Введение к работе
Актуальность темы. Для современной нефтеперерабатывающей, химической и металлургической промышленности актуальна проблема снижения материалоемкости конструкций в условиях коррозионно-силовых воздействий, при обеспечении их надежности. Причиной коррозии являются агрессивные эксплуатационные среды природного или техногенного характера, которые ухудшают физико-механические свойства материала конструкции и приводят к накоплению необратимых рассеянных повреждений. Приобретенные изменения однородности прочностных и деформационных характеристик конструкционного материала называют наведенными. Изгибаемые прямоугольные пластины являются довольно распространенными элементами конструкций, работающих в агрессивных средах. Разрушение пластин происходит под совместным воздействием нагрузки и среды, представляющей собой физико-химические процессы, происходящие на поверхности и в объеме исследуемых элементов.
Среди вредных технологических примесей водород занимает особое место, благодаря своей высокой подвижности в титановых сплавах в широком температурном диапазоне. Вопросам учета воздействия водородосодержащей среды в разное время уделяли свое внимание Г.Ч. Черепанов, Б.Ф. Юрайдо, В.И. Астафьев, Н.Н. Сергеев, Э.С. Макаров, В.Я. Суворин, И.К. Федотов, B.C. Харин, Т.Я. Гервиц, Г.В. Васильков, В.Л. Баранов, В.В. Извольский, И.Г. Овчинников, В.В. Петров, А.Б. Рассада, Н.Ф. Синева, Л.А. Кириллова, В.К. Иноземцев, A.M. Локощенко и другие.
Водородосодержащая среда, проникая в элементы конструкций, выполненные из материалов изначально не чувствительных к виду напряженного состояния, приводит к значительному изменению механических свойств в растянутых зонах, практически не оказывая влияния на сжатые зоны. К подобным материалам относятся титановые сплавы ВТ1-0 и ТС5. Изначально, одинаково сопротивляющиеся растяжению и сжатию материалы приобретают свойства наведенной разносопротивляемости, что обуславливает необходимость учета влияния активных сред с привлечением моделей механики, учитывающих чувствительность свойств материалов к виду напряженного состояния. Развитие методов расчета пластинок, изгибаемых в агрессивных средах, является непременным условием для проектирования оптимальных и надежных конструкций.
Актуальность рассматриваемой проблемы, малая степень разработанности, необходимость численного исследования с выявлением эффектов ухудшения механических характеристик материала пластинок, работающих в агрессивных средах, обусловили выбор темы, постановку цели и задач работы.
Целью диссертационной работы является построение модели и решение задач деформирования прямоугольных пластин при больших прогибах, выполненных из материалов, которые в процессе воздействия активных эксплуатационных сред изменяют свои механические характеристики.
Задачи исследования. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
-
провести анализ и систематизацию экспериментальных данных по влиянию агрессивных рабочих сред на поведение конструкционных материалов и методов построения расчетных схем;
-
построить модель материала, взаимодействующего с водородосодержащеи средой, приняв за основу наиболее подходящие для учета свойств наведенной разносопротивляемости известные уравнения состояния;
-
выполнить математическое моделирование напряженно-деформированного состояния (НДС) тонких прямоугольных пластин, опертых по контуру и работающих в условиях совместного воздействия поперечной нагрузки и активной водородосодержащеи среды;
-
разработать алгоритм и программное обеспечение для решения поставленной прикладной задачи на ЭВМ;
-
выполнить численное исследование влияния воздействия активной водородосодержащеи среды на деформирование тонких квадратных пластин выполненных из титановых сплавов ВТ1-0 и ТС5;
-
получить возможные количественные и качественные оценки влияния наво-дороживания на НДС исследуемых пластин;
-
проанализировать полученные результаты и сформулировать рекомендации по расчету конструкций из материалов, для которых свойственно водородное охрупчивание.
Объект исследования - квадратные в плане тонкие пластины, выполненные из титановых сплавов ВТ1-0 и ТС5, жестко защемленные по контуру, изгибаемые в условиях совместного воздействия поперечной равномерно распределенной нагрузки и активной водородосодержащеи эксплуатационной среды, при прогибах порядка толщины этих пластин.
Предмет исследования - новые количественные и качественные оценки влияния концентрации агрессивной среды в теле материала на НДС конкретных элементов конструкций.
Методы исследования, использованные в диссертационной работе:
-
общепринятые и строго обоснованные методы математического моделирования и исследования поведения объекта путем проведения численных экспериментов;
-
метод конечных элементов (МКЭ) для построения дискретной модели конструктивного элемента и проведения деформационного расчета;
-
метод последовательных нагружений В.В. Петрова (МПН), на каждом шаге которого выполняется уточняющая итерационная процедура по методу упругих решений А.А. Ильюшина.
