Введение к работе
Актуальность темы. Существующие методы расчёта на прочность элементов конструкций основаны на теории упругости механики деформируемого твёрдого тела, которая, в свою очередь, базируется на гипотезе сплошности среды и эмпирических исходных данных.
Между тем, свыше восьмидесяти лет назад физиками было введено понятие о теоретической прочности материалов. В частности, академик Я. И. Френкель определил прочностные характеристики идеальных монокристаллов на основе сил межатомного взаимодействия, отличающиеся на порядок от экспериментальных данных.
В дальнейшем, исследованиями в области физики твёрдого тела было показано, что в основе прочности твёрдых тел лежит равновесие межатомных сил притяжения и отталкивания между зарядами кристаллической решётки. Иначе говоря, прочность определяется электростатическим взаимодействием электронов и ядер атомов кристаллической решётки, в основе которого лежит закон Кулона.
Применение этого фундаментального свойства материалов позволяет развить методы расчёта на прочность конструкций и перейти в модели поведения материалов от гипотезы сплошности среды к учёту сил межатомного взаимодействия на уровне элементарной атомной ячейки.
Такой подход открывает новые возможности теоретически рассчитывать прочностные, упругие и теплофизические характеристики элементов конструкций, в которые входят: модуль упругости, коэффициент Пуассона, предел упругости, предел текучести, коэффициент теплового расширения, коэффициент теплопроводности, являющиеся исходными данными в расчёте напряжённо-деформированного состояния деталей. Кроме того, одним из направлений развития нанотехнологий является полное трехмерное управление структурой материалов на атомном уровне с целью размещения каждого атома на своем месте. В этих условиях важно заранее знать упругие и прочностные свойства нанообъемов монокристаллов с бездефектной структурой.
Актуальность работы определяется возможностью теоретически рассчитывать прочностные, упругие и теплофизические характеристики элементов конструкций и существенно сократить объём дорогостоящих экспериментов, в некоторых случаях на уникальном оборудовании. Применительно к элементам авиационных двигателей актуальность определяется тенденцией роста температуры газа перед турбиной, которая сдерживается прочностью рабочих лопаток из монокристаллических материалов. При использовании предлагаемого подхода в моделировании
поведения материала, как составной части расчёта на прочность, открываются новые методы конструирования лопаток турбин. Основой анализа при этом является межатомное взаимодействие в механике материалов и её влияние на конструкционную прочность деталей.
Цель работы. Разработка методологии теоретического расчёта прочностных и теплофизических характеристик элементов газовых турбин из эвтектических композитов и монокристаллических жаропрочных сплавов на основе электростатической природы упругости.
Для достижения поставленной цели сформулированы основные направления исследования.
-
Обоснование применения электростатической природы упругости в методологии расчёта прочностных характеристик элементов газовых турбин.
-
Развитие обобщённой математической модели расчёта на прочность лопаток газовых турбин.
-
Создание метода моделирования диаграммы «напряжение -деформация» монокристаллов, применяемых в лопатках турбин.
-
Развитие методов прогнозирования характеристик ползучести лопаток турбин.
-
Исследование прочностных и теплофизических характеристик лопаток газовых турбин из эвтектических композитов и монокристаллических жаропрочных сплавов на основе теоретического определения: модуля упругости с учетом анизотропии; коэффициента Пуассона; предела текучести с учетом анизотропии; коэффициента теплового расширения; модуля упругости и коэффициента теплового расширения в зависимости от температуры, а также коэффициента теплопроводности.
Научная новизна
-
Впервые, в отличие от существующих методов расчёта, разработана методология теоретического определения прочностных характеристик лопаток газовых турбин из эвтектических композитов и монокристаллических жаропрочных сплавов на основе электростатической природы упругости.
-
Модернизирована обобщённая математическая модель расчёта на прочность лопаток турбин, включающая: формирование исходных данных в виде упругих, теплофизических и прочностных характеристик лопаток; расчет напряженно - деформированного состояния и оценка прочности лопаток турбины из эвтектических композитных и монокристаллических жаропрочных материалов. Модернизация модели позволяет расширить
функциональные возможности автоматизированного проектирования лопаток турбин.
-
Разработаны теоретический метод расчета и математическая модель диаграммы «напряжение - деформация» монокристаллов, применяемых в лопатках турбин, результаты расчета которых используются для оценки напряженно - деформированного состояния лопаток. Это снижает объём дорогостоящих экспериментов на уникальном оборудовании.
-
Созданы метод расчета и математическая модель диаграммы первой и второй стадий установившейся ползучести монокристаллов и рабочей лопатки турбины, а также получены зависимости скорости ползучести от температуры и напряжения в условиях ограниченных экспериментальных данных. Новизна подтверждена патентами на изобретение RU 2267112, RU 2271534.
