Введение к работе
Актуальность темы. Одной из важнейших задач проектирования и эксплуатации конструкций и аппаратов новой техники является задача надежной оценки их ресурса, диагностики выработанного и прогноза остаточного ресурса в процессе эксплуатации. Эта задача особенно актуальна для инженерных объектов, срок службы которых составляет несколько десятков лет (ядерные энергетические установки, химическое оборудование, магистральные газо- и нефтепроводы и т. п.).
Эксплуатационные условия работы этих объектов характеризуются многопараметрическими нестационарными термосиловыми воздействиями внешних полей различной природы, приводящими к развитию различных механизмов деградации начальных прочностных свойств конструкционных материалов и исчерпанию начального ресурса конструктивных узлов инженерного объекта. Решение этой проблемы предполагает, наряду с использованием средств не-разрушающего контроля состояния материала критических зон оборудования, разработку средств математического моделирования процессов деформирования и исчерпания ресурса материала, определяемых их фактической эксплуатационной нагруженностью.
Классические методы предсказания усталостной долговечности при помощи полуэмпирических формул (правил), основанные на стабилизированном анализе процесса деформирования и связывающие параметры петель упругопластического деформирования с числом циклов до разрушения требует большого количества экспериментальной информациии справедливы только для узкого класса режимов нагружения.
В последние годы для решения таких задач успешно развивается новая дисциплина - механика поврежденной среды (МПС). Использование уравнений МПС, невозможно без сочетания эксперимента на лабораторных образцах с численным моделированием экспериментальных процессов, позволяющим качественно и количественно оценить процессы в лабораторном образце, определить те экспериментальные параметры, которые не могут быть непосредственно замерены в процессе натурного эксперимента, оценить достоверность и границы применимости разрабатываемых моделей поведения конструкционных материалов.
Стоит отметить, что публикации по методикам определения материальных параметров и скалярных функций определяющих
соотношений МПС при малоцикловой усталости (МЦУ) в литературе практически отсутствуют. В большинстве случаев методики определения параметров заключаются в их «подборе» путем минимизации отклонений результатов расчетов от экспериментальных данных, чем и гарантируется однозначность определения материальных параметров.
Материальные параметры МПС необходимо определять из базовых экспериментов, которые назначаются из условия, чтобы при определении группы материальных параметров, отвечающих данному физическому эффекту, влияние остальных - было минимальное. При такой постановке задачи количество определяемых материальных параметров не влияет на точность их определения.
Таким образом, задача развития научно обоснованной экспериментально-теоретической методики определения материальных параметров и скалярных функций определяющих соотношений МПС для конструкционных материалов (металлов и их сплавов) при МЦУ, является актуальной.
Цель и задачи исследований. Целью диссертационной работы является создание современной научно-обоснованной экспериментально-теоретической методики определения материальных параметров и скалярных функций определяющих соотношений МПС, развитых в работах Ю.Г. Коротких, И.А. Волкова для оценки ресурсных характеристик конструкционных материалов (металлов и их сплавов) при МЦУ.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи.
l.Ha базе современной универсальной испытательной машины МИУ - 200.1КТ (г. Армавир) разработать и создать информационно-измерительную систему с целью обеспечения возможностей автоматизированного управления и контроля процессом испытания лабораторных образцов.
2. Выбрать и обосновать средства и режимы нагружения и нагрева, геометрические размеры лабораторных образцов и технологию их изготовления.
3.Разработать программу исследований и провести испытания для определения материальных параметров и скалярных функций определяющих соотношений МПС при малоцикловом нагружении.
4. Провести оценку достоверности методики нахождения материальных параметров и скалярных функций определяющих соот-
ношений МПС путем выполнения численных расчетов и их сопоставления с результатами экспериментальных исследований при МЦУ.
5.Выполнить анализ кинетики напряженно-деформированного состояния (НДС) конкретного конструктивного элемента и провести оценку его усталостной долговечности.
Научная новизна. Автором были получены следующие основные, новые результаты:
Разработана современная научно-обоснованная экспериментально-теоретическая методика нахождения материальных параметров и скалярных функций определяющих соотношений МПС при малоцикловом нагружении.
