Деформирование и разрушение алюминиевого сплава при механическом нагружении и локальном плазменном воздействии тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.04 ВАК РФ

На правах рукописи

Герасимов Михаил Юрьевич

УДК 539 3

ДЕФОРМИРОВАНИЕ И РАЗРУШЕНИЕ АЛЮМИНИЕВОГО СПЛАВА ПРИ МЕХАНИЧЕСКОМ НАГРУЖЕНИИ И ЛОКАЛЬНОМ ПЛАЗМЕННОМ ВОЗДЕЙСТВИИ.

Специальность 01 02 04 - Механика деформируемого твёрдого тела

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва

2008

003167959

Работа выполнена в Институте машиноведения им А А Благонравова РАН

Научный руководитель член-корреспондент РАН,

доктор технических наук Махутов Николай Андреевич

Официальные оппоненты доктор технических наук, профессор

Морозов Евгений Михайлович Доктор физ -мат наук, профессор Думанский Александр Митрофанович

Ведущая организация Московский Государственный Технический Университет Гражданской Авиации (МГТУ ГА)

Защита диссертации состоится " 22 " мая 2008г в часов на заседании Диссертационного совета Д 002 059 01 в Институте машиноведения им А А Благонравова РАН по адресу

101990, г Москва, Малый Харитоньевский переулок, д 4

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИМАШ РАН им А А Благонравова

Автореферат разослан " 2008г

Учёный секретарь

Диссертационного совета ---"^у?—' " ____,

кандидат технических наук • ' ВМ Бозров

Подписано в печать 23 03 08г Объем 1,0 ил Заказ № 1бр Тираж 100 экз Отдел оперативной полиграфии ИМАШ РАН

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ. Актуальность темы Описание физико-механических процессов, протекающих в материалах нагруженных конструкций при воздействии плазменных потоков, сильных электромагнитных полей и излучений является предметом разносторонних научных исследований Широта возможных вариантов протекающих физико-механических процессов, сопровождающих взаимодействие излучения с конструкционным материалом, находящимся под действием механической нагрузки, описывается множеством существующих специализированных моделей Описание процесса взаимодействия существенно усложняется в подавляющем большинстве случаев вторичными эффектами, отличными по своей природе от первичных образованием вторичных полей и излучений, нарушением сплошности среды в виде образования точечных, линейных и объёмных дислокаций и дисклинаций, изменением состояния вещества, появлением новых «примесных» атомов и молекул В итоге, претерпевают изменения основные физико-механические параметры материала, что приводит к кардинальному изменению процессов деформирования и разрушения нагруженных элементов конструкций В силу этого описание процессов, имеющих различную физико-механическую природу, протекающих в нагруженных средах с изменяющимися параметрами и даже составляющими атомами и молекулами является сложной и актуальной задачей Поведение материала среды проявляет в этом случае сугубо неоднородный' неизотермический нестационарный и нелинейный характер Поэтому разработанные и изложенные в диссертации феноменологический подход, полученный обобщённый прочностной критерий и численно-аналитические методы решения неоднородных нелинейных нестационарных и неизотермических задач поведения конструкционных материалов при взаимодействии с плазменными потоками, сильными физическими полями и излучениями в условиях возникновения и развития разрушения являются важным этапом решения проблемы Актуальность работы определяется также возможностью определения параметров прочности изделий и научно обоснованного создания элементов конструкций, работающих в условиях воздействия механических нагрузок, тепловых полей и плазменных потоков

Цель работы. Разработка феноменологического подхода и обобщающего прочностного критерия, позволяющих оценивать состояние материала в процессе зарождения и развития разрушения в случае нелинейного неизотермического воздействия на конструкционный материал нагрузок, температур и потоков плазмы Разработка моделей деформируемых сред и воздействий метода численно-аналитического решения неизотермических 'нелинейных 'нестационарных задач, обеспечивающего адекватное описание процесса взаимодействия плазменных потоков, сильных физических полей и излучений с материалами и конструкциями, находящимися под воздействием механической нагрузки

Научная новизна. Предложены новые феноменологические критерии прочности и трещиностойкости, определяющие поведение конструкционных

материалов и методы численно-аналитического решения неизотермических нелинейных нестационарных задач в условиях возникновения и развития разрушения, при комбинированном воздействии плазменных потоков, различных нагрузок, полей температур и излучений различной физической природы в зависимости от глубины и времени воздействия

Методы исследований. При разработке математических и численно-аналитических моделей деформирования и обобщающего критерия прочности и разрушения конструкционных материалов использовались результаты теоретических, численных и экспериментальных исследований Теоретические методы базировались на механике твердого деформируемого тела, механике сплошной среды, теории пластического течения, теории моментных и безмоментных оболочек, физики твёрдого тела Экспериментальные данные об изменении основных характеристик и свойств материалов при комплексном нелинейном неизотермическом воздействии на них использовались в виде исходных данных для теоретических оценок и численно-аналитических методов, а также для проверки полученных расчётных данных и нахождения обобщённого критерия прочности и разрушения конструкционных материалов

Достоверность разработок. В работе использованы апробированные расчётные и экспериментальные методы определения напряжённо-деформированного состояния конструкционных материалов пакеты прикладных программ, экспериментальный метод определения диаграмм «напряжение-деформация» на электрогидравлической разрывной машине МТ8 (модель №909 36) и другие, результаты экспериментов и расчётов сверялись с имеющимися литературными источниками