5. Выведены системы расчётных зависимостей упругих,
теплофизических и прочностных характеристик лопаток
высокотемпературных турбин, в которые входят: модуль упругости с учетом
анизотропии; коэффициент Пуассона; предел упругости, предел текучести с
учетом анизотропии; коэффициент теплопроводности; коэффициент
теплового расширения; модуль упругости и коэффициент теплового
расширения в зависимости от температуры; плотность. Это позволило
заложить основу для конструирования лопаток турбин и их материалов.
Новизна подтверждена патентами на изобретение RU 2226266, RU 2235986,
RU 2277703, RU 2289114, RU 2328715, RU 2235986, RU 2277235,
RU 2289116.
Методы исследований основаны на использовании:
теории расчётов на прочность элементов конструкций;
физики и механики деформируемого твёрдого тела;
численных методов решения систем уравнений.
Достоверность и обоснованность научных положений, результатов и выводов, содержащихся в диссертационной работе, основывается на корректном использовании: основных уравнений механики твёрдого тела, теории расчётов на прочность элементов ГТД, физических законов Кулона, Фурье, Дюлонга и Пти, известных положений кристаллографии; численных методов решения систем уравнений (метод конечных элементов). Результаты подтверждаются решением задач прочности, полученных аналитическими и другими проверенными численными методами; сравнением результатов численного решения с известными экспериментальными данными, полученными другими авторами.
Практическая значимость
На основе электростатической природы упругости выведены математические зависимости расчёта упругих, прочностных, теплофизических и физических характеристик эвтектических композитных и жаропрочных монокристаллических материалов. Это позволяет: существенно сократить объёмы сложных и дорогостоящих экспериментов по определению механических и теплофизических характеристик материалов, применяемых в ГТД; проектировать новые эвтектические композитные материалы и композиции теплозащитных покрытий элементов ГТД; расширить структуру системы автоматизированного проектирования лопаток ГТД введением моделей по расчёту свойств используемых материалов (в дополнение справочных баз данных).
Реализация результатов работы
Материалы диссертации основаны на исследованиях автора в период 1981-2007гг., выполненных в рамках федеральной целевой программы «Государственная поддержка интеграции высшего образования и фундаментальной науки на 1997-2001гг.»; программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2006-2008 годы)» по теме РНП.2.2.3.1.1298 «Научно-методическое обеспечение музея авиационных двигателей УГАТУ (философия развития сложных технических объектов)» АД-АД-08-07-ПГ.
На защиту выносятся:
1. Методология определения механических и теплофизических
характеристик лопаток газовых турбин. Теоретические положения с новыми
научными результатами на основе электростатической природы упругости и
прочности, связывающей фундаментальные закономерности физики и
механики деформируемого твердого тела.
-
Обобщённая математическая модель расчёта на прочность лопаток турбин, включающая: формирование исходных данных в виде упругих, прочностных, теплофизических и физических характеристик монокристалла и эвтектического композитного материала; расчет напряженно-деформированного состояния и оценка прочности лопаток турбины из эвтектических композитных и жаропрочных монокристаллических материалов.
-
Метод расчета и математическая модель диаграммы «напряжение -деформация» монокристаллов.
-
Метод расчета и математическая модель диаграммы установившейся ползучести нитевидных монокристаллов и рабочей лопатки турбины.
5. Математические зависимости расчета прочностных характеристик лопаток газовых турбин, в которые входят: модуль упругости с учетом анизотропии; коэффициент Пуассона; предел текучести с учетом анизотропии; коэффициент теплопроводности; коэффициент теплового расширения; модуль упругости и коэффициент теплового расширения в зависимости от температуры; плотность.
Апробация работы. Основные научные и практические результаты
работы докладывались на 12 научно-технических конференциях (НТК). В том
числе, на Всероссийской НТК "Технологические проблемы производства
летательных аппаратов и двигателей", Казань, 1994, КГТУ им. А.Н. Туполева;
на Международном конгрессе "Зубчатые передачи - 95", София, Болгария,
1995; на Международной НТК «Рабочие процессы и технология двигателей»,
Казань, 2005; на 7 Международной НТК «Человек и космос»
Днепропетровск, 2005; на 2 Международной НТК «Авиадвигатели 21-го века», Москва, ЦИАМ, 2005; на Российской НТК «Мавлютовские чтения», Уфа, 2006; на Международной НТК «Научные идеи С. Т. Кишкина и современное материаловедение», Москва, ВИАМ, 2006.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 33 работы, в том числе, 15 статей, из них 11 в изданиях списка ВАК, 11 патентов на изобретение.
Личный вклад соискателя в разработку проблемы. Все основные положения, связанные с разработкой методологии, методов и математических зависимостей расчета упругих, прочностных, теплофизических и физических характеристик нитевидных монокристаллов -составляющих эвтектических композитных материалов, поликристаллов; модели диаграммы «напряжение - деформация»; метод расчёта установившейся ползучести лопатки разработаны автором лично.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав основного материала, основных результатов и выводов, списка используемой литературы из 276 наименований; содержит 212 страниц текста, включая 44 таблицы, 121 рисунок.
