Введение к работе
Актуальность проблемы. Постоянно повышающиеся требования к обеспечению прочности и надёжности современных конструкций (на фоне их усложнения и увеличения эксплуатационных показателей), а также увеличеншо сроков эксплуатации используемых объектов могут быть реализованы только на основе знания напряжённо-деформированного состояния (НДС) на всех этапах жизненного цикла изделий. Современные программные комплексы (ПК) (ANSYS, NASTRAN, ABAQUS и пр.), реализующие метод конечных элементов (МКЭ), обеспечивают возможность создания достаточно точных расчётных моделей исследуемых объектов на стадии их проектирования.
Однако чем сложнее и ответственнее конструкция (технические системы ядерных реакторов, объекты химической, ракетно-космической промышленностей и пр.), тем более значимой становится оценка НДС в процессе экспериментальной апробации (исследований) конструкций и их эксплуатации. Известно, что НДС в натурной конструкции может существенно отличаться от НДС, полученного расчётным путём. Это может быть обусловлено такими обстоятельствами, как использование не вполне точной расчётной модели, погрешностей информации о реальных эксплуатационных нагрузках, наличие остаточных технологических напряжений (ОН), ползучесть и релаксация материала в отдельных зонах конструкции и пр. Данная проблема в большей мере касается объектов, давно находящихся в эксплуатации, когда имеет место существенный износ наиболее нагруженных элементов. При этом в настоящее время оценка работоспособности многих объектов современной техники, включая оборудование атомных энергетических установок, тепловых и гидроэлектростанций и других важнейших объектов на стадии эксплуатации выполняется с учётом возможного наличия дефектов.
Современные экспериментальные методы исследования НДС, базирующиеся на интерференционно-оптических способах регистрации полей деформаций или перемещений (метод фотоупругих покрытий (ФП), методы топографической интерферометрии, спекл-фотографии, электронной цифровой спекл-интерферометрии (ЭЦСИ) и корреляции цифровых изображений), обеспечивают получение непрерывной информации об НДС на поверхности исследуемого объекта. Обработка данных эксперимента позволяет определять (оценивать) величины напряжений или деформаций, имеющих место в рассматриваемой зоне конструкции, а также интегральные характеристики -усилия, параметры механики разрушения и др.
Здесь следует подчеркнуть, что традиционные способы определения параметров НДС базируются на едином методическом подходе, в основе которого лежат априори известные соотношения между искомыми параметрами и экспериментальными данными, устанавливаемые на основе известных аналитических или численных решений близких по постановке краевых задач. Это касается и методов исследования остаточных напряжений (метод Н.Н.
Давиденкова, методы последовательного стачивания - Г. Закс, И.А. Биргер и др., методы сверления отверстия, развиваемые с середины прошлого столетия до настоящего времени - J. Mathar, С. Riparbelli, R.G. Bolten, W. Ten Cate, M. Nisida, G. Schajer, JI.M. Лобанов, A.A. Антонов, В.П.Щепинов, A.A. Апальков, И.Н. Одинцев и др), и методов определения параметров механики разрушения (G.RJrvin, С. Smith, I. Epshtein, J.R.Rise, N.Levy, R.J. Sanford, J.W.Dally, J.F.Kaltoff, В.М.Маркочев, И.И. Кокшаров, M.B. Медведев и др.), и методов определения деформационных характеристик материалов на основе обработки двумерной информации о полях деформационного отклика, возникающего при нагружении (И.Н. Одинцев, В.В. Яковлев, Maeda Т., Koga Т., L Bruno, L.Pagnotta др.). Очевидно, что такого рода подходы имеют ограниченную область применения и могут содержать определённые погрешности построения модели применительно к конкретным задачам.
Указанные обстоятельства обуславливают необходимость разработки методических подходов и средств эксплуатационного контроля, позволяющих повысить точность оценки текущего состояния и работоспособности объектов с учетом их износа и выявленных дефектов (типа трещин).
Цель работы. Разработка методического подхода к определению различных параметров НДС исследуемого объекта, базирующегося на оценке соответствия больших массивов экспериментальных данных и результатов численного решения соответствующей модельной задачи, а также решение на его основе ряда практически важных задач по оценке нагруженности элементов конструкций различных типов. В отличие от традиционных методов подход не имеет принципиальных ограничений на геометрию и механические характеристики исследуемой зоны и распределение искомых параметров.
Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:
Предложен методический подход к одновременному определению параметров НДС (в том числе параметров нагружения), а также геометрических параметров исследуемого объекта на основе минимизации «общего» расхождения между экспериментальными и численными данными, при вычислении которых имеется возможность учесть различные особенности задачи.
Для реализации предложенного подхода разработан универсальный алгоритм автоматического непрерывного обмена данными между ПК ANSYSnriKMATLAB.
Разработана программа интерактивного «сбора» экспериментальной информации с картин полей откликов, адаптирующая данные для их непосредственного использования в разработанном программном комплексе.
Предложена математическая процедура решения прямой задачи на основе заранее сформированных результатов решений, образующих «банк откликов», что позволяет существенно уменьшить время решения по сравнению с непосредственным использованием МКЭ.
Разработан универсальный макрос «трещина», предназначенный для автоматического построения пространственной плоской трещины с произвольной геометрией фронта, имеющий ряд преимуществ по сравнению с предназначенными для этого процедурами в ПК ANSYS.
Разработаны методики оценки нагруженности тонкостенных элементов конструкций, в том числе со сквозными трещинами.
Разработана методика оценки нагруженности массивных областей конструкций с поверхностными трещинами.
Предложен метод комплексного анализа областей с поверхностными трещинами, заключающийся в одновременном определении параметров нагруженности области и геометрии трещины с последующим расчётом параметров механики разрушения.
Предложена методика исследования высокоградиентных разрывных полей остаточных напряжений в кусочно-однородных материалах способом сверления отверстия.
Практическая значимость работы состоит в том, что предложенный подход и разработанный на его основе вычислительный комплекс (ВК) в сочетании с интерференционно-оптическими методами позволяют проводить исследования неоднородных полей напряжений (активных и остаточных) в типовых элементах (областях) конструкций. Рассмотрены вопросы практического применения методик для оценки нагруженности тонкостенных элементов (в том числе со сквозными трещинами), оценки нагруженности массивных конструкций с поверхностными трещинами, а также анализа высокоградиентных полей ОН в биметаллах. Показана возможность одновременного определения параметров нагруженности области с поверхностной трещиной и геометрии трещины. Ввиду универсальности методики и разработанного ВК представляются возможным решения перспективных практических задач, связанных с оценкой нагруженности при упруго-пластических деформациях, дефектоскопией, а также определением характеристик деформирования материалов.
Достоверность полученных результатов подтверждается
использованием современных методов численного моделирования задач механики деформированного твёрдого тела (с привлечением ПК ANSYS), корректностью используемых при решении задачи минимизации процедур (с привлечением ПК MATLAB), выполненной в работе верификацией вычислительного комплекса (и его элементов в отдельности) на ряде тестовых задач, а также результатами численных экспериментов на типовых задачах, моделирующих влияние экспериментальных погрешностей на точность результатов.
Апробация работы. Результаты диссертации докладывались и обсуждались на Ш-й международной научной конференции «Проблемы динамики и прочности исполнительных механизмов и машин» (Астрахань, 2007), ХІХ-Й международной интернет-ориентированной конференции молодых
учёных и студентов по современным проблемам машиноведения (Москва, 2007), Научной конференции, посвященной 70-летию Института машиноведения им. А.А. Благонравова РАН, «Проблемы машиноведения» (Москва, 2008), Московском ежемесячном семинаре молодых ученых и студентов по проблемам машиноведения (Москва, 2008 и 2010 гг.), Международной научно-технической мультиконференции «Актуальные проблемы информационно-компьютерных технологий, мехатроники и робототехники» (Дивноморское, 2009), ІХ-й сессии международной научной школы, посвященной памяти В.П. Булатова, «Фундаментальные и прикладные проблемы надёжности и диагностики машин и механизмов» (Санкт-Петербург, 2009), Международной научной школе для молодёжи «Компьютерные технологии анализа инженерных задач механики» (Москва, 2009), XIV-й международной конференции по экспериментальной механике «ІСЕМ-14» (Франция, Пуатье, 2010), а также на научном семинаре по Динамике и прочности машин кафедры «Прикладная механика» МГТУ им. Н.Э. Баумана в 2011 г.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 12 научных работ, из них 5 в печатных изданиях, рекомендованных ВАК.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы из 96 наименований и двух приложений. Работа изложена на 159 страницах, содержит 51 рисунок и 8 таблиц.