Практическая значимость работы. Разработаны в диссертационной работе методы численно-аналитического решения неизотермических нелинейных нестационарных задач взаимодействия сильных физических полей и излучений с металлическими материалами и использованы для анализа сопротивления разрушению тонкостенных конструкций, находящихся под воздействием плазменных потоков и нагрузок Получено решение задачи прочности и трещиностойкосги оболочки вплоть до достижения предельного состояния при трёх характерных режимах механическое нагружение, механическое нагружение с одновременным плазменным воздействием, механическое нагружение после плазменного воздействия

Основные положения, выносимые на защиту: - феноменологический подход к определению параметров напряжённо-деформированного состояния конструкционных алюминиевых материалов, испытывающих возникновение и развитие разрушения при нелинейных неизотермических полях деформаций и температур,

-обобщённый критерий прочности в условиях сложного локального термомеханического и физико-химического воздействия, зависящий от глубины слоя плазменного воздействия,

- модель температурно-временного взаимодействия плазменных потоков, излучений и механических нагрузок,

- метод экспериментального и численного решения задач о напряженно-деформированных и предельных состояниях оболочечных конструкций при комбинированных воздействиях нагрузок, нагрева и плазменных потоков,

- решение связанной термомеханической задачи о нагружении оболочечных элементов конструкций на стадиях возникновения и развития разрушения с использованием разработанного численного решения системы определяющих дифференциальных уравнений

Реализация работы. Результаты работы в виде экспериментальных методик и методик расчёта переданы дам реализации на кафедру «Физики" МГТУ имени Н Э Баумана Результаты диссертационной работы внедрены в ОКБ «Гидропресс», в программы дисциплин «Спецглавы физики» для подготовки дипломированных специалистов по направлению 13 06 00 «Ракетостроение» Аэрокосмического факультета и "Физические основы прочности и разрушения" специальности 14040068 "Техническая физика" факультет "Фундаментальных наук" МГТУ имени Н Э Баумана

Апробация »работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на 3-ей международной научно-технической конференций «Чкаловские чтения» (г Егорьевск, 1999г), 1-ой, 2-ой и 3-ей Всероссийских конференциях «Необратимые процессы в природе и технике» (г Москва, 2001г, 2003г 2005г), 7-ой Всероссийской научной конференции «Нелинейные колебания механических систем» (г Нижний Новгород,2005г), ХП, XV и XVI Международных Интернет- конференциях молодых учёных, аспирантов и студентов по современным проблемам машиноведения (г Москва 2000г, 2003г и 2004г, решением Оргкомитета работы за 2000 и 2004гг отмечены почетными дипломами за наиболее интересные научные сообщения) Результаты работы были использованы при составлении Научно-технического отчета ИМАШ имени А А Благонравова РАН, Министерства атомной энергии, ОКБ «Гидропресс» г Москва 2000 и 2002гг, при выполнении работ по гранту РФФИ №04-01-00746 «Исследование нелинейного взаимодействия напряжённо-деформированных состояний, полей накопленных напряжений, процессов образования и развития трещин при циклическом деформировании» в 2004 и 2005гг и при работе над проектом РФФИ «Фундаментальные закономерности процессов деформирования и разрушения для обоснования повышенного ресурса безопасной эксплуатации водо-водяных энергетических реакторов новых поколений» за 2005г

Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 работ Объём и структура работы. Диссертация состоит из 6 разделов введения, 4-х разделов основного содержания и заключения, содержит 148 стр текста, 59 рисунков, 12 таблиц и библиографический список литературы из 133 наименований

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ.

Во введении сформулирована задача исследования, показана актуальность разработки критерия прочности и разрушения и метода решения неизотермических нелинейных нестационарных задач поведения материалов, сред и элементов конструкций в условиях воздействия плазменных потоков, сильных физических полей и излучений и предварительного нагружения Перечислены основные результаты работы, дано краткое изложение диссертации по разделам, а также информация о результатах апробации работы

В первой главе проведен обзор литературных источников, изложены результаты анализа основных задач, связанных с поведением конструкционных материалов, находящихся в условиях изотермической и неизотермической нелинейной нагрузки и под воздействием плазменных потоков, физических полей и излучений Выявлены возможные основные варианты воздействия на материалы конструкций в зависимости от вида нагрузок и интенсивности потоков Приведены известные основные модели термомеханического и физико-химического взаимодействия сильных плазменных потоков, физических полей и излучений с предельно нагруженными конструкционными материалами, а также экспериментальные исследования по этому вопросу Детально рассмотрены основные физико-механические процессы, протекающие в деформируемой среде при таком взаимодействии Проведено физико-математическое моделирование основных процессов взаимодействия нагрузок, температур, времени и потоков Определены основные физические и механические характеристики конструкционных материалов и потоков, которые играют решающую роль в процессе деформации и разрушения элементов конструкций

Во второй главе приведена разработанная методика экспериментального исследования Сформулированы основные вопросы, которые необходимо было решить при проведении экспериментальных исследований Было установлено, что учёт всех параметров деформирования и разрушения, а также особенностей неизотермичности нагружения и физикомеханических эффектов воздействия плазмы на материал практически невозможен, поэтому в исследования были внесены соответствующие уточнения В этих условиях значительную роль играют экспериментальные данные, позволяющие в каждом конкретном случае обобщать накопленный материал в виде некоторых интегральных уравнений- уравнений состояния материала (диаграмм деформирования) и уравнений предельных состояний (диаграмм разрушения)

