Введение к работе
Актуальность темы. Проблема безопасности сложных технических систем (СТС), народнохозяйственных объектов и технологических процессов зашшаэт одно из лидирующих месч среди актуальных задач, стоящих перед современной промышленностью, наукой и техникой . Такое пристальное внимание к проблеме безопасности обусловлено повышением мощности, уровня воздействия различных физических полей, нагруженное действукшх и создаваемых технических систем, техногенные аварий которых приводят к огромным материальным потерям и невосполнимым негативным экологическим последствиям. Так, например, по данным Национального бюро стандартов США суммарные затраты в экономике США, связанные с возмещением ущерба от непреднамеренных разрушений конструкций, а также с мероприятиями, направленными на предотвращение разрушений, составляют десятки и сотни млрд. долларов в год.
Именно крупномасштабные разрушения несущих элементов конструкций и деталей машин приводят к максимально возможному ущербу. Эти разрушения непосредственно связаны как с проявлением огромной роли человеческого фактора, так и с существенной ролью внутренних (материаловедческих) и внешних (механического воздействия) факторов.
Кроме того, возникновение аварий и катастроф, как правило, сопровождаются развитием существующих технологических трещинопо-добных дефектов и образованием трещин в зонах повышенной концентрации напряжений. Поэтому, решение проблемы обеспечения безопасности СТС включает в себя решение проблемы анализа и обеспечения безопасности и живучести несущих элементов конструкций и деталей машин в сильно поврежденных состояниях по критериям нелинейной механики разрушения. Причины столь значительного проявления материаловедческих факторов и механических воздействий при возникновении катастрофических (аварийных) состояний СТС заключаются в следу щем:
недостаточное внедрение существующих современных методов расчета, контроля, современной технологии, а также использованием устаревших норм и стандартов;
недостаточная разработка и использование современных на-
- A -
учных методов;
- отсутствие принципиально новых высокопрочных материалов с пониженной дефектностью и высокой живучестью.
Следовательно, создание научных основ анализа и обеспечения безопасности и живучести СТС (как механических систем) при наличии и возникновении в ее элементах трещиноподобных дефектов ЯВ-~ ляется актуальной проблемой в общей концепции обеспечения безопасности СГС, народнохозяйственных объектов и технологических процессов. Для решения поставленной проблемы привлечены современные теоретические и экспериментальные модели и методы механики разрушения.
Цель работы. Основной целью работы является разработка научных основ и унифицированных методов анализа и обеспечения живучести и Оезопасности технических систем в сильно повревденных состояниях по критериям нелинейной механики разрушения.
Научная новизна. Разработаны научные основы анализа живу
чести и безопасности повревденных трещинами технических систем
по критериям нелинейной механики разрушения. Научные основы ана
лиза безопасности и живучести исходят из: теоретически установ
ленных фундаментальных перекрестных связей между критериальными
характеристиками нелинейной механики разрушения; методологически
общей схемы, расчета на прочность и живучесть несущих элементов
конструкций в условиях экстремальных нагрузок независимо от ис
пользуемого критерия разрушения; рассмотрения прочности, безо
пасности и живучести в детерминированной и вероятностно-
етаткстической постановке с установлением логической количест
венной связи между критериальными подходами (прочности, механики
разрушения, безопасности, риска и живучести); научно обоснован
ного единого расчета коэффициентов безопасности (запаса), живу
чести и установлением области допустимых состояний повревденных
технических систем. \
На основе концепции повреждаемости и представлений о единой природе нелинейных эволюционных процессов деформирования и разрушения разработан методологически единый подход к аналитическому описанию различных процессов деформирования и разрушения твердых тел. Получены принцип суммирования повреждений и эволюционное соотношение для оценки критического времени до достшке-
ния телом предельного состояния при заданном управляющем параметре для исследуемого процесса деформирования или разрушения. Предложенный эволюционный подход позволил получить аналитические соотношения для анализа закономерностей контактной усталости, заровдения и роста усталостных трещин, кинетики коррозионного растрескивания, сдвига критической температуры хрупкости в область положительных температур в результате коррозионных, радиационных и других видов повреждений металла.
Разработан комплекс новых критериальных соотношений и методов анализа прочности и живучести тел с конструкционными концентраторами напряжений и трещинами при развитых пластических деформациях в условиях зарождения, докритического и усталостного роста трещин. Установлены фундаментальные аналитические соотношения для прогнозирования перода зарождения трещины у конструкционных концентраторов напряжений и ее распространения при мало-цикловом нагружении. Показана связь закономерностей зарождения и роста усталостных трещин.
Развитие метода делительных сеток применительно к задачам нелинейной механики разрушения позволило впервые экспериментально исследовать и установить приближенную контурную ;швариант-ность энергетического j-интеграла, а также обосновать использование концепции энергетического интеграла в условиях плоского напряженного состояния при больших пластических деформациях;
Практическая значимость. Разработаны унифицированные инженерные методы анализа живучести и безопасности и обоснования области допустимых состояний сильно повревденных технических систем на основе подходов нелинейной механики разрушения в детерминированной и вероятностно-статистической постановке. Предложены принципы учета повреждений элементов конструкций, обусловленные воздействием на материал механических нагрузок, коррозионных сред и физических полей, в общей схеме анализа безопасности и живучести технических систем. На основе предложенных унифицированных методов методов расчета на прочность, живучесть и безопасность представляется возможным разработка унифицированной и объектовой нормативно-технической базы нормирования коэффициентов запаса, безопасности и кивучести по критериям механики разрушения.
