Введение к работе
Актуальность темы исследования определяется особенностью современного этапа развития техники и технологии, на котором большое значение приобретает проблема комплексного обеспечения безопасности потенциально опасных объектов техносферы. Указом Президента РФ от 7 июля 2011 г. № 899 технологии предупреждения и ликвидации чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера отнесены к критическим.
Большое значение проблемы безопасности в техносфере для России обусловлено значительной протяженностью нефте-, газо- и продуктопроводов, развитыми энергетическим комплексом и химической промышленностью, большим парком резервуаров. В общей сложности на территории Российской Федерации эксплуатируется более 100 тысяч опасных производственных объектов.
Источники возникновения чрезвычайных ситуаций относятся к трем сферам - человеческий фактор, техногенный фактор и природный фактор. В технической сфере для решения проблемы обеспечения безопасности используются достижения в области прочности машин, конструкций и средств их диагностирования.
Степень разработанности темы исследования связана с историей развития науки о прочности, которая прошла путь от классических критериев прочности до решения проблем ресурса, надежности, живучести машин и конструкций. На современном этапе ставится задача оценки риска, связанного с эксплуатацией опасных производственных объектов, составной частью которого является оценка вероятности аварийного разрушения. Вероятностные аспекты проблемы прочности рассматриваются теорией надежности. В настоящее время при значительных успехах в области системной и параметрической теорий надежности наблюдается недостаточный уровень развития физических методов расчета надежности, включающих в себя описание механизмов зарождения, развития повреждения и разрушения конструкций.
Анализ аварийных разрушений металлоконструкций показывает, что наиболее частыми причинами являются дефекты сварки, процессы усталости и коррозии металла. Нормы и методы расчетов на прочность при проектировании, как правило, только косвенно учитывают возможность повреждения конструкций через введение общих коэффициентов запаса прочности. Для конструкций в условиях эксплуатации при наличии повреждений и дефектов требуется разработка не стандартных расчетных моделей, учитывающих конкретный вид отклонений от проектных решений. При решении задач оценки безопасности эксплуатации промышленных объектов к таким моделям предъявляется дополнительное требование, а именно возможность построения на их основе физических моделей надежности. Существующие расчетные модели прочности, ресурса, живучести конструкций, как показывает их анализ, не в полной мере охватывают весь спектр практических задач и требуют дальнейшего своего развития. Несмотря на значительные успехи в области усталости конструкций, механики разрушения до настоящего времени отсутствуют модели, объединяющие стадии образования и роста усталостных трещин.
Дефектность конструкций выявляется в процессе их технического диагностирования с привлечением средств неразрушающего контроля. Наибольшее влияние на оценку надежности конструкций оказывают достоверность используемых методов контроля и объем контроля. Их ограниченность требует привлечения статистических подходов к анализу данных, полученных в ходе диагностирования. В связи с этим актуальной становится задача разработки физических методов расчета надежности конструкций, учитывающих статистический характер данных диагностирования.
Целью работы является разработка комплексного подхода к оценке надежности тонкостенных конструкций с технологическими и эксплуатационными дефектами на основе развития математических моделей предельного состояния, ресурса, живучести и надежности конструкций с учетом данных их технического диагностирования.
Задачи исследования:
1. Анализ и систематизация данных по эксплуатационным повреждениям и технологическим дефектам тонкостенных конструкций, определяющим их прочность и ресурс.
2. Объединение моделей усталости и живучести с целью разработки подхода к расчету долговечности конструкций, включающего стадии образования и роста усталостной трещины.
3. Разработка расчетных моделей предельного состояния и методик оценки ресурса и живучести тонкостенных конструкций с технологическими и эксплуатационными дефектами в виде несплошности металла, коррозии, остаточных деформаций, являющихся основой построения физических моделей надежности.
4. Создание методики расчета надежности конструкций с технологическими и эксплуатационными дефектами в условиях статического и циклического нагружения.
5. Построение общей схемы статистического анализа результатов неразрушающего контроля, позволяющей учитывать достоверность контроля при оценке надежности конструкций.
6. Отработка предлагаемых моделей оценки надежности тонкостенных конструкций с дефектами на конкретных примерах конструкций и данных их диагностирования.
Научная новизна результатов исследования:
1. Комплексный подход к оценке возможности и условий безопасной эксплуатации тонкостенных конструкций с технологическими и эксплуатационными дефектами, в основу которого положена физическая модель надежности при многопараметрическом описании дефектов, включающая в себя расчетные модели предельного состояния, ресурса и живучести конструкций, а также статистический анализ достоверности данных диагностирования.
2. Расчетная модель усталостной долговечности конструкций с концентраторами напряжений, объединяющая стадии образования и роста усталостной трещины в рамках единой модели накопления повреждений и позволяющая выполнять количественную оценку общего числа циклов нагружения от начала эксплуатации до перехода конструкции в предельное состояние.
3. Методика расчета живучести тонкостенных конструкций с остаточными деформациями в виде местного искажения формы, включающая в себя модели предельного состояния и развития усталостных трещин при совместном растяжении и изгибе и модель влияния на рост трещин пластического деформирования металла.
4. Модель оценки предельного состояния тонкостенных конструкций с несквозными дефектами типа трещин, учитывающая в рамках двухкритериального подхода особенности вязкого разрушения за счет использования пластического раскрытия ослабленного сечения в вершине трещины в качестве критериального параметра.