В третьей главе представлены результаты проведённых экспериментов Описан процесс экспериментального определения характеристик деформирования и разрушения при комплексном воздействии на конструкционный материал Приведён расчётно-экспериментальный метод определения характеристик процессов деформирования и разрушения В процессе данных исследований, были проведены численные расчёты

процессов нагрева и деформирования, результаты которых сопоставляются в данном разделе с экспериментальными и расчётно-экспериментальными исследованиями по ранее известным моделям поведения конструкционных материалов

Экспериментальные исследования проводились в следующей последовательности Плоский образец был закреплен в разрывной машине и был предварительно нагружен осевым усилием в 10000Н С одной из его боковых сторон на центральную часть образца размером в 1/3 его ширины с расстояния 40 мм воздействовали лучом холодной плазмы в течение 2-Зс, полученной с помощью установки «Мультиплаз-2000» С противоположной стороны, для определения поля температур разогретого материала образца велась его съемка инфракрасной камерой термовизора АОА-782 За указанное время температура срединной часта образца достигала 400-450°С, а боковых точек центрального сечения не более 200°С При достижении данного поля температур происходило разрушение образца по центральному сечению При этом начальный процесс разрушения был связан с зоной максимальных температур при сравнительно небольших общих деформациях Исследования были выполнены на двух типах образцов при двух видах нагруженных состояний - на плоских растягиваемых образцах при одноосном напряжённом состоянии и на плоских оболочках, закреплённых по круговому контуру при нагружении давлением, что соответствует плоскому напряженному состоянию

Экспериментальные исследования

Испытания на осевое растяжение плоских образцов из сплава Д16 производилось на электрогидравлической разрывной машине МТБ (модель №909 36) В центральной рабочей части образца создавалось локальное воздействие плазменной струи с помощью устройства «Мультиплаз-2000» Результаты экспериментальных исследований фиксировались в виде диаграммы растяжения в координатах «нагрузка-перемещение А£ захвата» на записывающем устройстве разрывной машины По величинам нагрузок Р

вычислялись номинальные напряжения («г = ), а по перемещениям М -

/ о

деформации = )> где Р0- исходное поперечное сечение рабочей части

образца (/^ =80лш2), £0- длина рабочей части образца (£0=10мм) Изменения температурного поля в образце измерялись с помощью инфракрасной камеры термовизора АОА-782

Конструкция испытуемого образца, представляет собой вырезанную из плоского листа из сплава Д16 толщиной 2мм деталь, в центральной трети которой располагается её рабочая часть, имеющая размер 40x70мм По краям образца расположены крепёжные отверстия, с помощью которых через 8 фиксирующих болтов образец устанавливается в зажимы разрывной

машины. Схема проведения экспериментальных исследований показана на рис.1.

Рис. 1. Схема проведения экспериментальных исследований: 1 - рабочая часть разрывной машины МТБ;

2-испытываемый образец в захватах;

3-плазменная установка локального действия «Мультиплаз-2000»;

4-инфракрасная камера термовизора АОА-782;

5-записывающее устройство RIK.ADF.NKI.

6-чертёж образца.

б)

Рис. 2. Схема осесимметричных статических испытаний.

а) Образец для испытаний ф1- внешний диаметр 150мм, D2- диаметр рабочей части образца 110мм, (11- диаметр крепёжных отверстий п7 мм, расположенных по диаметру (12- 135мм), б) Схема рабочей камеры установки (1- закреплённый образец, 2- корпус, 3- прижимной диск, 4-крепёжный болт, 5- уплотнительное резиновое кольцо, 6-воздушный вентиль), в) Фотография установки (1 - Закреплённая пластина, 2 -Подводящий шланг, 3 - Манометр, 4 - Бак ресивер, 5 - Компрессор, 6 -Корпус установки)

При испытаниях осесимметричных образцов в виде плоской пластины 1 (рис 2) через герметизирующую прокладку посредством 8 болтов прикреплялся к корпусу установки 6, который представлял собой герметичную камеру с воздушным вентилем В эту камеру с помощью компрессора 5 через бак ресивер 4 по гибкому шлангу 2 подавался сжатый воздух, давление которого контролировалось манометром 3 Для предотвращения чрезмерного увеличения давления в баке ресивера установлен предохранительный клапан, который был отрегулирован на критическое давление 0,8 МПа

Анализ процессов деформирования и разрушения при одноосном

растяжении.

Экспериментальные исследования проводились в такой последовательности Образец был закреплен в разрывной машине и был предварительно нагружен осевым усилием Р в 10000Н С одной из его боковых сторон на центральную часть образца размером в 1/3 его ширины с расстояния 40 мм воздействовали лучом холодной плазмы в течение 2-Зс, полученной с помощью установки «Мультиплаз-2500» С противоположной стороны, для определения поля температур разогретого материала образца велась его съемка инфракрасной камерой термовизора АОА-782 За указанное время температура срединной части образца достигала 400-450°С, а боковых точек центрального сечения не более 200°С При достижении данного поля температур происходило разрушение образца по центральному сечению При этом начальный процесс разрушения был связан с зоной максимальных температур при сравнительно небольших общих деформациях По этой программе (см табл 1) была испытана группа образцов(№2-4)

.........■ ■■ . . -

1 -v.-fc, .■ 2 3 . 4 У.5Й®«

Рис.3. Фотографии разрушенных образцов.

