослабленного двоякопериодической системой круглых отверстий и прямолинейными трещинами с учетом зависимости свойств материала и интенсивности тепловыделения от температуры и воздействия теплоносителя;
получены зависимости коэффициентов интенсивности напряжений от интенсивности теплового выделения и взаимного расположения отверстий, заполненных жидкостью.
Общая методика исследований. Предлагаемый способ решения рассматриваемых в диссертации задач представляет собой комбинацию различных аналитических и численных методов. Основные из них: метод квазилинеаризапии, вариационный метод Ритца, полудискретный метод Галеркина, метод Рунге-Кутта, метод переменных параметров упругости, метод малого параметра, аппарат теории функций комплексного переменного в сочетании с теорией сингулярных интегральных уравнений, метод редукции бесконечных систем линейных алгебраических уравнений, метод Гаусса с выбором главного элемента.
Достоверность полученных в работе результатов обеспечивается корректной постановкой задач, математической строгостью их решения, подтверждается практической сходимости» численных результатов, а также их совпадением в некоторых частных случаях с известными данными других исследователей.
Практическая ценность работы определяется широким кругом отмеченных выше практических приложений. Для численной реализации изложенных в диссертации методов были составлены программы на алгоритмическом языке ФОРТРАН для выполнения расчетов на машинах типа ЕС ЭВМ. Решение всех задач представлено в виде, удсб-
ном для реализации на ЭВМ. Результаты приведены в виде таблиц и графиков, которые могут быть использованы в инженерной практике при расчетах на прочность тепловыделяющих элементов энергетических установок.
Диссертационная работа выполнена в рамках темы координационного плана АН СССР комплексных научных исследований по проблеме "Физико-химическая механика разрушения конструкционных материалов".
Часть результатов, полученных в работе, передана для использования заинтересованным предприятиям при оценке"прочности элементов конструкций новой техники.
Апробация работы. Результаты диссертации регулярно докладывались и обсуждались на научном семинаре "Механика деформируемого твердого тела" кафедры "Сопротивление материалов" Азербайджанского технического университета; на X Республиканской конференции молодых ученых по математике и механике (Баку, 1990 г.); на Республиканской научно-технической конференции (Баку,1990 г.); на Республиканской научной конференции молодых исследователей Вузов Азербайджана (Баку, 1991 г.); на XI научно-практической конференции Азербайджанского технологического института (Гянджа, 1992 г.); на научном семинаре отдела.теории упругости и пластичности Института математики и механики АН Азерб.Республики (Баку, 1992 г.).
Диссертация в целом докладывалась и обсуждена на кафедре "Сопротивление материалов" Азерб.технического университета (1992г.)
Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано четыре работы.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения,
четырех глав, выводов, списка литературы и приложения. Работа содержит 159 страниц машинописного текста, 29 рисунков, 15 таблиц.
