Введение к работе
Актуальность темы. Обоснованность оценки ресурса ответственных инженерных объектов (ОИО) (ядерных энергетических установок, объектов химической, газовой, нефтяной отрасли и др.) в течение длительного срока службы (40–60 лет) требует корректного учета, вкладов действующих факторов в повреждение материала критических зон элементов оборудования, которые определяют их ресурс вцелом. Поэтому необходим тщательный анализ работоспособности оборудования с выделением критических зон элементов и оценки возможности их разрушения с учетом конкретных условий работы и действующих факторов. На практике с этой целью широко используется верифицированные методики расчета кинетики напряженно-деформированного состояния (НДС), зарождения и развития дефектов. Необходимо, однако, учитывать, что в используемых расчетных методиках неизбежно имеет место некоторая неопределенность, обусловленная неполной достоверностью используемых математических моделей, условностью учитываемых технологических дефектов и др.
На практике такая неопределенность компенсируется соответствующими коэффициентами запаса прочности (консервативный подход). Но его значение в общем случае нельзя считать обоснованным. Кроме того, необходимость увеличения срока службы оборудования приводит к необходимости дополнительного увеличения коэффициентов запаса, следствием чего является рост материалоемкости оборудования и даже отказ от более эффективных конструктивных решений.
Создание технических систем для мониторинга за ресурсом оборудования ОИО предполагает формализацию оценки поврежденности конструкционного материала опасных зон и соответствующих изменений его механических характеристик. Анализ фактической эксплуатационной нагруженности ряда конструктивных элементов, расчетный анализ кинетики НДС и металлографический анализ металла в зоне образования и развития дефектов показали, что в большинстве случаев наступление предельных состояний вызвано термомеханическими циклическими нагружениями, а основными механизмами деградации конструкционных материалов являются мало- и многоцикловая усталость.
В последние годы для решения таких задач успешно развивается новая дисциплина – механика повреждённой среды (МПС). МПС изучает процессы развития микродефектов, механическое поведение повреждённых материалов (материалов с внутренними дефектами) при помощи определённых механических параметров и процессы накопления повреждений, сочетая, насколько это возможно на современном уровне знаний, точки зрения материаловедения и механики сплошной среды. Естественно, что данный подход имеет приближённый характер с точки зрения реальных процессов на уровне микроструктуры материала. Однако существующая на сегодняшний день практика использования уравнений МПС для различных механизмов исчерпания ресурса позволяет утверждать, что такой подход достаточно эффективен для практических приложений оценки ресурса ОИО, и с его помощью можно достаточно корректно оценивать ресурс конструктивных элементов и узлов несущих конструкций.
Таким образом, задача обоснования применимости определяющих соотношений МПС при совместном действии механизмов мало- и многоцикловой усталости, служащих основой для разработки на их базе экспертных систем оценки ресурса конструкций является актуальной.
Цель и задачи исследований. Целью диссертационной работы является разработка научно-обоснованной инженерной методики с использованием определяющих соотношений МПС, развитой в работах Ю.Г. Коротких и И.А. Волкова для расчёта усталостной долговечности материалов и конструкций в области долговечности, где совместно действуют механизмы мало- и многоцикловой усталости
Для достижения указанной цели необходимо решить следующие основные задачи:
1. Провести оценку достоверности уравнений МПС в области долговечности, где совместно действуют механизмы мало- и многоцикловой усталости, путем проведения численных экспериментов и сравнения полученных результатов с имеющимися в литературе экспериментальными и теоретическими результатами.
2. Разработать экспериментально-теоретическую методику определения материальных параметров эволюционного уравнения накопления повреждений при многоцикловой усталости.
3. Разработать алгоритм и создать соответствующее программное средство для интегрирования определяющих соотношений МПС при совместных механизмах МЦУ и МнЦУ.
4. Разработать научно-обоснованную инженерную методику, позволяющую, на основе данных, полученных из решения краевой задачи, по заданной истории изменения компонент тензора деформаций, осуществлять прогноз усталостной долговечности опасных зон конструкций, в области, где совместно действуют механизмы МЦУ и МнЦУ.
5. Провести оценку усталостной долговечности конкретных конструктивных элементов с целью выявления качественных и количественных особенностей процесса усталостного разрушения в переходной области, где действуют оба механизма деградации начальных прочностных свойств конструкционного материала.
