Отчеты по проекту:




Краткое описание полученных научных результатов в первом полугодии 2020 года

Разработан и описан компьютерный инструментарий расчета накапливаемых эксплуатационных повреждений конструкций (п. 3.1 Плана работ научного исследования). Описаны разработанные методика и программа исследования процессов деформирования и разрушения элементов конструкций в условиях высокотемпературной малоцикловой усталости с учетом усталостных повреждений (п. 3.3 Плана работ научного исследования). Описаны разработанные математические модели и их материальные константы для оценки предельных состояний упругопластических оболочек вращения по осесимметричным и неосесимметричным формам при комбинированных нагружениях. Математическая модель для оценки предельных состояний при комбинированных нагружениях формулируется в виде обобщенной осесимметричной задачи с кручением. Определяющая система уравнений записывается в цилиндрической системе эйлеровых координат. Для каждого элемента оболочки вводится местная лагранжева система координат. При определении компонент тензоров скоростей напряжений и напряжений Коши используется производная Яуманна, которая учитывает поворот элемента оболочки за счет сдвиговой деформации как квазижесткого целого относительно нормали к ее срединной поверхности при кручении. Учет упругопластических свойств материала оболочки осуществляется в рамках теории течения с нелинейным изотропным и кинематическим упрочнением. Вариационные уравнения движения оболочки выводятся из общего уравнения динамики. Решение полученной системы уравнений строится по явной конечно-разностной схеме «крест» второго порядка точности (п. 3.4 Плана работ научного исследования). Описана расчетная модель деформирования и потери устойчивости составных оболочечных конструкций при внешнем давлении с учетом начального НДС. Деформирование составной оболочечной конструкции рассматривается как нестационарный процесс и описывается в переменных Лагранжа с позиций механики сплошных сред. Уравнение движения выводится из вариационного принципа Журдена. Связь между напряжениями и упругими составляющими тензора деформаций записывается в виде соотношений теории течения с комбинированным кинематическим и изотропным упрочнением, учитывающими зависимость от температуры. Необратимые составляющие тензора приращения деформаций определяются ассоциированным законом течения. Для описания деформаций ползучести вводится в пространстве напряжений эквипотенциальные поверхности, имеющие с поверхностью текучести общий центр и различные радиусы, определяемые текущим напряженным состоянием. Положение контактной поверхности и контактные усилия в общем случае неизвестны и определяются в ходе решения поставленной задачи. Определение начального НДС конструкции, от предварительного квазистатического нагружения при динамической постановке задачи основано на использовании процедуры стабилизации численного решения (п. 3.6 Плана работ научного исследования). На основе проведенных экспериментов для материала ХН58МБЮ при температуре 900 градусов Цельсия и выдержке 30 часов построены кривые ползучести при следующих уровнях напряжений: 20, 35, 50 и 100 МПа (п. 3.7 Плана работ научного исследования). Экспериментально получены кривые упругопластического деформирования нержавеющей стали 12Х18Н10Т при простом растяжении и кручении, одновременном растяжении с кручением по лучевой траектории нагружения, совместным нагружением при сжатии образца внутренним давлением (п. 3.8 Плана работ научного исследования). Разработанная методика идентификации материальных параметров математических моделей, описывающих упругопластическое деформирование и разрушение конструкционных материалов в условиях интенсивного динамического нагружения включает два типа процедур. Первая процедура заключается в аппроксимации полученных экспериментально поверхностей, представляющих из себя функции свойств материалов, аналитическими и табличными функциями из условия наименьшего их отклонения. Это так называемая прямая идентификация, которая проводится на основании простых, явным образом интерпретируемых результатов натурных базовых испытаний. Вторая группа идентификационных процедур использует численное моделирование для интерпретации данных экспериментов, в случае если испытание невозможно организовать таким образом, чтобы параметры материала и материальные функции определялись из него на основании доступных замеров силовых характеристик и параметров деформирования. Таким испытанием является, например, эксперимент на растяжение образца с целью определения истинной кривой деформирования в широком диапазоне пластических деформаций (п. 