- б -
С использованием предложенных унифицированных мєтодое установлены области безопасных (допустимых) состояний сильно поврежденных конструкций с трещинами: магистральных трубопроводов при наличии коррозионных повреждений металла, корпуса реактора ВВЭР-1000 с поднаплавочной трещиной при аварийных режимах, оболочек тепловыделяющих элементов реакторов типа БН в условиях науглероживания, пластически деформированных сварных соединений руллони-рованных сферических оболочек. Дан анализ аварийного режима работы авиационных ГГД при зароадешш и доломе рабочей лопатки турбины.
На основе материаловедческих аспектов безопасности технических систем сформулированы принципы обеспечения их безопасности посредством торможения развития трещин как на стадии выбора материала и технологии изготовления, так и при наличии уке существующих и распространяющихся трещин. Рассмотрены принципы оптимизации трещиностойкости тонколистовых пластичных металлов с помощью конструкционно-технологических факторов и в связи с "нечувствительностью" металла к трещине при экстремальных нагрузках, а также принципы повышения живучести несущих элементов конструкций и деталей машин путем торможения распространяющихся трещин. Разработаны и защищены авторскими свидетельствами способы торможения распространяющихся трещин ползучести.
С использованием развитого метода делительных сеток и деформационной теории пластичности разработан комплекс принципиально новых прямых экспериментально-расчетных методик определения статических, квазистатических и динамических критериальных характеристик трещиностойкости тонколистовых пластичных металлов и тонкостенных элементов конструкцій с трещинами в условиях больших пластических деформаций. Комплекс методик оформлен в виде научно-методических рекомендаций Российской ассоциации КОДАС.
Диссертационная работа выполнена в соответствии с комплексной научно-технической программой ГКЫГ СССР 0Ц.001 (задание 01.07); планами проведения исследований МНТК "Антикор" ГИЛ СССР и Академии наук СССР; Государственной научно-технической программой "Безопасность населения и народнохозяйственных объектов с учетом риска возникновения природных и техногенных катастроф".
Результаты работа использованы во ВНЖАЭС, ВНИИНМ. ЦНИИМАШ, ІЩЖГМАШ.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы были долокены на: 4 Всесоюзной конференции "Физика разрушения" (г. Киев, 1980 г.); 4 Всесоюзном семинаре "Оптико-геометрические метода исследования деформации и напряжений и их стандартизация" (Менделеево, Моск. обл., 1982 г.); Всесоюзной конференции "Численная реализация физико-механических задач , прочности" (г. Горький, 1983 г.); осенней конференции по проблеме разрушения металлов "Перспективы повышения сопротивления материалов и конструкций вязкому разрушении" (г. Москва, 1983 г.); совместном заседании научно-методической комиссии по стандартизации в области механики разрушения секции "Расчеты и испытания на прочность" ETC Госстандарта и рабочей группы по заданию 01.07 целевой программы ОЦ.О0І ГКНТ, Госплана и АН СССР (г. Баку, 1984 г.); 2 Всесоюзном симпозиуме "Прочность материалов и элементов конструкций при сложном напряженном состоянии" (г. Киев, 1984 г.); 2 Всесоюзном симпозиуме "Механика разрушения" (г. Житомир, 1985 г.); 1 Всесоюзной конференции "Механика разрушения материалов" (г. Львов, 1987 г.); 7 Европейской конференции по механике разрушения (г. Будапешт, 1988 г.); Всесоюзном научно-техническом семинаре "Прогнозирование надежности эксплуатации оборудования химических и нефтехимических производств но данным неразрушающе-го контроля" (г. Краснодар, 1988 г.); 5 Республиканской конференции "Коррозия металлов под напряжением и метода защиты" (г. Львов, 1989 г.); 3 Всесоюзном симпозиуме "Механика разрушения" (г. Житомир, 1990 г.); Весенней конференции по проблеме разрушения металлов "Опыт использования критериев механики разрушения при проектировании, эксплуатации и контроле элементов конструкций" (г. Москва, 1990 г.); Meвдународной конференции "Зарождение и рост трещин в металлах и в керамике - роль структуры и окружающей среды" (г. Варна, 1991 г.); Ю Международном конгрессе по испытанию материалов (г. Будапешт, 1991 г.); научно-технической конференции "Живучесть и безопасность конструкций технических систем" (г. Красноярск, 1991 г.); 9 Европейской конференции по разрушению (г. Варна, 1992 г.).
Публикации. Основные, результаты, изложенные в дисссертации,
опубликованы в 43 научных статьях. Получено 2 авторских свидетельства.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка литературы. Диссертация изложена на зоб страницах с 92 рисунками и 25 таблицами. Список литературы включает 183 наименований.