Научная новизна. Автором получены следующие основные, новые результаты:
1. Методом численного моделирования на ПЭВМ исследована возможность применения определяющих соотношений МПС для расчета процессов накопления усталостных повреждений в материалах и конструкциях при совместных механизмах мало- и многоцикловой усталости по заданной истории деформирования, которая позволяет учитывать:
– наличие двух стадий накопления усталостных повреждений;
– нелинейность процесса накопления усталостных повреждений;
– нелинейность суммирования повреждений при изменении режимов нагружения, вида напряженного состояния.
2. Для конструкционных материалов (сталей 08Х18Н10Т, 08Х18Н12Т) получены материальные параметры модели МПС, описывающей ряд специфических и малоизученных эффектов при совместном действии механизмов МЦУ и МнЦУ.
3. Путем сопоставления результатов численных экспериментов с имеющимися опытными данными при построение обобщенной усталостной кривой показана достоверность суммирования поврежденности от механизмов мало- и многоцикловой усталости.
4. Разработана научно-обоснованная инженерная методика оценки ресурса начальных прочностных свойств конструкционных материалов в опасных зонах машиностроительных объектов и выполнена на её базе оценка усталостной долговечности конкретных конструктивных элементов при совместных механизмах мало- и многоцикловой усталости.
5. Получены новые решения задач о деформировании и накоплении усталостных повреждений в конкретных конструктивных элементах (пластины с центральным отверстием, фланцевого соединения и испытательной модели с концентраторами в сварных швах) при совместном действии механизмов мало- и многоцикловой усталости. Показано, что используемый в диссертационной работе подход позволяет качественно, а в большинстве случаев и количественно описать процессы накопления усталостных повреждений.
Достоверность полученных результатов. Достоверность подтверждается корректным математическим обоснованием ряда принимаемых положений при формулировке определяющих соотношений МПС, их соответствием основным законам механики деформируемого твердого тела, прошедшим экспериментальную проверку, сопоставлением теоретических результатов с опытными данными, применением широко распространенных критериев и моделей усталостной долговечности материалов и конструкций использованием апробированного аппарата численных методов.
Практическая ценность диссертации.
1. Разработана методика, алгоритмы и созданы программные средства для анализа усталостной долговечности материала опасных зон несущих конструкций при решении краевых задач численными методами. Благодаря комплексному учёту основных эффектов, сопутствующих механизмам мало- и многоциклового нагружения конструкционных материалов (металлов и их сплавов) данный подход может быть положен в основу различных экспертных систем по оценке ресурса конструкций.
2. Вариант определяющих соотношений МПС и методика их интегрирования реализованы в виде пакета прикладных программ, позволяющего моделировать процессы циклического упругопластического деформирования и накопления усталостных повреждений в элементарном объёме материала при любых изменениях компонент тензора деформаций.
Апробация работы. Основные положения и полученные в диссертационной работе результаты докладывались и обсуждались:
– Девятая научно-техническая конференция «Молодежь в науке». Саров, 2010;
– Шестнадцатая Нижегородская сессия молодых ученых (технические науки). ДЮООЦ “Красный плес” (Семеновский район), Нижегородская область, 2011;
– Конференция «Великие реки 2011». Н. Новгород, 2011;
– «X Всероссийский съезд по фундаментальным проблемам теоретической и прикладной механики». Н. Новгород, 2011;
– Седьмой межотраслевой семинар «Прочность и надежность оборудования». Звенигород, 2011 г;
– Десятая научно-техническая конференция «Молодежь в науке». Саров, 2011;
– Семнадцатая Нижегородская сессия молодых ученых (технические науки). Профилакторий “Морозовский” (Арзамасский район), Нижегородская область, 2012.
Работа докладывалась на семинаре кафедры «Прикладная механика и подъёмно-транспортные машины» Волжской государственной академии водного транспорта под руководством Засл. деят. науки РФ, д. ф.-м. н., проф. Ю.Г. Коротких и д. ф.-м. н., проф. И.А. Волкова.
В завершённом виде работа докладывалась на расширенном семинаре кафедры «Динамика, прочность машин и сопротивление материалов» Нижегородского государственного технического университета им. Р.Е. Алексеева под руководством Засл. деят науки РФ, д. т. н., проф. В.М. Волкова.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 научных работ, в том числе 11 статей и тезисы 3 докладов. Три статьи изданы в журналах, входящих в перечень рекомендуемых ВАК изданий.
Структура и объём диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения и списка литературы. Общий объём диссертационной работы составляет 164 страницы основного текста, включая 113 рисунка и 10 таблиц. Список литературы на 14 страницах включает 129 наименования.
Похожие диссертации на Оценка долговечности конструкции при совместных механизмах мало- и многоцикловой усталости