Образцы 1- 3 испытаны в процессе плазменного нагрева при неизотермическом процессе нагружения. Образец 4 испытан при комнатной температуре после воздействия плазменным источником.

Таблица 1 Программы испытаний образцов

Образец № Условия испытаний

Механическое нагружение Воздействие плазмы

1 Растяжение до разрушения

2 Нагружение до заданной нагрузки Р = ] 0000Я Действие плазмы до разрушения при <1МХ = 5 С

3 Нагружение до заданной нагрузки Р = 10000Я Действие плазмы до разрушения при ^ -1с

4 Нагружение до заданной нагрузки Р = 1ООООЯ Действие плазмы до разрушения при 11ШХ = 9с

5 Нагружение до разрушения после плазменного воздействия без нагрузки Предварительное плазменное воздействие до tmíK = 1с без нагрузки

Табл. 2. Экспериментальные характеристики.

№ точки t, с т,°с аг, МПа е,1/с

1 0 0 0 0 0

2 1 107 10 0,3 Зх10~3

3 3 203 ■ 40 0,65 1,75x10'3

4 5 305 75 1,05 2 х 10~3

5 7 415 123 1.5 2,2x10'3

ст,МРа

400: 350 300

200;

850

150

100

50

J I i I i M M i M i i M и i i ! i i i i ■ i i f i i- r M i l l-,

0 5 10 15 20 25 30 35

Рис 4 Диаграмма деформирования 1- 5- в условных напряжениях, 1*-5* - в истинных для образцов № 1-5

Локальные характеристики нагружения и деформаций.

В соответствии с уравнениями линейной механики разрушения коэффициенты концентрации К„ и локальные напряжения <ху возрастают до бесконечности При упругопластических деформациях происходит глубокое перераспределение напряжений и деформаций в вершине трещины Тогда в рамках нелинейной механики разрушения, развитой в ИМАШ РАН НА Махутовым, вместо коэффициентов интенсивностей напряжений К, могут быть использованы коэффициенты интенсивностей деформаций Кл В обобщённом анализе полей упругопластических деформаций в зоне трещин используются относительные напряжения

и деформации (ат -предел текучести, ет -упругая

деформация предела текучести, £-модуль продольной упругости)

(1)

(2)

где Ра- показатель степени, зависящий от m и а

т -показатель упрочнения материала в упруго-пластической области (а=ёш), определяют экспериментально или расчётом по стандартной характеристике механических свойств- распределению интенсивностей упругих напряжений а, при (// = 0,3)

Рке =

1 + т

(3) , п - константа (и=0,5)

А по (2) с использованием (1) можно получить в упругопластической области распределение интенсивностей относительных деформаций при коэффициенте Пуассона ц = 0,5 соответственно будет

£

К;,

(2 т)

Уг '

е, =

(2яг)Р" '

(4),

где

[ Ке

При номинальных напряжениях гг<1 и ги-с-с 1 1 :£Ра <2 и 0,52Р„ £ 1 Это указывает на то, что с образованием пластических деформаций в вершине трещины при повышении а, величины К„ увеличиваются интенсивнее чем К1, а распределение локальных деформаций е, становится всё более неравномерным

Распределение локальных напряжений по г будет подчиняться закону

■е, =

Кь

(5)

,(2ж)Р" _

и будет более равномерным, чем при упругом деформировании

Было принято, что разрушение в локальном объёме в вершине трещины происходит при достижении предельной деформации

-ек =—1п-

ет

(6),

где у/к- относительное сужение в шейке образца На основе (4) и (6) может быть вычислен размер зоны разрушения

Г/ " 2ж

К,

-\2

(7)

V /

Уравнения (1)-(7) позволяют построить диаграмму разрушения, связывающую приращение трещины ту с номинальным напряжением а при изотермическом кагружении Такие зависимости для алюминиевого сплава Д16 для температуры 20°С показаны на рис 5 Согласно

проведённым расчётам дня заданного условия ег размер зоны разрушения ту. при увеличении температуры до 200°С уменьшается в и = 1,5 раза, а при увеличении температуры до 400°С в п = 4 раза за счёт роста ц/к

"Л

Рис 5 Увеличение относительного размера зоны разрушения гг11„ для пластины с центральной трещиной

На рис 6 представлены рассчитанные по этим зависимостям прочностные параметры <тв- предел прочности и о> - предел текучести в зависимости от определённых в ходе эксперимента температур и рассчитанных значений номинальных растягивающих напряжений- <тг в образце от действия внешней нагрузки Р =100ООН в момент времени г = 7с Как видно на этом рис значения растягивающих напряжений сг г, представленные пунктирной линией в средней часта образца превышают предел прочности материала при данном виде сложного нестационарного нагружения Это и объясняет начало разрушения в средней части образца (при 2/3=4111111), отмеченной в ходе экспериментальных исследований

Т,°С ст,МРа

440 420

400

Ов •0"х Ох

380

360

340

зго

21=4мм

Т

300

М I II I I ! I I М I I I I I I I I I I I I I I I I I го 15 10 5 о 5 ю

1111111

15 го г,ММ

Рис 6 Падение прочностных параметров по ширине образца

Для оценки локальных напряжений ~о, и деформаций Тг в зоне трещины с заданной длиной 21„ были использованы результаты расчётов методом последовательных приближений В поперечном сечении для поля температур г по рис 4 строилось распределение относительных напряжений

