Достижение целей и решение научных задач проекта:

Цели проекта:

1. Определение, исследование, описание свойств материалов.
Для определения свойств материалов разработаны системы базовых экспериментов, экспериментальные методики, а также созданы реализующие их экспериментальные установки. Проведено исследование характеристик ряда материалов: для исследования влияния вида напряженного состояния на процесс разрушения испытаны три типа образцов: цилиндрические сплошные образцы с резьбовыми головками, а также образцы с V-образным и U-образным вырезами. Проведены экспериментальные исследования по определению характеристик деформирования и разрушения материала: модуль нормальной упругости, условный предел текучести, временное сопротивление, остаточная деформация, относительное сужение. Построены: диаграммы деформирования при одноосном растяжении в диапазоне температур Т=20–950º; веер кривых ползучести при различных уровнях задаваемого напряжения для температур Т=850ºС, Т=900ºС, Т=950ºС. Проведены исследования по экспериментальному определению скоростных и температурных зависимостей характеристик материалов (титановые сплавы ВТ-6, ВТ-8, ВТ-20, алюминиевый сплав АК4-1).
Для описания квазистатических и циклических свойств материалов применялись модели Ю.Г.Коротких и Шабоша. Для описания высокоскоростных свойств материалов использовались модель Джонсона-Кука и различные её модификации. Для исследованных материалов получены параметры моделей, описывающих зависимость радиуса поверхности текучести от деформации, скорости деформации и температуры (классическая модель Джонсона-Кука с разными вариантами множителя, отвечающего за скоростное упрочнение, а также модифицированная модель Джонсона-Кука).

2. Обнаружение, исследование, описание эффектов и процессов в материалах.
По результатам численного исследования влияния коррозионного растрескивания под напряжением на процесс усталостного разрушения установлено, что:
- увеличение скорости залечивания пленки (параметр модели коррозионного растрескивания под напряжением) приводит к повышению числа циклов до разрушения;
- с повышением скорости разрушения пленки (параметр модели коррозионного растрескивания под напряжением) уменьшается число циклов до начала процесса разрушения материала, снижается влияние залечивания пленки на характеристики процесса коррозионного растрескивания под напряжением, что приводит к снижению общего числа циклов до разрушения.
Получены численные результаты оценки влияния частоты процесса циклического нагружения на предельные значения числа циклов до разрушения пленки и материала в условиях коррозионного растрескивания. Показано, что снижение частоты циклов приводит к увеличению скорости коррозионного растрескивания под напряжением. Результаты численных исследований подтверждают, что полученные параметры модели термовязкопластичности для материала с учетом и без учета облучения могут быть использованы для анализа процессов деформирования и разрушения элементов конструкций высокотехнологичных отраслей экономики и, прежде всего, атомной отрасли. Выполненные экспериментальные исследования показали существенное влияние скорости деформации и температуры на прочностные и деформационные свойства материалов. Радиус поверхности текучести для исследованных конструкционных сплавов возрастает с ростом скорости деформации и уменьшается при нагреве. Выполнено экспериментальное исследование влияния вида напряженного-состояния на характеристики разрушения конструкционного материала.

3. Оценка динамики прочности, ресурса, разрушения материалов для обеспечения надежности и продления срока эксплуатации ответственных узлов и конструкций высокотехнологичных отраслей экономики и, прежде всего, атомной отрасли.
Проведены численные эксперименты по оценке влияния частоты процесса циклического нагружения (временной протяженности цикла) на предельные значения числа циклов до разрушения пленки и материала в условиях коррозионного растрескивания. По результатам численных экспериментов оценки влияния частоты процесса циклического нагружения на предельные значения числа циклов до разрушения пленки и материала в условиях коррозионного растрескивания показано, что снижение частоты циклов приводит к увеличению скорости коррозионного растрескивания под напряжением. Проведены численные исследования и получены результаты численного исследования напряженно-деформированного состояния во фрагменте сильфона в условиях высокотемпературного термомеханического нагружения, сопровождающимся нестационарным вязкопластическим деформированием. Проведено численное исследование и получены результаты численного исследования напряженно-деформированного состояния и разрушения сферической оболочки, нагруженной внутренним давлением, и последующей выдержкой в условиях нейтронного облучения. На задачах, моделирующих сварное соединение труб системы компенсации давления энергетических установок и охлаждающих каналов жаровых труб камер сгорания авиационных газотурбинных двигателей, проведены численные эксперименты по термомеханической усталости для базы данных системы мониторинга. Результаты численных экспериментов хорошо согласуются с данными натурных экспериментов.