3.9 Плана работ научного исследования). Описаны математические модели упруго-пластического деформирования конструкций при сложном нагружении, больших сдвиговых деформациях и вращениях. Описаны методы решения нестационарных задач при сложном нагружении, больших сдвиговых деформациях и вращениях. Деформирование конструкций рассматривается с позиций механики сплошных сред. Уравнение движения выводится из баланса виртуальных мощностей работы. Решение определяющей системы уравнений при заданных начальных и граничных условиях основано на методе конечных элементов и явной конечно-разностной схеме интегрирования по времени типа «крест». Расчетная область покрывается лагранжевой сеткой из 8-узловых конечных элементов. Каждый конечный элемент, в общем случае искаженный, с помощью полилинейного изопараметрического преобразования отображается на куб. Скорости деформаций аппроксимируются в виде суммы безмоментных и моментных составляющих. (п. 3.15 Плана работ научного исследования). Описана разработанная математическая модель для анализа динамического деформирования защитных элементов конструкций при ударном и взрывном нагружении, представляющая из себя зависимость напряжения течения от накопленной пластической деформации, скорости деформации, температуры и параметров, характеризующих вид напряженного состояния, и содержит атермическую (определяемую структурой и составом материала) составляющую и термически активируемое (зависящее от скорости деформации и температуры) слагаемое (п. 3.16 Плана работ научного исследования). Описаны разработанные методики и программы решения трехмерных задач внутреннего взрывного нагружения деформируемых конструкций. Трехмерная задача внутреннего взрывного нагружения деформируемых конструкций, заполненных жидкостью, формулируется в эйлерово - лагранжевых переменных с использованием многосеточных алгоритмов. Математическая модель включает уравнения динамики газа, жидкости и упругопластической среды. Для численного моделирования развита модификация схемы С.К. Годунова повышенной точности (п. 3.17 Плана работ научного исследования). В качестве результатов численного моделирования динамического деформирования конструкций при внутреннем взрывном нагружении, получены решения двух вариантов задачи упругопластического деформирования стального цилиндрического контейнера, заполненного водой, при внутреннем взрывном нагружении, отличающиеся расположением заряда взрывчатого вещества в контейнере. В первом варианте заряд расположен на оси вращения, а во втором варианте смещен относительно оси вращения. Достоверность результатов решения первого варианта задачи в трехмерной постановке подтверждается хорошим соответствием результатам двумерных расчетов и натурного эксперимента. Результаты решения второго варианта задачи выявили существенное влияние положение заряда на волновые процессы в жидкости и деформирование контейнера (п. 3.18 Плана работ научного исследования). Получены результаты расчета динамической прочности оболочек при динамическом нагружении (п. 3.20 Плана работ научного исследования). Расчетная модель динамической прочности конструкций из массивных элементов и оболочек основана на методе конечных элементов и явной конечно-разностной схеме интегрирования уравнений движения по времени. В соответствии с этим исследуемый процесс разбивается на ряд временных интервалов, величина которых определяется из условия устойчивости Куранта. На каждом временном слое осуществляется определение напряженно-деформированного состояния в конечных элементах конструкции и интегрирование уравнения движения узлов конечно-элементной сетки (п. 3.20.1 Плана работ научного исследования). Для предлагаемой расчетной модели разработаны алгоритмы, база данных и программные модули, реализующие ее в рамках вычислительной системы, аттестованной в научно-техническом центре по ядерной и радиационной безопасности (п. 3.20.2 Плана работ научного исследования). Для проверки эффективности расчетной модели и ее программной реализации решена задача о продольном ударе по жесткой преграде тела вращения, включающего в себя цилиндрическую оболочку с присоединенными на торцах массивными элементами Расхождение результатов расчета и эксперимента по перемещениям не превышает 5%, по скоростям перемещений – 10%. Исследована прочность противоударного упаковочного контейнера для транспортировки радиоактивных материалов и тепловыделяющей сборки при аварийном падении на жесткое основание. Согласно расчетным данным, в исследуемых конструкциях не возникает зон повреждений, и они сохраняют герметичность в рассматриваемой аварийной ситуации (п. 3.20.3 Плана работ научного исследования).