а = ,, сг'т -предел текучести для температуры X, = Р/р ^ и вычислялось

среднее (номинальное) значение напряжений ап = 0,38 Далее по (1) вычислялось значение коэффициента интенсивности напряжений К,, и по (2) значение коэффициента интенсивностей деформаций К,, При этом в расчёт вводилось осреднённое значение показателя упрочнения т, зависящее от температур г и определяемое изменением сопротивления отрыву и предельной пластичности ек В интервале температур от 20° до 400°С величина т изменялась в пределах от 1 (упругая деформация) до 0,05 (упругопластическая деформация)

Показатель Ра по (3) оказался равным 1,23, а Рге =

Тогда распределение деформаций е, и напряжений а, в минимальном сечении в пластине при 210 = 4мм и Ь = 40мм изменяются по сравнению с распределениями на рис 6 -и у вершины трещины будут выше От относительных напряжений а. можно на основе рис 6 перейти к абсолютным значениям напряжений а, = гт, а'Т Напряжения а'т,а'в,аг,а, показаны на рис 7

ст,МРа

400 300 гоо юо

СГ1

ОС;

с?

г •> 6 8 г,мм Рис 7 Распределение напряжений у вершины трещины

Построена диаграмма разрушения гг-о по мере роста температуры г во времени г Прирост температур / будет приводить к снижению е^ по рис 6, что эквивалентно росту а при заданной нагрузке Р = 10кН Если считать, что а'т будет также снижаться с ростом г, то величина гг будет

увеличиваться со временем г На рис 8 показана расчётная диаграмма разрушения «гг -т» Окончательно разрушение образца в эксперименте

произошло на 5 секунде

Г[ ,км

т, с

Рис 8 Расчётная диаграмма разрушения при плазменном нагреве

Из решения задачи линейной механики разрушения о напряжённо-деформированном состоянии в вершине трещины следует соответствующая

картина полей интенсивностей локальных напряжений (

-- = с

а, =

в I

I-. соя—.1+Ззт2 —

■>/2яг\ 2 V 2

(8),

где г,в- полярные координаты, отсчитываемые от вершины трещины В упругопластической области

Ки

\j2nrf-

Я

со^—Ззш

9

(9)

Для изотермического нагружения плоских образцов с учётом приведённых выше данных о величинах т и а можно построить изолинии

равных интенсивностей напряжений у вершины трещины (рис 9- сплошные линии) Для неизотермического случая нагружения таких образцов, интенсивности напряжений у вершины трещины пересчитаны в соответствии с рис 7 и представлены на рис 9 пунктирными линиями

На рис 7 видно, что влияние неизотермичносга в данных условиях более существенно непосредственно у вершины трещины При этом зона наибольших деформаций приобретает более вытянутую форму вдоль минимального сечения

распределение

Рис 9 Поля интенсивностей напряжений в вершине трещины

В четвёртой главе представлено дальнейшее развитие расчётных методов исследования процессов деформации, повреждения и разрушения и включает в себя физико-математическое моделирование данных процессов на основе имеющихся экспериментальных данных, разработанной модели поведения материала в условиях неизотермического плазменного нагрева и нелинейного механического нагружения, проведённого расчётно-экспериментального исследования процессов деформирования и разрушения Здесь представлены результаты численного моделирования При данных тестовых вариантах расчётов, которые повторяли варианты экспериментальных исследований, были использованы механизмы разупрочнения материала, полученные при одномерных испытаниях В результате, при данном моделировании, прогибы оболочек имели отличия от экспериментально полученных прогибов для двумерного случая нагружения не более б% При этом максимальные величины несоответствия были получены на радиусах около половины радиуса оболочки, где разрушение не

наблюдалось. Также в данном разделе представлено описание физических процессов взаимодействия высокоэнергетичного излучения с веществом материала оболочки. Приведет результаты расчёта выделившейся в оболочке энергии облучения с помощью программы «GEANT», разработанной в CERN, на основании которого была получена и приведена в данном разделе зависимость, позволяющая определить параметры разупрочнения материала в зависимости от мощности и времени воздействия высокоэнергетичного облучения. В разделе решена задача о развитии напряжённо-деформированного состояния и движения осесимметричной моментной оболочки под действием внутреннего давления в условиях термического разупрочнения.

Приведены результаты численного эксперимента по моделированию деформирования осесимметричной оболочки из сплава Д16 под действием постоянной распределённой нагрузки в условиях термического разупрочнения (рис.10). Приведено сравнение полученных результатов численного эксперимента, теоретических исследований и экспериментальных практических данных (рис. 11).

> ч

Рис.10. Распределение перемещений элементов при численном моделировании.

Рис. 11. Деформация при численной аппроксимации результатов эксперимента после разрушения образца.