Научная новизна работы заключается в следующем: 1) автором разработана новая, более точная по сравнению с существующими, модель влияния проникновения в материал активной среды на деформиро-
вание элементов конструкций из материалов с приобретенной чувствительностью к виду напряженного состояния, позволяющая решать не только плоские, но и объемные задачи механики деформируемого твердого тела, при этом возможен выбор любой конфигурации конструкционного элемента и условий закрепления;
-
получены новые значения констант титановых сплавов ВТ 1-0 и ТС5 на фиксированных уровнях наводороживания, с учетом неизменности жесткостных свойств для напряженных состояний, в которых отсутствует растяжение;
-
определены новые функциональные зависимости механических характеристик титановых сплавов ВТ 1-0 и ТС5 от уровня наводороживания;
-
получены новые количественные оценки влияния концентрации водородо-содержащей среды на НДС тонких квадратных в плане пластин, выполненных из титановых сплавов ВТ1-0 и ТС5, с учетом наведенной разносопро-тивляемости.
Достоверность представленных в работе положений и выводов подтверждается: постановкой задачи, использующей общепринятые, строго обоснованные допущения и гипотезы, базирующиеся на фундаментальных законах механики; применением апробированных численных методов решения; хорошим согласованием принятых потенциальных соотношений с имеющимися экспериментальными данными для большого класса разносопротивляющихся материалов; построением математической модели, на основе традиционных зависимостей статико-геометрической природы; сравнением полученных результатов с известными практическими и теоретическими исследованиями явления газонасыщения Т.Я. Гервица, ИГ. Овчинникова и Л.А. Кирилловой, которые подтвердили реальность и физическую непротиворечивость полученных результатов; сходимостью примененного численного метода при увеличении размерности аппроксимирующей сетки конечных элементов расчетной схемы конструкционного элемента, возрастании числа шагов по нагружению и числа итераций.
Практическая и теоретическая значимость работы, выполненной в рамках госбюджетной НИР ТулГУ № 27.06 "Актуальные проблемы технологии строительных материалов и проектирования конструкций" заключается в следующем:
-
принята математическая модель, позволяющая исследовать НДС элементов конструкций из материалов, с приобретенной чувствительностью к виду напряженного состояния;
-
разработан гибкий программный комплекс, обеспечивающий возможность моделирования, расчета и исследования НДС стержневых, плоских и объемных элементов конструкций из существенно нелинейных материалов, с приобретенной чувствительностью к виду напряженного состояния, в широком диапазоне изменения механических характеристик и силовых факторов;
-
результаты данной работы могут быть использованы для проектных расчетов и для экспертизы остаточного ресурса элементов конструкций, вьшол-
ненных из различных конструкционных материалов, механические свойства которых изменяются в процессе эксплуатации, приобретая зависимость от вида напряженного состояния.
Внедрение результатов работы осуществлено в организациях: ООО «Строительное проектирование» (г. Тула), ОАО «ТУЛАОБЛГАЗ» (г. Тула), ООО НПП «СПЕЦСТРОЙАЛЬЯНС» (г. Тула). Программный продукт используется указанными организациями для экспертизы ресурса прочности конструкций при проведении проектных работ, НИР и ОКР.
Использование результатов работы подтверждено актами о внедрении. Апробация работы. Основные материалы диссертации неоднократно докладывались и обсуждались на международных и всероссийских конференциях:
-
2, 3, 4-ая магистерские научно-технические конференции Тульского государственного университета, Тула, ТулГУ, 2007 г., 2008 г., 2009 г.;
-
8, 9, 11-ая Международные научно-технические конференции «Актуальные проблемы строительства и строительной индустрии», Тула, ТулГУ, 2007 г., 2008 г., 2010 г.;
-
3, 5-ая Международные конференции по проблемам горной промышленности, строительства и энергетики «Социально экономические и экологические проблемы горной промышленности, строительства и энергетики», Тула, ТулГУ, 2007 г., 2009 г.;
-
Международная конференция «Научно-технические проблемы прогнозирования долговечности конструкций и методы их решения», СПб., СНЫ НУ, 2008 г.;
-
Международная научная конференция «Современные проблемы математики, механики, информатики», Тула, ТулГУ, 2009 г.;
-
2, 4-ая молодежные научно-практические конференции студентов Тульского государственного университета «Молодежные инновации», Тула, ТулГУ,
"2008 г., 2010 г.;
7) XXX Российская школа «Наука и технологии», Екатеринбург, Уро РАН,
2010 г.;
8) VII-й Международный научный симпозиум «Проблемы прочности, пластич
ности и устойчивости в механике деформируемого твердого тела», Тверь,
ТГТУ, 2010 г.
По результатам всех перечисленных конференций опубликованы тезисы докладов.
В полном объеме диссертация докладывалась на расширенном заседании кафедры «ССМиК» Тульского государственного университета, а также на семинаре по МДТТ им. Л.А. Толоконникова при ФГБОУ ВПО «Тульский государственный университет» в 2011 г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 23 печатные работы, в том числе 13 статей из которых 3 работы в изданиях рекомендуемых ВАК РФ
для публикации научных достижений и 10 тезисов докладов на конференциях различного уровня.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 137 наименований, приложения. Диссертация содержит 132 страницы основного текста, в том числе 7 таблиц и 91 рисунок, приложение на 5 страницах, содержащее документы о внедрении. Общий объем работы - 137 страниц.
