Введение к работе
Диссертация посвящена разработке одного из возможных методов оценки прочности высоконагруженных элементов конструкций машин с учётом их повреждаемости в течение жизненного цикла.
Актуальность темы
Решение задач обеспечения эффективности, надёжности и безопасности сложных, наукоёмких, высоконагруженных машин (какими являются авиационные газотурбинные двигатели - АГТД) на всех стадиях жизненного цикла (ЖЦ) требует реализации новых подходов к обеспечению прочности и долговечности деталей и узлов двигателя. Такие подходы должны базироваться как на использовании современных методов и систем связанного численного анализа газодинамических процессов, теплового и напряжённо-деформированного состояний реальных конструкций, так и адекватных решаемой задаче моделей поведения сред и конструкционных материалов. Развитие таких методов - одна из актуальных задач в машиностроении.
При современных требованиях к ресурсным показателям авиационных двигателей критическим для основных деталей (разрушение не локализуется внутри двигателя и критично для объекта) становится повреждение по механизму малоцикловой усталости (МЦУ). По статистике за большинство случаев разрушения основных деталей двигателей ответственен механизм МЦУ. Как минимум, в половине таких случаев решающим оказывается технологическое повреждение. Переход к высшим стратегиям управления ресурсами при эксплуатации по техническому состоянию (ЭТС), использование литейных и микрогранульных заготовок основных деталей требуют обязательного анализа долговечности деталей с трещиной. Поэтому задача достоверной оценки прочности и долговечности элементов конструкций в условиях больших циклических деформаций как на стадии зарождения (с учётом технологического повреждения), так и на стадии развития трещины становится весьма актуальной.
Оценка прочности элементов конструкций в процессе эксплуатации тесно связана с анализом процессов накопления повреждения, хрупкого и упругопластического разрушения материала конструкции, представляемого как процессы зарождения и распространения трещины.
В настоящее время анализ накопления повреждения до появления трещины строится на корреляциях, связывающих нагрузку (для МЦУ - полную деформацию) и долговечность при заданных условиях испытаний при проведении экспериментов на стандартных образцах.
Анализ процессов хрупкого и упругопластического разрушения в нелинейной постановке строится на основе инвариантного J-интеграла (или коэффициентов интенсивности напряжений) и представляет взгляд на пластическую область в окрестности вершины трещины со стороны нелинейно упругой части тела. При этом параметры, необходимые для анализа развития трещины в реальной конструкции и расчёта критического размера трещины, определяются на базе экспериментов на стандартных образцах.
В то же время существует основной параметр, отличающий теорию пластичности от теории упругости - диссипация механической работы внутренних сил. Этот параметр существенно влияет на зарождение трещины, в том числе с учётом технологического повреждения, и определяет её развитие.
В связи с этим актуальным является альтернативное рассмотрение окрестности зоны локализации пластических деформаций с точки зрения теории пластичности (упрочняющегося жёсткопластического тела и, в частности, идеального жёсткопластического тела). Такой подход позволяет аналитически оценивать диссипативные процессы, приводящие к зарождению трещины и её распространению в условиях больших циклических деформаций с учётом технологических повреждений конструкции. Созданные на его базе методы анализа весьма актуальны для обеспечения современных стратегий ЭТС благодаря достоверной оценке прочности и долговечности элементов конструкций при использовании единой модели материала в критической зоне конструкции.
Объектом исследования являются процессы накопления повреждения, образования и развития макродефектов (трещин) в материале высокона-груженных конструкций в течение их жизненного цикла.
Предметом исследования являются диссипативные процессы в материале конструкции, приводящие к зарождению трещины и её распространению в условиях больших пластических деформаций с учётом технологического повреждения при изготовлении.
Целью работы является разработка основ деформационно-энергетического метода оценки прочности и долговечности высоконагружен-ных элементов конструкции машин с учётом их повреждаемости для обеспечения надёжности и безопасности машин на всех стадиях ЖЦ.