Отчет о проведенной работе в 2019 году

Для достижения целей проекта связанных с исследованием и описанием различных эффектов механического поведения материалов и обеспечения надежной эксплуатации конструкций высокотехнологичных отраслей экономики в отчетном году продолжены исследования по модельной и параметрической идентификации конструкционных материалов при квазистатических и динамических режимах нагружения, проведены работы по созданию системы мониторинга ресурса конструкций.
В отчетном периоде выполнены работы по разработке математических моделей, алгоритмов и программных средств на основе МКЭ для численного моделирования коррозионного растрескивания под напряжением материалов конструкций при термомеханических нагружениях в условиях воздействия коррозионных водных средств.
Разработана интегрированная интеллектуальная система мониторинга за выработанным и остаточным ресурсами конструкций ответственных инженерных объектов в процессе эксплуатации с учетом фактической истории эксплуатации, реальных свойств конструкционных материалов.
Проведена разработка модели представления знаний и программного обеспечения экспертной подсистемы качественного анализа неучтенных факторов.
Выполнены численные исследования влияния коррозионного растрескивания под напряжением на процесс усталостного разрушения тонкостенного цилиндра, погруженного в коррозионную среду заданной концентрации и постоянной температуры, при одноосном растяжении-сжатии силами, меняющимися по закону симметричного цикла.
На модельных задачах сварного соединения труб системы компенсации давления энергетических установок и охлаждающих каналов жаровых труб камер сгорания авиационных газотурбинных двигателей проведены численные эксперименты по термоциклической усталости для базы данных системы мониторинга.
Разработана база знаний экспертной подсистемы качественного анализа неучтенных факторов.
Разработаны формы и сценарии работы интегрированной системы эксплуатационного мониторинга ресурса конструкций, позволяющей выполнять численное моделирование процессов накопления поврежденности материала опасных зон по задаваемой модели эксплуатации конструкции.
Проведена численная оценка влияния частоты процесса циклического нагружения на предельные значения числа циклов до разрушения пленки и материала в условиях коррозионного растрескивания.
Выполнен обзор математических моделей, позволяющих учесть влияние скорости деформации и температуры на радиус поверхности текучести упругопластического материала. В результате проведенного анализа выбран ряд моделей, позволяющих учесть основные факторы, влияющие на поведение материала в условиях ударного нагружения, а именно – скоростное упрочнение и температурное разупрочнение в результате адиабатического разогрева. Разработана система базовых экспериментов, программа испытаний и программный инструмент, позволяющий для заданного материала строить математическую модель с учетом описанных эффектов.
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. На основе результатов экспериментальных исследований, определены: параметры модели термовязкопластичности (модули сдвиговой и объемной упругости; коэффициент температурного расширения; радиус поверхности текучести; функции термоползучести (с учетом накопления повреждений); функции учитывающей влияние облучения на скорость ползучести) для материала с учетом и без учета облучения.
Проведены численные исследования НДС во фрагменте сильфона в условиях высокотемпературного термомеханического нагружения, сопровождающимся нестационарным вязкопластическим деформированием. Выполнено численное исследование НДС и разрушения сферической оболочки нагруженной внутренним давлением, и последующей выдержкой в условиях нейтронного облучения.


Краткое описание полученных научных результатов в первом полугодии 2019 года

Разработаны и описаны математические модели, численные методики и программные средства численного исследования процессов КРН в материалах конструкций при статических нагружениях, при переменных и циклических термосиловых нагружениях в условиях агрессивного воздействия коррозионных водных сред. Согласно современным представлениям о механизмах коррозионного растрескивания под напряжением развитие этого процесса связано с разрушением пленки, защищающей поверхность металла от агрессивного влияния коррозионной среды и последующего анодного растворения металла. Таким образом, возникновение и развитие процесса КРН можно рассматривать как результат взаимодействия трех взаимодействующих процессов: разрушения защитных пленок на поверхности металла в результате его деформации; анодного растворения металла в области, свободной от защитной пленки; образования новой защитной пленки в результате залечивания. Сформулированные соотношения модели позволяют описать описать процесс коррозионного растрескивания материала при известных значениях параметра коррозионной среды, температуры, времени воздействия коррозионной среды, параметров, характеризующих напряженно-деформированное состояние (НДС), историю необратимого деформирования и накопления повреждений в точке материала, которые определяются из решения соответствующей краевой задачи деформирования исследуемого объекта. Для этого должны быть известны материальные функции моделей, используемых в процессе решения традиционных задач (задач без учета коррозии), список которых должен быть дополнен функциями, необходимыми для реализации предложенной модели КРН: предельная деформация пленки; скорость развития необратимых деформаций пленки; скорость коррозионного растворения металла. На основе предложенной модели КРН в рамках метода конечных элементов и подходов механики поврежденной среды разработана программа численного исследования процессов КРН в материалах конструкций (п. 2.1.2. Плана работ научного исследования).