5. Подход к статистическому анализу результатов неразрушающего контроля, позволяющий осуществить переход от плотности распределения регистрируемых показаний прибора контроля к плотности распределения параметров дефектов, обнаруженных и пропущенных при контроле.
Теоретическая значимость исследования:
1. Решение задачи оценки вероятности безотказной работы конструкций при случайном характере параметров дефектов с учетом показателей достоверности неразрушающих методов контроля и использовании моделей образования и роста усталостных трещин является вкладом в развитие теории надежности машин и конструкций.
2. Объединенная модель образования и роста усталостных трещин в концентраторах напряжений является вкладом в развитие теории усталостного разрушения конструкций.
3. Предложенные модели предельного состояния тонкостенных конструкций с дефектами типа трещин и модели учета влияния на скорость роста усталостных трещин дополнительного изгиба и пластического деформирования металла являются развитием теоретических положений механики разрушения.
Практическая значимость исследования:
1. Разработанный комплексный подход к количественной оценке показателей надежности тонкостенных конструкций с дефектами и повреждениями позволяет:
- на стадии создания конструкций разработать требования к качеству изготовления и объему контроля для заданных условий эксплуатации;
- на стадии эксплуатации обосновать периодичность и объем диагностических работ.
2. Предложенные модели оценки предельного состояния тонкостенных конструкций с повреждениями в виде местной коррозии, с дефектами несплошности металла типа трещин позволяют обосновать нормы отбраковки конструкций при их диагностировании.
3. Разработанная модель усталостного разрушения в концентраторах напряжений, объединяющая стадии образования и роста усталостной трещины, позволяет в инженерных расчетах получить оценку эффективного коэффициента концентрации напряжений, определить начальный размер образующейся усталостной трещины и выполнить расчет суммарного ресурса работы конструкции от начала ее эксплуатации до перехода в предельное состояние.
4. Предложенные методики оценки ресурса тонкостенных конструкций с неравномерной коррозией и живучести при наличии дефектов типа трещин в зоне остаточных деформаций позволяют обосновать сроки эксплуатации конструкций с указанными дефектами.
5. Созданные в ходе исследования расчетные модели, алгоритмы и программные продукты являются эффективным средством для повышения производительности, научной обоснованности и достоверности выполнения диагностических работ с использованием неразрушающих методов контроля.
Методология исследования основана на использовании обще- и частнонаучных методов познания. Системный подход положен в основу комплексного рассмотрения проблемы безопасности объектов техносферы, включающего взаимосвязанный анализ моделей прочности, ресурса, надежности конструкций и достоверности методов контроля. Решение задач предельного состояния, усталостной долговечности и надежности конструкций с дефектами основано на использовании теоретических и эмпирических методов исследования, разработанных в области математического анализа, теории пластичности, механики разрушения, статистики и теории надежности.
Положения, выносимые на защиту:
1. Комплексный подход к оценке вероятности безотказной работы тонкостенных конструкций с технологическими и эксплуатационными дефектами, параметры которых описываются случайными величинами, основанный на использовании моделей предельного состояния, ресурса, живучести конструкций, а также статистического анализа данных диагностирования.
2. Модель усталостной долговечности конструкций с концентраторами напряжений, объединяющая стадии образования и роста усталостной трещины.
3. Методика расчета живучести тонкостенных конструкций с остаточными деформациями в виде местного искажения формы.
4. Вариант двухкритериального подхода оценки предельного состояния тонкостенных конструкций с несквозными дефектами типа трещин.
5. Подход к статистическому анализу достоверности результатов неразрушающего контроля.
Достоверность результатов работы подтверждается хорошим соответствием с экспериментальными данными, представленными как в известных работах других авторов, так и полученными в настоящем исследовании, а также применением известных достижений фундаментальных и прикладных наук, использованием современной вычислительной техники и апробированных прикладных программ.
Апробация результатов работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях, симпозиумах и съездах: шестом Всесоюзном симпозиуме «Малоцикловая усталость» (Кишинёв, 1991 г.), семинаре ИПМаш РАН (С. Петербург, 1992 г.), Всероссийской научно-технической конференции «Прочность и живучесть конструкций» (Вологда 1993 г.), XIV Российской научно-технической конференции «Неразрушающий контроль и диагностика» (Москва, 1996 г.), Всероссийской научно-технической конференции памяти В.М.Керичева «Современные технологии в кораблестроительном образовании, науке и производстве» (Н.Новгород, 2002 г.), Всероссийской научно-технической конференции памяти Алексеева Р.Е. и Африкантова И.И. «Современные технологии в кораблестроительном и энергетическом образовании, науке и производстве» (Н.Новгород, 2006 г.), IX Всероссийском съезде по теоретической и прикладной механике (Н. Новгород, 2006 г.), Всероссийской научно-технической конференции «Фундаментальные проблемы машиноведения. Новые технологии и материалы» (Н. Новгород, 2006 г.), XLVII Международной конференции «Актуальные проблемы прочности» (Н. Новгород, 2008 г.), Всероссийской научно-технической конференции «Современные технологии в кораблестроительном и авиационном образовании, науке и производстве» (Н. Новгород, 2009 г.), X Всероссийском съезде по фундаментальным проблемам теоретической и прикладной механике (Н. Новгород, 2011 г.).
В законченном виде работа докладывалась на семинаре в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте проблем машиностроения РАН (г. Нижний Новгород).
