Введение к работе
Актуальность темы. Современный уровень развития промышленности и строительства характеризуется широким использованием технических конструкций, работающих в сложных условиях термического и силового нагружений. Прочностная надежность, безопасность эксплуатации и ресурс таких изделий определяется уровнем и характером распределения внутренних температурных напряжений, что требует анализа напряженно-деформированного состояния ответственных элементов конструкций. Также серьезной проблемой создания конкурентоспособной современной техники является обеспечение высокого качества и необходимой точности разрабатываемых конструкций. Для этого необходимо еще на стадии проектирования учитывать особенности комплексного цикла «технология – конструкция – эксплуатация». Такой подход должен быть применим к изделиям, работающим в условиях высоких температур и давлений, к которым относятся машиностроительные конструкции с объемным тепловыделением.
Изделия атомной техники (например, тепловыделяющие элементы ядерных реакторов) работают в условиях температурных перепадов с высокими градиентами, облучения и химически активных сред. Жесткие условия эксплуатации сопровождаются необратимыми изменениями теплофизических, механических и прочностных характеристик используемых материалов.
В металлургическом производстве качество литейных изделий во многом зависит от выбора режимов теплообмена, который позволяет регулировать тепловыделение при формообразовании отливки, тем самым, обеспечивая направленную кристаллизацию жидкого расплава с последующим равномерным остыванием отливки. Распределение температурных напряжений в сформировавшейся твердой заготовке существенно влияет на качество литых изделий и вызывает немалый интерес у специалистов.
В связи с этим актуальным является разработка расчетно-экспериментального метода исследования и моделирования термонапряженного состояния элементов машиностроительных конструкций при объемном тепловыделении с учетом переменных свойств материала, особенностей геометрической формы и условий эксплуатации.
Проведение вышеуказанных исследований безусловно способствует повышению прочностной надежности, безопасности эксплуатации, увеличению эксплуатационного ресурса машиностроительных конструкций, работающих в условиях действия высоких температур и силовых факторов, созданию конкурентоспособной техники, что полностью соответствует Приоритетным направлениям развития науки, технологий и техники в Российской Федерации, и Перечню критических технологий Российской Федерации, утвержденным Президентом РФ от 7 июля 2011 года Пр-№ 899.
Одним из основных источников появления температурных напряжений в исследуемых конструкциях является неоднородная деформация, возникающая вследствие неоднородностей, к которым можно отнести физико-механические процессы (неоднородное тепловыделение, излучение и т.д.), геометрические неоднородности (форма конструкции, наличие различных отверстий, вырезов, перепады толщин, разностенность и пр.) и неоднородную структуру материала. Их определение в подобных системах встречает математические трудности. Существующие аналитические и численные методы не охватывают широкий спектр разнообразных причин появления неоднородной деформации материала и их характеристик, существенно влияющих на уровень температурных напряжений. Создание новых адекватных расчетных моделей исследуемых объектов позволяет применять аналоговые и экспериментальные методы исследования термонапряженного состояния. Дальнейшая разработка таких методов и их сочетание в исследованиях требуют строгого теоретического обоснования на основе единого математического аппарата. Такой подход при определении температурных напряжений основан на математических аналогиях в механике деформируемого твердого тела. Использование единого математического формализма при описании физических явлений и напряженно-деформированного состояния в различных конструктивных схемах позволяет использовать математические аналогии для решения конкретных задач. При этом определяющим направлением исследований является экспериментальная реализация термомеханических аналогий, которая позволяет моделировать термонапряженное состояние и проводить оценку предельных уровней температурных напряжений в машиностроительных конструкциях с объемным тепловыделением. Отсюда с очевидностью вытекает актуальность темы диссертационной работы.
Целью работы является разработка, теоретическое обоснование и практическая реализация расчетно-экспериментального метода исследования температурных напряжений в машиностроительных конструкциях с объемным тепловыделением на основе математических аналогий в механике деформируемого твердого тела. Для достижения указанной цели поставлены и решены следующие основные задачи:
- дано математическое обоснование расчетно-экспериментального метода определения температурных напряжений в неоднородных элементах машиностроительных конструкциях с объемным тепловыделением на основе использования математических аналогий в механике деформируемого твердого тела;
- разработаны и практически апробированы тестовые системы при моделировании температурных напряжений в элементах конструкций с переменными характеристиками, такими как, свойства материала, параметры эксплуатации, геометрическая форма;
- разработаны оригинальные методики экспериментального моделирования температурных напряжений и средства технического оснащения для проведения модельных экспериментов;
- проведены экспериментальные исследования термонапряженного состояния машиностроительных конструкций с переменными характеристиками и неоднородной структурой материала с учетом условий объемного тепловыделения на основе метода термомеханических аналогий.
Научная новизна результатов работы заключается в следующем:
- теоретически обоснован и экспериментально реализован метод определения температурных напряжений в неоднородных элементах машиностроительных конструкциях с объемным тепловыделением путем использования математических аналогий в механике деформируемого твердого тела;
- осуществлен единый подход к моделированию температурных напряжений в элементах конструкций с отверстиями и вырезами различной конфигурации путем изменения координатных осей внутреннего контура эллиптического профиля;
- разработан и математически обоснован аналоговый метод определения температурных напряжений в изделиях с переменными характеристиками и неоднородной структурой материала;
- впервые предложена и экспериментально обоснована методика определения термонапряженного состояния корпусных элементов энергоаппаратов с учетом реальной конструкции наиболее ответственных узлов моделируемой системы.
