Введение к работе
Актуальность темы. В современном энергетическом машиностроении широко используются конструкции, типовые геометрические формы которых представляют собой сплошные и полые цилиндры, сферические оболочки, выполненные из структурно-неоднородных материалов. Кроме того, в элементах силовых приводов объектов энергетического машиностроения используются такие высоконагруженные детали как шестерни, подшипники, втулки и т.д. Особенностью процессов эксплуатации этих элементов конструкций является возникновение внутренних напряжений: температурных, остаточных, в окрестности структурных неоднородностей и т.п. Каждый тип внутренних напряжений имеет свои характерные особенности, которые определяются физической природой их появления. Внутренние напряжения, обусловленные действием температурных полей, возникают при неоднородном распределении температуры по объему материала. Наиболее опасными являются растягивающие термонапряжения на поверхности изделий. Остаточные напряжения возникают при проведении различных технологических операций, а также в процессе эксплуатации элементов конструкций. Обычно они локализованы в приповерхностных слоях материала изделий, а также в окрестности концентраторов напряжений. К внутренним напряжениям относятся также напряжения в окрестности структурных дефектов, где наиболее интенсивно протекают физико-химические процессы при взаимодействии материала с агрессивными средами. Кроме того, перераспределение структурных несовершенств при внешних воздействиях определяет величину остаточных напряжений, что в значительной степени влияет на прочностную надежность элементов конструкций.
Безопасность и ресурс эксплуатации рассматриваемых типов элементов конструкций энергетического машиностроения во многом определяется уровнем и характером распределения внутренних напряжений. Однако, анализ теоретических и экспериментальных исследований различных авторов показывает, что при разработке новых методов исследования внутренних
напряжений различной физической природы, вопросы их управления практически не рассматриваются или развиты в недостаточной степени. В связи с этим, разработка и развитие новых методов управления внутренними напряжениями в ответственных элементах конструкций энергетического машиностроения, а также методик определения этих напряжений, несомненно представляет теоретический и прикладной интерес, чем и определяется актуальность темы диссертационной работы.
Целью диссертационной работы является разработка, математическое обоснование и практическая реализация расчетно-экспериментальных методов исследования и управления внутренними напряжениями в элементах конструкций энергетического машиностроения.
В соответствии с поставленной целью решены следующие задачи:
-
Разработаны новые расчетно-экспериментальные методики управления термонапряженным состоянием элементов конструкций энергетического машиностроения.
-
Математически обоснованы методы управления температурными напряжениями в элементах конструкций с неоднородными теплофизическими характеристиками.
-
Разработаны и апробированы измерительные стенды при исследовании термонапряженного состояния элементов конструкций энергетического машиностроения с учетом изменения их геометрии.
-
Выработаны практические рекомендации по реализации концепции управления внутренними напряжениями в технических приложениях применительно к деталям энергетических машин, оболочкам тепловыделяющих элементов и покрытиям элементов конструкций.
Научная новизна работы состоит в следующем:
1. Разработаны и на основе аппарата тензорной алгебры математически обоснованы расчетно-экспериментальные методы исследования и управления внутренними напряжениями различной физической природы.
-
Получены новые уравнения теплопроводности и определены компоненты тензора термонапряжений в цилиндрической и сферической системах координат для коэффициента теплопроводности, имеющего координатную зависимость.
-
Разработаны, развиты и экспериментально реализованы методики компьютерного моделирования температурных напряжений в неоднородных элементах конструкций энергетического машиностроения.
-
Впервые экспериментально реализовано определение температурных напряжений через величину прогиба изотермической модели.
-
При исследовании температурных напряжений поляризационно-оптическим методом впервые предложено аналоговое моделирование температурных полей и температурных градиентов.
-
Показаны принципиальные возможности сохранения структурной стабильности материала в процессе эксплуатации элементов конструкций и управления диффузионной проницаемостью цилиндрических оболочек тепловыделяющих элементов за счет регулирования внутренних напряжений.
Достоверность результатов и адекватность разработанных расчетно-экспериментальных методов управления внутренними напряжениями, а также методик их определения, обеспечивается использованием фундаментальных законов механики деформируемого твердого тела, аппарата тензорного исчисления и подтверждается хорошим совпадением расчетно-теоретических решений с модельно-экспериментальными результатами исследования различных авторов.