Изменение прочностных свойств материала в зоне физико-химического воздействия происходит в соответствии с полученным обобщённым прочностным критерием по экспоненциальной зависимости

<г„ = сг. ехр(-а^__), (10)

где а - параметр, зависящий от свойств материала и определяемый экспериментально

Пространственное представление полученного решения приведено на

рис 12

Рис 12 Деформация оболочки, полученная расчётным путем

В главе приведены результаты расчёта взаимодействия излучения с веществом, оценены выделения энергии в облучаемом конструкционном материале и расчёты параметров разупрочнения в соответствии с этой оценкой

На базе экспериментальных данных и теоретических разработок был получен обобщенный критерий прочности материалов, находящихся под воздействием нелинейной неизотермической нагрузки в области зарождения и развития разрушения

В этом выражении отражена зависимость уменьшения прочностных свойств материала и в первую очередь за счёт охрупчивания от времени воздействия облучения Вместе с тем, необходимо учитывать и энергетические параметры облучения, которые можно учесть в виде интегрального параметра - изменения температуры Экспериментальные исследования зависимости изменения прочностных свойств от температуры материала позволяют сделать вывод, что общий характер этого изменения так же весьма близок к экспоненциальному закону

оз

О-,«ОТ, ехр(~7/0

(И)

где ц - константа, определяющая свойства материала,

Tf -температура плавления,

Т - достигнутая при облучении температура,

В результате объединения этих двух представленных зависимостей получается результирующее соотношение

0-,=<т. ехр(13)

где а- параметр, зависящий от свойств материала и определяемый экспериментально

В графическом виде это соотношение представлено на рис 13, где также нанесены четыре контрольные точки, полученные в эксперименте для исходного состояния (точка 1) и для состояний образцов с облучением различной мощности (точки 2, 3, 4). Эти данные соответствуют значению а = 50 На рис 14 эта зависимость представлена в зависимости от глубины слоя конструкционного материала, что было необходимо для проведения численных расчетов

Рис 13 График уменьшения прочности материала

tfi

Рис 14 График изменения прочности материала в зависимости от времени действия плазменного потока и глубины слоя конструкционного материала

Предложено математическое описание процесса деформирования моментной оболочки под действием распределённой нагрузки в условиях термического разупрочнения Раздел содержит физико-математическую постановку задачи в лагранжевых координатах в условных напряжениях

Система уравнений, описывающих движение элемента оболочки, в лагранжевых координатах без учета инерции вращения имеет вид

М/сЛ = +рх~-эту

+ + , (14)

£©„

дМа

-Месо$г-<2„ =0

где 5„- лагранжева координата, отсчитываемая от оси оболочки вдоль её меридиана в начальный момент времени, х,у- эйлеровы координаты элемента оболочки,

РоАЛ" соответственно начальная плотность, начальная толщина и начальный радиус элемента оболочки, р - давление внутри оболочки,

у - угол между касательной к меридиану оболочки и осью ОХ

Для описания неупругого деформирования используется условие текучести Мизеса в форме

= (15)

где значение величины а' = а" ,для произвольной точки оболочки,

определяется на основании кривой растяжения для некоторого интервала скоростей деформации и температур при динамических испытаниях При этом приближенно учитываются процессы, связанные с увеличением сопротивления пластическому деформированию в динамике, а также упрочнение в процессе деформирования

Приращения пластических деформаций вычисляются на основании теории пластического течения

^ = Ф?(2<7" ~СТв)' Де* = (16)

где <Мр- приращение работы пластической деформации

Для решения основной задачи в разделе используются методы механики твёрдого деформированного тела, механики сплошной среды, теории пластического течения, методы численного анализа

В главе описывается численная модель решения задачи деформирования моментной оболочки вращения из конструкционных материалов для случая нелинейного неизотермического нагружения Решение системы уравнений выполняется методом конечных разностей с использованием явной схемы счёта-«крест» Представленные в диссертационной работе результаты расчета по данной модели согласуются как с результатами экспериментов, так и с результатами численных расчётов конечно-элементными методами (рис 8-10)

В главе приведены также составленные методические рекомендации в соответствии с разработанной феноменологической моделью определения прочности и разрушения при локальных воздействиях Подраздел состоит из двух пунктов В первом представлен алгоритм выработанного феноменологического подхода к данному расчёту Во втором приведена оценка соответствия расчётов экспериментальным исследованиям

В заключении изложены основные результаты диссертационной работы

Основные результаты работы

1 Рассмотрено влияние физико-химических воздействий (плазменных потоков и излучений) на прочностные свойства конструкционных материалов, находящихся под воздействием комплексной нагрузки в условиях зарождения и развития разрушения, разработаны численно-аналитические и экспериментальные методы определения напряжённо-деформированного состояния материалов и конструкций, как в локальных зонах, где параметры наиболее интенсивные, так и для всей технической системы в целом

2 Разработан феноменологический подход к определению параметров напряжённо-деформированного состояния конструкционных материалов и сред, испытывающих нелинейные неизотермические нагрузки при условии возникновения и развития разрушения При этом была представлена зависимость прочностных свойств материалов конструкций для случая плазменного нагрева (вплоть до температуры плавления материала) как от температуры материала, так и от мощности плазменного облучения

3 В результате проведённых в диссертационной работе расчетов было установлено, что известная методика расчёта на прочность как дтя упругого, так и доя упругопластического случая при использовании данных установленных зависимостей для прочностных параметров, может применяться для расчетов на прочность конструкций, работающих в условиях нелинейного неизотермического нагружения, в том числе плазменными источниками нагрева Данные зависимости справедливы и при расчёте параметров разрушения в локальной области у вершины трещины

4 Разработан обобщенный критерий по оценке прочностных характеристик конструкционных материалов в условиях сложного механического и физико-химического воздействия, зависящий от глубины

слоя, подвергаемого воздействию материала, в том числе при возникновении и развитии разрушения В данной работе рассматривались относительно тонкие (h =0,02-0,05/), как линейные, так и плоские образцы, поэтому рассмотренными факторами выделения энергии облучения по толщине оболочки пренебрегали Данное направление является одним из возможных вариантов развития данной проблематики, вместе с последующей дискретизацией вопросов трещиностойкости в глубине материала конструкций

