Введение к работе
Актуальность работы. В процессе эксплуатации конструкции подвергаются воздействию различных немеханические факторов, которые могут существенно изменить как механические свойства, так и напряженно-деформированное состояние (НДС). К таким факторам можно отнести температуру, радиацию, изменение внутренней структуры материала (образование пор и включений). Учет этих факторов важен, например, для изделий из резины, для конструкций, используемых в атомной промышленности. При решении задач продления эксплуатации конструкций, внедрения новых материалов в конструкции, подверженные сложным техногенным воздействиям, возникает необходимость в более адекватном описании и имитационном моделировании.
При решении технических задач механики деформируемого твердого тела, исследователи часто сталкиваются с необходимостью учета контактного взаимодействия. Поэтому решению контактных задач посвящено множество работ. Часть работ посвящена численно-аналитическим методам расчета контакта. Однако такие методы подходят в основном для тел с простой и канонической геометрией, и зачастую некоторые из контактирующих тел принимаются недеформируемыми.
Существенно расширить круг решаемых контактных задач позволяют численные методы (метод конечных элементов, метод конечных разностей, метод конечных объемов и др.). В настоящее время это направление активно развивается. Однако одновременное существование большого количества методов говорит о том, что они не идеальны и работа в этом направлении должна быть продолжена.
Другим немаловажным аспектом при решении технических задач может стать немеханическое воздействие. Так, длительное воздействие радиации или температуры может существенно изменить внутреннюю структуру подвергающегося воздействию материала, что ведет к изменению механических свойств материала. Учет этих изменений крайне важен, так как непредвиденное поведение конструкций в зоне высокой радиации может привести к катастрофе. В работе предложен вариант учета подобного немеханического воздействия.
Учет изменения свойств материала под действием напряжений позволяет моделировать образование и развитие зон предразрушения. Это позволит расширить область применения алгоритма и использовать его для моделирования разрушения.
Для анализа условий безопасной эксплуатации ядерного топлива водо-водяного энергетического реактора (ВВЭР) необходимо моделирование поведения тепловыделяющего элемента (твэла), включающее в себя механическое взаимодействие топливных таблеток и оболочки. Определение пиковых механических напряжений в оболочке позволяет оценить опасность разрушения твэла при маневрировании линейной мощностью тепловыделения. Упрощенная осесимметричная модель не позволяет получить адекватную картину НДС оболочки твэла. Одной из целей работы является создание программного модуля моделирования в рамках интегрального топливного кода РТОП (Реакторное ТОПливо) механического взаимодействия топлива и оболочки.
Цель работы. Разработка комплексной модели НДС тепловыделяющего элемента с учетом механического и немеханического воздействий, контактного взаимодействия (включая трение и проскальзывание), образования и развития зоны предразрушения; алгоритмическая и программная реализация этой модели на основе метода конечных элементов (МКЭ).
Методы исследования. Теоретические исследования процессов выполнены с применением основных положений механики деформируемого твердого тела и базируются на использовании МКЭ и численных методов математики. Результаты численного моделирования сопоставляются с экспериментальными данными.
На защиту выносятся:
Модификация модели, описывающей изменения свойств среды при нагружении и немеханическом воздействии.
Модификация алгоритма решения контактной задачи с использованием контактной псевдосреды.
Разработка программного модуля для имитационного моделирования НДС тепловыделяющего элемента.
Результаты решения частных задач о контактном взаимодействии с учетом немеханического воздействия и изменения свойств среды под действием напряжений.
Научная новизна работы. В работе впервые представлена комплексная модель НДС тепловыделяющего элемента, учитывающая контактное взаимодействие, неоднородность свойств материала (вследствие внешнего воздействия), температурные напряжения, образование и развитие зон предразрушения.
Построен алгоритм расчета на основе данной модели с использованием МКЭ. Реализован программный модуль для проведения имитационного моделирования тепловыделяющего элемента, который за счет использования современных компьютерных технологии распараллеливания вычисления CUDA и OpenMP позволяет сократить время расчета в 5 - 7 раз по сравнению с расчетом на одном процессоре.
Достоверность результатов. Достоверность результатов обеспечивается обоснованностью использованных теоретических зависимостей, корректностью постановки задач, применением известных математических методов и подтверждается качественным и количественным совпадением результатов для частных, предельных случаев и экспериментов.
Практическая ценность и реализация работы. Ценность работы состоит в создании программного модуля, с помощью которого решена важная задача о контактном взаимодействии сектора цилиндра с сектором цилиндрической оболочки, а также возможность включения данного модуля в CAE систему.
Интеграция расчетного модуля в пакет проекта FIDESYS (Поддержка Сколково).
Результаты использовались при выполнении договора на проведение НИР “Реализация технологии CUDA для численного решения задач термомеханического поведения ядерного топлива”.
Получено решение контактной задачи с материалом, изменяющим свойства при нагружении. Программный модуль, реализующий решение данной задачи, может быть использован для имитационного моделирования в сфере ядерной энергетики.
Апробация. Основные положения диссертации доложены на следующих научно-технических конференциях: «Проблемы шин и резинокордовых композитов». Москва, 2005; «Современные проблемы механики, математики и информатики». Тула, 2005; «Ломоносовские чтения». Москва, 2006, 2007; Международной научной конференции «Современные проблемы механики, математики и информатики». Тула, 2008; European Conference on Computational Mechanics «ECCM 2010 IV». Paris, 2010; «XII научно-техническая конференция молодых ученых, аспирантов, студентов РХТУ им. Д.И. Менделеева (Новомосковский филиал)». Новомосковск, 2010; Международной научной конференции «Современные проблемы механики, математики и информатики» Тула, 2010; Международном молодежном научном форуме «Ломоносов - 2011».Москва, 2011.
Публикации. Результаты диссертации опубликованы в 12 работах, в том числе 3 статьи - в изданиях, рекомендованных ВАК.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, общих выводов по работе, списка литературы, приложений.
Похожие диссертации на Математическая модель и методы исследования контактного взаимодействия при температурном и радиационном воздействии на тело