Практическая значимость диссертационной работы. Использование разработанных методов управления внутренними напряжениями при проектировании или изготовлении элементов конструкций позволяет минимизировать уровень суммарных внутренних напряжений и повысить прочностную надежность энергетических машин за счет использования материалов с неоднородными теплофизическими характеристиками, создания остаточных напряжений противоположного знака и изменения геометрии
конструкций. Предложенные экспериментальные методики определения напряженного состояния элементов конструкций могут быть использованы в практике исследования и контроля внутренних напряжений.
Результаты диссертационной работы внедрены в расчетную практику заинтересованных организаций и используются при проектировании и изготовлении элементов конструкций, что подтверждено актами внедрений от предприятий: 1. ОАО «КБАЛ имени Л.Н. Кошкина» г. Климовск, Московской области, 2013 г. 2. ОАО «Серпуховский завод «Металлист», г. Серпухов, Московской области, 2013 г.
На защиту выносятся:
-
Математическое обоснование концепции управления внутренними напряжениями в механике деформируемого твердого тела для обеспечения прочностной надежности и ресурса эксплуатации изделий энергетического машиностроения.
-
Единый подход к определению внутренних напряжений различной физической природы в элементах конструкций и возможность их комбинации с учетом законов тензорной алгебры.
-
Методики определения температурных напряжений на основе современных информационно-измерительных технологий.
4. Синтез аналогового и поляризационно-оптического методов
определения внутренних напряжений.
-
Результаты теоретического и экспериментального анализа по управлению внутренними напряжениями для снижения их уровня в элементах конструкций энергетического машиностроения, сохранения структурной стабильности материала и управления диффузионной проницаемостью в оболочках тепловыделяющих элементов ядерных реакторов.
-
Практические рекомендации по уменьшению уровня внутренних напряжений в различных технических приложениях для обеспечения прочностной надежности и увеличения ресурса эксплуатации изделий.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах: 1. XVII Международная конференция «Физика прочности и пластичности материалов», г. Самара, 2009. 2. XVI Международный семинар «Технологические проблемы прочности», г. Подольск, 2009 г. 3. X Всероссийский симпозиум по прикладной и промышленной математике, г. Дагомыс, 2009 г. 4. Международная научно-техническая конференция «Нанотехнологии и наноматериалы», г. Москва, МГОУ, 2009 г. 5. Первые московские чтения по проблемам прочности материалов, ИКР АН, ЦНИИЧермет, г. Москва, 2009 г. 6. V Евразийская научно-практической конференция «Прочность неоднородных структур», МИСиС, г.Москва, 2010г. 7. XIВсероссийский симпозиум по прикладной и промышленной математике, г.Кисловодск, 2010 г. 8. XI Всероссийский симпозиум по прикладной и промышленной математике (осенняя сессия) г.Дагомыс, 2010 г. 9. VI Международная Конференция ФППК-2010 «Фазовые превращения и прочность кристаллов», г. Черноголовка, 2010 г. 10. XVII Международный семинар «Технологические проблемы прочности», г. Подольск, 2010 г. 11. LI Международная конференция «Актуальные проблемы прочности», г.Харьков, 2011г. 12. Международная научно-практическая конференция «Актуальные задачи математического моделирования и информационных технологий», г.Сочи, 2011г. 13. VI Международный симпозиум «Фуллерены и наноструктуры в конденсированных средах», г. Минск, 2011г. 14. XII Всероссийский симпозиум по прикладной и промышленной математике, (осенняя открытая сессия), г. Сочи-Адлер, 2011 г. 15. XX Петербургские чтения по проблемам прочности, г. Санкт-Петербург, 2012 г. 16. Международная научно-практическая конференция «Актуальные задачи математического моделирования и информационных технологий», г.Сочи, 2012 г. 17. XII Всероссийский симпозиум по прикладной и промышленной математике, г.Петрозаводск, 2012 г. 18. XIX Международный семинар «Технологические проблемы прочности», г. Подольск, 2012 г. 19. XIII Всероссийский симпозиум по прикладной и промышленной математике,
г. Сочи-Вардане, 2012 г. 20. Седьмая Международная конференция «Фазовые превращения и прочность кристаллов», г. Черноголовка, 2012 г. 21. Общеуниверситетский научный семинар «Механика неоднородных систем и структур» при МГОУ имени B.C. Черномырдина, Москва, 2012 г.
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 22 научных работы, включая 4 работы входящих в перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, рекомендованных ВАК РФ.
Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка используемой литературы из 113 наименований и двух приложений, в которых представлены акты внедрения результатов проведенных исследований. Общий объем диссертации 139 страниц машинописного текста, включая 35 рисунков и 5 таблиц.