5 Разработана модель численно-аналитического решения неизотермических нелинейных нестационарных задач взаимодействия плазменных потоков и излучений с оболочечными конструкционными материалами, находящимися под нагрузкой Для проведения расчетов на прочность и разрушение согласно указанным моделям поведения материала составлены компьютерные программы с использованием Fortran

6 Разработан метод алгоритмизации для решения задач о поведении оболочечных конструкционных материалов, находящихся в условиях нелинейной неизотермической нагрузки и при возникновении и развитии разрушения

7 Результаты работы использовались при работе над следующими задачами

- Описание процессов взаимодействия и разрушения технологических каналов с тепловыделяющей сборкой при их падении в бассейн выдержки и в открытый реактор,

- использование механики и физики прочности при переходе на новый курс физики в техническом вузе на примере подготовки студентов «Аэрокосмического факультета» МГТУ имени Н Э Баумана,

- разработка математических основ анализа численно-аналитических моделей, описывающих динамическое поведение жестко-пластических систем при больших итоговых перемещениях под действием следящих нагрузок,

- расчет параметров ударно-волнового взаимодействия заготовки и зеркала матрицы в условиях импульсной штамповки и калибровки высокоточных деталей из труднообрабатываемых материалов

Основное содержание диссертации изложено в следующих работах:

1 Герасимов М Ю, Герасимов Ю В, Герасимов Н В, Ловля В С, Бородина ТВ К вопросу о физико-математическом моделировании проблем безопасности // Тезисы докладов 3-ей международной научно-технической конференции «Чкаловские чтения» - Егорьевск, 1999г-с 260-262

2 Герасимов М Ю , Герасимов Ю В , Герасимов Н В , Махутов Н А, Щеглов Б А Динамика поведения трубопроводов при постулированных мгновенных разрывах Разработка инженерного метода и программы для ПЭВМ // Научно-технический отчёт ИМАШ имени А А Благонравова РАН, Министерство атомной энергии, ОКБ «Гидропресс» - Москва, 2000г - 120с

3 Герасимов МЮ Нелинейное неизотермическое возникновение и развитие разрушения // Тезисы докладов ХП Международной Интернет- конференции молодых учёных, аспирантов и студентов по современным проблемам машиноведения - Москва, 2000г -с 14-15

4 Герасимов М Ю, Герасимов Ю В , Герасимов Н В Необратимые процессы взаимодействия и разрушения технологических каналов с тепловыделяющей сборкой при их падении в бассейн выдержки и в открытый реактор II Тезисы докладов Всероссийской конференции «Необратимые процессы в природе и технике» - Москва, 2001г - с 6870

5 Герасимов МЮ, Герасимов ЮВ, Герасимов НВ, Бородина ТВ Некоторые вопросы построения и численно-аналитического моделирования сложных инженерно-технических систем II Тезисы докладов Всероссийской конференции «Необратимые процессы в природе и технике» - Москва, 2001г - с 88-90

6 Герасимов М Ю, Герасимов Ю В, Герасимов Н В , Бородина Т В, Пылова МБ, Карасёва ВП К вопросу об использовании реферативной работы со студентами для планомерного перехода на новый курс физики в техническом вузе на примере подготовки студентов «Аэрокосмического факультета» МГТУ имени Н Э Баумана И Тезисы докладов Всероссийской конференции «Необратимые процессы в природе и технике» - Москва, 2001г - с 342-344

7 Герасимов М Ю , Герасимов Ю В , Герасимов Н В , Махутов Н А, Щеглов Б А Постановка задачи о динамической реакции трубопровода Инструкция по применению программы для расчёта динамического поведения трубопроводов при постулированных мгновенных разрывах // Научно-технический отчет ИМАШ имени А А Благонравова РАН, Министерство атомной энергии, ОКБ «Гидропресс» - Москва, 2002г - 96с

8 Герасимов М Ю , Герасимов Ю В , Герасимов Н В , Махутов Н А, Щеглов Б А Инструкция пользователя по работе с программным средством «Расчёт движения трубопровода при постулированном мгновенном разрыве» Н Научно-технический отчет ИМАШ имени А А. Благонравова РАН, Министерство атомной энергии, ОКБ «Гидропресс» - Москва, 2003г - 42с

9 Герасимов М Ю, Герасимов Ю В, Герасимов Н В Некоторые вопросы построения и численно-аналитического моделирования необратимых процессов взаимодействия жестких полей и излучений с различными материалами и конструкциями // Тезисы докладов 2-ой Всероссийской конференции «Необратимые процессы в природе и технике» - Москва, 2003г - с 61-62

10 Герасимов МЮ Движение осесимметричной оболочки под действием внутреннего давления в условиях термического разупрочнения // Тезисы докладов XV Международной Интернет - конференции

молодых ученых, аспирантов и студентов по современным проблемам машиноведения - Москва, 2003г - с 9-10

11 Герасимов М Ю, Махутов Н А, Лукьянов В В Изучение зарождения и развития разрушения дюралюминиевых образцов, находящихся в условиях сложного физико-химического нелинейного неизотермического нагружения // Тезисы докладов XVI Международной Интернет - конференции молодых учёных, аспирантов и студентов по современным проблемам машиноведения- Москва, 2004г - с 16-17