На базе современной универсальной машины МИУ -200.1КТ (г. Армавир) создан экспериментально-теоретический комплекс для автоматизированного управления и контроля процессом испытания лабораторных образцов и практической реализации развитой методики нахождения материальных параметров определяющих соотношений МПС.
Разработана новая программа исследований и предложены экспериментально-теоретические способы получения ресурсных характеристик конструкционных материалов для наполнения баз данных по физико-механическим свойствам, материальным параметрам и скалярным функциям определяющих соотношений МПС при малоцикловой усталости.
4.Получены материальные параметры определяющих соотношений МПС при малоцикловом нагружении и исследовано их влияние на усталостную долговечность ряда конструкционных сталей 15Х2НМФА, 08Х18Н10Т, 12Х18Н10Т, 15Х2МФА.
5.Проведен анализ кинетики НДС конкретного конструктивного элемента - сплошного цилиндрического стержня с кольцевой выточкой при малоцикловом нагружении и выполнен на его основе прогноз его усталостной долговечности; выявлен ряд характерных особенностей сопровождающих процесс усталостного разрушения связанных с моментом и местоположением образующихся макротрещин, историей изменения НДС и величины поврежденности в зоне разрушения и др.
Достоверность полученных результатов подтверждается метрологически поверенными средствами измерения параметров нагружающих факторов (нагрузки, деформации, температуры и
т.п.) и сопоставлениями результатов численного моделирования экспериментальных процессов с опытными данными.
Практическая ценность диссертации.
Разработанная методика и созданные программные средства для нахождения материальных параметров определяющих соотношений МПС при малоцикловом нагружении, могут быть использованы при разработке и создании различных экспертных систем по оценке ресурса конструкций.
Предложены новые формы и геометрические размеры лабораторных образцов, технология их изготовления, средства нагруже-ния и нагрева, управляющие экспериментом и определяемые из него параметры, способы и диапазон их изменения.
Для ряда конструкционных сталей 15Х2НМФА, 08Х18Н10Т, 12Х18Н10Т, 15Х2МФА, широко используемых в современном ре-акторостроении, проведены эксперименты и получены материальные параметры уравнений МПС, необходимые для описания закономерностей процессов упругопластического деформирования и накопления повреждений при МЦУ.
Разработанные методики и результаты исследований внедрены в расчетную практику ФГУП ОКБМ им. И.И. Африкантова (г. Н. Новгород).
Апробация работы. Основные положения и полученные в диссертационной работе результаты докладывались и обсуждались на:
- VI межотраслевом семинаре «Прочность и надежность обо
рудования», Звенигород, 2009;
-Научно-технической конференции «Эксперимент-2010», Н.Новгород, ОАО «ОКБМ им. И.И. Африкантова», 2010;
На 12 и 13-ом Международном научно-промышленном форуме «Великие Реки 2010, 2011» (Н. Новгород, 2010, 2011 г.г.);
IX Международной конференции, посвященной 45-летию БГАРФ, Калининград, 24-27 мая 2011 г;
- Международной научно-технической конференции «Буду
щее технической науки», Н.Новгород, НГТУ им. Р.Е. Алексеева, 13
мая 2011 г.
Работа докладывалась на семинаре кафедры «Прикладная механика и подъемно-транспортные машины» Волжской государст-
венной академии водного транспорта под руководством Засл. деят. науки РФ, проф. Ю.Г. Коротких и проф. И.А. Волкова.
В завершенном виде работа докладывалась на расширенном семинаре кафедры «Динамика, прочность машин и сопротивление материалов» Нижегородского государственного технического университета им. Р.Е. Алексеева под руководством Засл. деят науки РФ, проф. В.М. Волкова.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 научных работ. Одна статья издана в журнале, входящих в перечень рекомендуемых ВАКом изданий.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Общий объем диссертационной работы составляет 163 страницы основного текста, включая 85 рисунков и 18 таблиц. Список литературы на 16 страницах включает 135 наименований. КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