Основные задачи проекта:

1. Модельная идентификация для описания поведения материалов и конструкций при квазистатических и динамических режимах нагружения.
Проведена модельная идентификация для описания поведения материалов и конструкций при квазистатических и динамических режимах нагружения. Выполнено развитие моделей деформирования конструкционных материалов (из перечня) в зависимости от температуры (до 550 ºC), повреждающей дозы облучения (до 60 сна), для задачи расчета напряженно-деформированного состояния конструкций при эксплуатации сверх 45 лет. Разработана математическая модель материалов для случаев: радиационного распухания в зависимости от напряженно-деформированного состояния; пластического деформирования; радиационной ползучести. Разработана математическая модель термоактивированной ползучести в зависимости от скорости набора повреждающей дозы облучения. Разработаны математические модели и численные методики для исследования нелинейного поведения конструкций и материалов в условиях термосиловых квазистатических воздействий. Разработаны модели, алгоритмов и программ исследования квазистатических и динамических процессов деформирования сплавов, материалов и элементов конструкций из разномодульных материалов. Разработаны математические модели, алгоритмы и программные средства на основе метода конечных элементов для численного моделирования коррозионного растрескивания под напряжением материалов конструкций при термомеханических нагружениях в условиях воздействия коррозионных водных средств.

2. Параметрическая идентификация моделей конструкционных материалов.
Осуществлена параметрическая идентификация моделей конструкционных материалов. На базе проведенных экспериментальных исследований определены материальные константы и функции моделей динамического деформирования и разрушения материалов (титановые сплавы ВТ-6, ВТ-8, ВТ-20, алюминиевый сплав АК4-1). Определены параметры модели термовязкопластичности (модули сдвиговой и объемной упругости; коэффициент температурного расширения; радиус поверхности текучести; функции термоползучести (с учетом накопления повреждений), а также функции, учитывающей влияние облучения на скорость ползучести) для материала с учетом и без учета облучения.

3. Накопление необходимой информации по материалам для инженерной практики расчета напряженно- деформированного состояния (НДС), прочности и надежности конструкций с использованием современных вычислительных комплексов.
Созданы модели, алгоритмы и программные средства решения задач статической и динамической прочности выбранных конструкций. Разработаны системы базовых экспериментов; модели деформирования и разрушения; методики идентификации параметров моделей деформирования и разрушения; методические и программные средства. Для повышения достоверности математических моделей процесс исследования дополнен специальной системой верификационных испытаний. Получены результаты испытаний лабораторных образцов выбранного конструкционного материала в виде таблиц со значениями характеристик деформирования и разрушения (модуль нормальной упругости, условный предел текучести, временное сопротивление, остаточная деформация, относительное сужение) и диаграмм деформирования при одноосном растяжении в диапазоне температур Т=20–950ºС. Получен веер кривых ползучести при различных уровнях задаваемого напряжения для температур Т=850ºС, Т=900ºС, Т=950ºС. Определены величины значения напряжений, соответствующих нулевым значениям скорости деформации ползучести на заданном временном интервале (30 часов) при температурах Т=850ºС, Т=900ºС, Т=950ºС. Разработана среда для накопления экспериментальной информации и математических моделей, используемых в современных вычислительных комплексах, для описания процессов деформирования и разрушения материалов при динамических воздействиях.

4. Создание системы мониторинга ресурса конструкций.
Выполнена разработка интегрированной интеллектуальной системы мониторинга за выработанным и остаточным ресурсами конструкций ответственных инженерных объектов в процессе эксплуатации с учетом фактической истории эксплуатации и реальных свойств конструкционных материалов. Разработаны математические модели, алгоритмы и программные средства на основе метода коченых элементов для численного моделирования коррозионного растрескивания под напряжением материалов конструкций при термомеханических нагружениях в условиях воздействия коррозионных водных средств. Разработана модель представления знаний, база знаний и программное обеспечение экспертной подсистемы качественного анализа неучтенных факторов. Выполнена программная реализация форм и сценариев работы интегрированной системы эксплуатационного мониторинга ресурса конструкций, позволяющей выполнять численное моделирование процессов накопления поврежденности материала опасных зон по задаваемой модели эксплуатации конструкции на базе механизмов мало- и многоцикловой усталости, коррозионного растрескивания под напряжением. Представлено описание порядка расчета истории эксплуатации конструкции в интегрированной системе эксплуатационного мониторинга ресурса конструкций.