Описана разработанная интегрированная интеллектуальная сиcтема эксплуатационного мониторинга ресурса конструкций, последовательность работы с которой следующая: на стадии проектирования по результатам анализа прочностных и ресурсных характеристик определить критическое оборудование, которое ограничивает работоспособность конструкции; в каждом виде критического оборудования и системы выделить конструктивные элементы, выход из строя которых не допускает их дальнейшую работу (критические элементы); для каждого критического элемента определить характерные условия работы и характеризующие их физические параметры; экспериментальные исследования образцов конструкционных материалов при характерных условиях нагружения соответствующих критических элементов с целью определения несущей способности; разработать математические модели для оценки расходования ресурса критических элементов и прогнозирования остаточного ресурса (при этом должны использоваться и данные предусмотренного профилактического обследования соответствующих узлов на штатном объекте); cоздать и пополнить банк данных по мере появления дополнительной информации (при изучении повреждаемости конструкционных материалов) (п. 2.1.2. Плана работ научного исследования).
Описана модель представления знаний и программного обеспечения экспертной подсистемы качественного анализа неучтенных факторов. Конструктивные элементы оборудования и систем многих ответственных инженерных объектов в процессе долговременной эксплуатации подвергаются нестационарным термомеханическим воздействия, которые носят, как правило, нерегулярный характер. Поэтому первостепенное значение в методологии обоснования прочности и ресурса конструкций отводится обоснованию доминирующих механизмов деградации конструкционных материалов в эксплуатационных условиях и адекватному моделированию процессов неизотермического вязкопластического деформирования материалов и накопления повреждений на базе соответствующих математических моделей этих процессов. На базе современных достижений механики повреждённой среды, механики разрушения разработаны математические модели, алгоритмы и программные средства для расчета параметров процессов нестационарного не-изотермического упругопластического деформирования и накопления усталостных повреждений в материале опасных зон конструкций по заданной истории термомеханического нагружения, которые позволяют учитывать влияние на скорость процессов накопления повреждений многоосности напряженного состояния, вращения главных площадок тензоров напряжений и деформаций, осуществлять нелинейное суммирование повреждений при изменении режимов нагружения. Развитое аппаратное, методическое и программное обеспечение прочностных и ресурсных расчетов позволяет проводить не только нормативную оценку прочности конструктивных элементов, но и решать комплексные задачи по оценке выработанного и остаточного ресурсов оборудования и систем, анализу их поведения и прочности при эксплуатационных воздействиях и гипотетических авариях, обоснованию продления назначенного срока службы (п. 2.1.3. Плана работ научного исследования).
Получены результаты численных экспериментов по оценке влияния параметров циклического нагружения на процессы коррозионного растрескивания под напряжением. Результаты расчетов показывают, что при низких значениях скорости залечивания, пленка не успевает восстановиться за этап нагружения, и продолжается растворение металла вплоть до разрушения. Напротив, высокие значения скорости залечивания пленки приводят к увеличению числа циклов до разрушения. Существуют такие значения скорости залечивания, при которых материал не разрушается в пределах рассматриваемой области циклов нагружения. Результаты расчетов показывают, что в рамках рассматриваемого циклического нагружения с постоянной амплитудой цикла и при фиксированных характеристиках материала, с увеличением скорости разрушения пленки сокращается число циклов до разрушения пленки и соответственно до разрушения материала. С увеличением скорости разрушения пленки также снижается влияние залечивания пленки на характеристики процесса КРН. С ростом скорости растворения металла число циклов до разрушения резко падает, а затем начинает асимптотически приближаться к числу циклов до разрушения пленки. Снижение частоты цикла приводит к увеличению скорости процесса КРН при циклических нагружениях (п. 2.1.4. Плана работ научного исследования).