Достоверность полученных результатов обеспечивается корректностью моделирования температурных напряжений в различных конструктивных схемах на основе использования математических аналогий в механике деформируемого твердого тела. Тестовые примеры, компьютерная проверка разработанных алгоритмов, а также хорошая корреляция теоретических и модельно экспериментальных исследований с максимальной погрешностью, не превышающей 10%, в достаточно полной мере гарантируют обоснованность и достоверность результатов диссертационной работы.
Практическая значимость диссертационной работы заключается в разработке расчетно-экспериментального метода определения температурных напряжений в неоднородных элементах машиностроительных конструкциях с объемным тепловыделением с использованием математических аналогий в механике деформируемого твердого тела. Проведено строгое математическое обоснование корректности разработанной методики экспериментальной реализации математических аналогий при определении температурных напряжений в неоднородных конструкциях с объемным тепловыделением. На основе проведенных исследований выработаны практические рекомендации по снижению уровня термонапряжений в изделиях атомной техники.
Результаты диссертационной работы внедрены в расчетную практику заинтересованных организаций и используются при проектировании изделий новой техники, что подтверждено актами и справками внедрения от предприятий: 1. ОАО «НИКИЭТ», г. Москва, 2011 г. 2. ЗАО НТЦ «Бакор», г. Щербинка Московской области, 2011 г. 3. Филиал ГУП «КБП» «ЦКИБ СОО», г. Тула, 2011 г. 4. ЗАО «Сибкабель» г. Подольск Московской области, 2011 г. 5. Филиал ОАО «Центротрансжелезобетон» Силикатненский завод ЖБК г. Подольск Московской области, 2011 г. 6. ООО «ЭКОТЕКА», г. Лыткарино Московской области, 2011 г.
На защиту выносятся:
- математическое обоснование расчетно-экспериментального метода определения температурных напряжений в неоднородных элементах машиностроительных конструкциях с объемным тепловыделением элементах конструкций на основе использования математических аналогий в механике деформируемого твердого тела;
- единый подход к анализу температурных напряжений в изделиях атомной техники с переменными характеристиками, включая свойства материала, параметры эксплуатации, геометрическую форму, а также неоднородность структуры материала;
- результаты экспериментальной реализации термомеханических аналогий в механике деформируемого твердого тела при моделировании напряженно-деформированного состояния элементов конструкции атомной техники, металлургического производства и крупногабаритных строительных конструкций;
- практические рекомендации по снижению уровня температурных напряжений в изделиях новой техники для обеспечения прочностной надежности и увеличения ресурса эксплуатации.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах: 1. XII Международный семинар «Технологические проблемы прочности», г. Подольск, 2005 г. 2. XIII Международный семинар «Технологические проблемы прочности», г. Подольск, 2006 г. 3. XIV Международный семинар «Технологические проблемы прочности», г. Подольск, 2007 г. 4. XV Международный семинар «Технологические проблемы прочности», г. Подольск, 2008 г. 5. XVI Международный семинар «Технологические проблемы прочности», г. Подольск, 2009 г. 6. XVII Международный семинар «Технологические проблемы прочности», г. Подольск, 2010 г. 7.V Международная научная конференция «Прочность и разрушение материалов и конструкций», г. Оренбург, 2008 г. 8. II Международная научная конференция «Современные проблемы математики и механики», г.Львов, 2008 г. 9. ХVIII Петербургские чтения по проблемам прочности и роста кристаллов г. Санкт-Петербург, 2008 г. 10. V Международная конференция «Фазовые превращения и прочность кристаллов», г. Черноголовка, 2008 г. 11. Международная научно-техническая конференция «Нанотехнологии и наноматериалы», г. Москва, 2009 г. 12. Первые Московские чтения по проблемам прочности, г. Москва, 2009 г. 13. Х Всероссийский Симпозиум по прикладной математике, г. Санкт-Петербург, 2009 г. 14. Х Всероссийский Симпозиум по прикладной математике, г. Дагомыс, 2009 г. 15 ХХ Петербургские чтения по проблемам прочности, г. Санкт-Петербург, 2010 г. 16. V-я Евразийская научно-практическая конференция «Прочность неоднородных структур», г. Москва, 2010 г. 17. ХI Всероссийский Симпозиум по прикладной математике, г. Кисловодск, 2010 г. 18. VI Всероссийская научно-практическая конференция «Актуальные задачи математического моделирования и информационных технологий», г. Сочи, 2010 г. 19. ХI Всероссийский Симпозиум по прикладной математике, г. Дагомыс, 2010 г. 20. 3-й Международный форум по интеллектуальной собственности «EXPOPRIORITY-2011», г. Москва. 21. Общеуниверситетский научный семинар «Механика неоднородных структур и систем» при МГОУ, 2011 г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 43 работы, включая 23 статьи, входящих в перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, рекомендованных ВАК РФ, а также 2 монографии.
Структура и объем работы. Диссертация изложена на 264 листах машинописного текста, состоит из введения, шести глав и списка литературы из 149 наименований и приложения, в котором представлены акты и справки внедрения результатов проведенных исследований, включая 22 таблицы и 76 рисунка.