Задачи исследования на данном этапе сформулированы следующим образом:
анализ моделей и существующих методов расчёта прочности и долговечности высоконагруженных деталей машин;
разработка критериев зарождения и развития трещины в окрестности локализации пластических деформаций;
разработка алгоритма определения констант разрушения, характеризующих условия зарождения и скорость распространения трещины в материале детали с учётом технологических и эксплуатационных повреждений;
решение модельных задач оценки необходимых для реализации предлагаемого подхода свойств конструкционных материалов на образцах;
построение численно-аналитического алгоритма обработки результатов эксперимента на модельных задачах;
анализ долговечности переднего дефлектора турбины высокого давления АГТД до появления макродефекта, сравнение результатов расчётов, натурных испытаний и исследований, анализ возможности учёта технологического повреждения.
Методы исследований
Работа выполнена на основе методов теорий упругости, пластичности и механики разрушения с привлечением численных методов, реализованных в пакете ANSYS, а также результатов испытаний стандартных образцов.
Научная новизна состоит в разработке метода оценки прочности и циклической долговечности элементов конструкций с учётом их повреждения в процессе изготовления и эксплуатации; методики определения специальных характеристик конструкционных материалов по зарождению и распространению трещин на основе предложенного деформационно-энергетического критерия разрушения материалов.
Достоверность полученных результатов обеспечивается строгостью математической постановки краевых задач, применением апробированных численных и аналитических методов расчёта, установлением связи с известными методами оценки малоцикловой усталости элементов конструкций и образцов на основе формулы Коффина-Мэнсона.
Практическая ценность работы состоит в следующем.
Разработан и предложен метод оценки прочности элементов конструкций с учётом истории деформирования материала при малоцикловых пластических деформациях.
Предложена методика расчёта характеристик разрушения различных конструкционных материалов.
Предложена методика обработки экспериментальных исследований при стандартных испытаниях образцов на разрыв, МЦУ, трещиностойкость.
Разработана методика расчёта процессов зарождения и распространения трещин в модельных задачах, которая распространяется на реальные элементы АГТД.
Разработана методика оценки влияния технологического повреждения детали в процессе изготовления на её долговечность.
Основные результаты получены при финансовой поддержке Федерального агентства по образованию РФ (РНП 2.1.1/14141 - «Теоретические и экспериментальные исследования влияния диссипативных процессов на механические характеристики и разрушение материалов»).
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на научных российских и международных конференциях: Всероссийской научной конференции с международным участием «Математическое моделирование и краевые задачи» (Самара, 2006, 2010, 2011 гг.); международной научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развития двигателе-строения» (Самара, 2006, 2009, 2011 гг.); The 16th European Conference of Fracture (Alexandroupolis, Greece, 2006); Всероссийском съезде по теоретической и прикладной механике (Нижний Новгород, 2006, 2011 гг.); Всероссийской конференции, посвященной 70-летию академика В.П. Мясникова «Фундаментальные и прикладные вопросы механики» (Владивосток, 2006 г.); 1st International Congress on Microreliability and Nanoreliability in Key Technology Applications (MicroNanoReliability 2007) (Berlin, Germany, 2007); The
Interquadrennial Conference. Fracture Mechanics in Design of Fracture Resistant Materials and Structures (Moscow, Russia, 2007); The 7th International Conference on Reliability of Materials and Structures (RELMAS'2008) (St. Peterburg, 2008); VII Международной конференции «Лаврентьевские чтения по математике, механике и физике», посвященной 110-летию со дня рождения академика М.А. Лаврентьева (Новосибирск, 2010 г.); международной конференции «Актуальные проблемы прикладной математики, информатики и механики», посвященной 80-летию Д.Д. Ивлева (Воронеж, 2010); V Российской научно-технической конференции «Ресурс и диагностика материалов и конструкций», (Екатеринбург, 2011).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 31 научная работа, в том числе 9 статей в изданиях, определённых ВАК РФ, 1 свидетельство о регистрации программ для ЭВМ.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения и списка используемой литературы из 127 наименований. Объём работы - 160 страниц, в том числе 83 рисунка.