В результате информационного поиска выбран ряд математических моделей для описания упругопластического деформирования материалов в заданном диапазоне температуры и скорости деформации (п. 2.8 Плана работ научного исследования). Разработана система базовых экспериментов, программа испытаний и специализированное программное обеспечение для оснащения моделей необходимыми параметрами и константами.
Экспериментально построены кривые деформирования выбранного материала в зависимости от скорости деформации и температуры деформации (п. 2.9 Плана работ научного исследования). Построены температурно-скоростные зависимости условного предела текучести, временного сопротивления, предельных характеристик пластичности выбранного материала. Материал показал положительную чувствительность к скорости деформации. Напряжение течения заметно снижается с ростом температуры. Предельные характеристики пластичности увеличиваются при нагреве образцов.
По результатам статических и динамических испытаний определены параметры модели термовязкопластичности для выбранного материала без учета нейтронного облучения (п. 2.10 Плана работ научного исследования).


Отчет о проведенной работе в 2018 году

Представлены результаты исследований исследования по модельной и параметрической идентификации конструкционных материалов при квазистатических и динамических режимах нагружения.
Квазистатические режимы нагружения могут сопровождаться длительными (десятилетия) силовыми, температурными и радиационными воздействиями на элементы конструкций. Подобные условия эксплуатации приводят к специфическим эффектам поведения материала конструкций. Достоверное описание закономерностей механического поведения материалов вызывает необходимость разработки моделей деформирования в зависимости от температуры и повреждающей дозы облучения. Практическое применение таких моделей возможно после их оснащения материальными функциями для конкретных материалов.
Проведение численных исследований нелинейного поведения конструкций в условиях квазистатических термосиловых воздействий стимулирует создание соответствующих алгоритмов и программных средств.
Конструкционные материалы современной техники проявляют при деформировании эффекты зависимости упругих и прочностных характеристик от текущего вида напряженно-деформированного состояния. Такие материалы называются разномодульными. Для оценки напряженно-деформированного состояния и прочности конструкций из разномодульных материалов должны быть разрабатываются математические модели и алгоритмы, как математическая и методическая основа программных средств.
В рамках проекта развиты модели конструкционных материалов в зависимости от температуры и повреждающей дозы облучения. Проведена разработка математических моделей: радиационного распухания в зависимости от НДС; пластического деформирования, радиационной ползучести, модели термоактивированной ползучести в зависимости от скорости набора повреждающей дозы облучения. Для указанных моделей деформирования предложены алгоритмы, позволяющие определить значения материальных функций по результатам экспериментальных данных о закономерностях деформирования материалов при терморадиационных воздействиях.
Проведены исследования по разработке моделей, алгоритмов и программных средств решения задач статической прочности конструкций.
Разработаны математические модели и численная методика нелинейного поведения конструкций из изотропных материалов в условиях термосиловых квазистатических воздействий.
Созданы модели, алгоритмы и программы исследования квазистатических процессов деформирования элементов конструкций из разномодульных материалов.
Широкий класс задач оценки прочности конструкций в процессе эксплуатации связан с динамическим нагружением. Известно, что механические характеристики материалов (предел текучести, прочности), могут зависеть от скорости деформации, поэтому для рационального проектирования конструкций и их элементов в условиях интенсивного нагружения ударного или взрывного характера в модели материала необходимо учитывать эти зависимости. Качественные и количественные оценки влияния скорости деформации на характеристики материала могут быть получены лишь в результате экспериментального исследования. Однако, для динамических испытаний материалов практически отсутствуют стандартизованные методы испытаний и серийно выпускаемые установки и оборудование. Можно констатировать, что динамические свойства ряда традиционных и, тем более, новых материалов изучены недостаточно. Поэтому зачастую проектирование ответственных объектов выполняется с использованием статических свойств (или данных по известным зарубежным аналогам), что ведет к нерациональному проектированию конструкций, испытывающих ударные нагрузки. В связи с этим разработка инструментальных и методических средств проведения динамических испытаний, широкомасштабные исследования динамического поведения конструкционных материалов при различных условиях является актуальной задачей, а создание банка данных динамических свойств конструкционных материалов в зависимости от скорости деформации, температуры, интенсивности и истории их изменения имеет чрезвычайную важность и значимость.
В рамках проекта разработаны методики экспериментального исследования динамических характеристик материалов при разных видах напряженно-деформированного состояния, предложены системы базовых испытаний для оснащения ряда математических моделей деформирования и критериев прочности необходимыми параметрами и константами. Проведены экспериментальные исследования и построены скоростные зависимости некоторых характеристик материалов.


Краткое описание полученных научных результатов в первом полугодии 2018 года

Разработаны математические модели деформирования нержавеющих сталей в зависимости от температуры и повреждающей дозы облучения для решения задач расчета напряженно-деформированного состояния (НДС) конструкций. Описаны определяющие соотношения математической модели поведения материалов для случаев: радиационного распухания в зависимости от вида НДС; пластического деформирования; радиационной ползучести. Разработана математическая модель термоактивированной ползучести с учетом скорости ползучести от уровней действующих напряжений, температуры, интенсивности повреждающей дозы облучения. (п.1.1 Плана работ научного исследования). Описаны алгоритмы определения материальных констант и функций моделей деформирования материалов на основе экспериментальных данных о закономерностях механического поведения материалов. (п.1.2 Плана работ научного исследования). Созданы математические модели, алгоритмы, численные схемы и программные средства решения статических задач прочности конструкций. Развиты экспериментальные методики, позволяющие изучать влияние параметров нагружения на характеристики материалов при различных типах испытаний (сжатие, растяжение, сдвиг, срез и т.д.). Создан автоматизированный экспериментальный стенд для получения данных о температурно-скоростных зависимостях характеристик прочности и пластичности широкого круга материалов (базовые эксперименты) и проверки достоверности определяющих соотношений (верификационные эксперименты). Реализована экспериментально-расчетная процедура идентификации деформационной модели разрушения Джонсона-Кука. Показано, что в сплошных цилиндрических образцах и образцах с U-образным надрезом разрушение начинается на оси образца, в образце с V-образным надрезом – в вершине надреза. Показано, что параметры, определяющие кинетику накопления поврежденности (вид напряженного состояния, скорость деформации и температура) в точке разрушения, могут существенно меняться в процессе нагружения, поэтому при идентификации критерия разрушения необходимо учитывать историю изменения этих параметров. Созданы методики и алгоритмы идентификации определяющих соотношений. (п.1.3 Плана работ научного исследования). Экспериментально получены температурно-скоростные зависимости кривых деформирования некоторых сталей и алюминиевых сплавов при сжатии и растяжении. Показано существенное влияние как температуры так и скорости деформации на напряжение течения испытанных материалов. Показано, что напряжение течения, а также прочность материала возрастают с ростом скорости деформации, а рост температуры приводит к уменьшению радиуса поверхности текучести (п.1.6 Плана работ научного исследования). Определены параметры аппроксимаций экспериментальных поверхностей для ряда математических моделей, описывающих зависимость радиуса поверхности текучести от условий нагружения (п.1.2 Плана работ научного исследования). С использованием разработанной системы верификационных экспериментов показана достоверность идентифицированных определяющих соотношений. Получены экспериментально температурно-скоростные зависимости характеристик прочности и пластичности некоторых сталей. Построены зависимости времени разрушения образцов от условий нагружения (амплитуды нагрузки и температуры испытания), а также от формы концентратора напряжений (п.1.4 Плана работ научного исследования). Определены параметры деформационного критерия прочности Джонсона-Кука, учитывающего влияние скорости деформации, температуры и вида НДС на предельную пластическую деформацию для некоторых сталей. Описаны математические модели и численные методики для исследования нелинейного поведения материалов и конструкций в условиях квазисатических термосиловых воздействий. (п.1.5 Плана работ научного исследования). Описаны математические модели, алгоритмы и программные средства численного исследования процессов квазистатического деформирования элементов конструкций из разномодульных материалов. (п.1.14 Плана работ научного исследования).