12 Герасимов М Ю, Герасимов Ю В, Герасимов Н В Математические основы анализа численно-аналитических моделей, описывающих динамическое поведение жестко-пластических систем при больших итоговых перемещениях под действием следящих нагрузок // Тезисы докладов 3-ей Всероссийской конференции «Необратимые процессы в природе и технике» - Москва, 2005г - с 94-96

13 Герасимов М Ю, Герасимов Ю В, Глаголев К В, Гладышев В О, Горелик В С, Дворук С К, Морозов А Н, Поздышев М Л, Табалин С Е, Черткова ЛАК вопросу о расчете параметров ударно-волнового взаимодействия заготовки и зеркала матрицы в условиях импульсной штамповки и калибровки высокоточных деталей из труднообрабатываемых материалов // Труды УП-ой Всероссийской научной конференции «Нелинейные колебания механических систем» -г Нижний Новгород, 2005г -с 248-250

14 Герасимов М Ю, Махутов Н А, Лукьянов В В Разрушение в условиях статических нагрузок и физико-химического воздействия // Труды ИМАШ имени А А. Благонравова РАН, 2005г

15 Герасимов МЮ, Махутов НА, Лукьянов В В Особенности разрушения при локальном воздействии плазменной струи и статических нагрузок // Заводская лаборатория Исследование структуры и свойств - 2006г

Введение

СОДЕРЖАНИЕ

Гл. 1. Основные закономерности процессов нелинейного деформирования при изотермическом и неизотермическом нагружении.

1.1. Уравнение состояния при изотермическом нагружении

1.2. Характеристики разрушения при изотермическом нагружении

1.3. Критерии образования и развития трещин

1.4. Оценка физико-химических воздействий на сопротивление образованию и развитию разрушения

1.5. Учёт особенностей неизотермичности нагружении

Гл. 2. Методика экспериментальных исследований.

2.1. Постановка задач экспериментальных исследовании

2.2. Механические испытания при одноосном и двухосном нагружении

2.3. Неизотермический плазменный нагрев

2.4. Совместное воздействие механических нагрузок и плазменного нагрева

Гл. 3. Деформирование и разрушение при комплексном воздействии на конструкционный материал.

3.1. Постановка задачи эксперимента

3.2. Экспериментальное определение характеристик деформирования

3.3. Расчётно-экспериментальное исследование процессов разрушения

Гл. 4. Физическое и математическое моделирование процессов деформирования, повреждения и разрушения.

4.1. Численное моделирование задачи о напряжённо- деформированных состояниях при двухосном неизотермическом нагружении

4.2. Описание процессов повреждения плазменными потоками

4.3. Анализ прочности при неизотермическом нагружении

4.4. Постановка краевой задачи о развитии напряжённо-деформированного состояния в оболочке вращения под действием внутреннего давления и термического воздействия

4.5. Методические рекомендации по определению прочности при локальных воздействиях

4.5.1. Порядок определения прочности

4.5.2. Оценка соответствия расчёта результатам экспериментов

В современном мире всё большее значение приобретают авиационная и космическая техника, энергетическое машиностроение и многие другие технические системы высокой энерговооружённости, призванные работать в сложных условиях термомеханического нагружения и физико-химических воздействий рабочих процессов- и окружающей среды [1,2,3,4,5]. Это связано, в первую очередь, с возрастающими скоростями полётов в сверхзвуковой области скоростей, производством и потреблением энергии и ростом её использования [6,7]. Решить < возрастающие энергетические проблемы на данный момент истории способно использование высокотемпературных процессов в. тепловой, атомной и термоядерной энергетике, а также активное использование парогазовых плазменных потоков, космических, излучений и электрофизических полей [1,4,7,8]. Вместе с тем недостаточно-изученные сложные многофакторные процессы, протекающие в таких сложных системах и сопровождающие использование' подобных видов энергии, чреваты огромными последствиями для экологии в общемировом масштабе [9]. Поэтому основные несущие узлы и конструкции подобных технических систем проектируют таким образом, чтобы либо исключить возможность аварии, как отдельного узла, так и непосредственно всей конструкции, либо так, чтобы все возможные совокупные последствия мелких локальных аварий не приводили к более крупным глобальным авариям [1,2,6,9,10]. К сожалению, идти по первому пути препятствует достаточная сложность и многоэлементность конструкций, а также многофункциональность отдельных частей оборудования. В этом направлении наибольшее развитие получила концепция дублирования основных (если нет возможности дублирования* всех) узлов конструкции, выход из строя которых способен привести к фатальным последствиям [11,12].

Для достижения безаварийности в работе крупных, разветвлённых, технических систем постоянно модернизируют методы контроля технического состояния различных элементов конструкций и аппаратно-программных комплексов, управляющих в режиме реального времени работой систем [1,2,5,13], что более характерно для второго пути построения безопасных систем. Для этих целей в уже существующие конструкции устанавливают всё новые и новые датчики и механизмы, позволяющие вовремя определить начало процесса выхода какого-либо узла конструкции из строя и, одновременно с выводом его из рабочего режима функционирования, передать выполнение его функций на дублирующий узел [14]. В случае невозможности обеспечения такого безостановочного процесса, контраварийная система обеспечивает вывод из рабочего режима всей конструкции до момента устранения неисправности [14,15].

Поэтому ключевой проблемой при построении энергоёмких технических систем во всех случаях является определение критериев, обеспечивающих надёжное функционирование элементов систем и, в первую очередь, прочностных критериев материалов конструкций работающих в сложных условиях термомеханических и физико-химических воздействий. Именно от этих критериев зависит предел функциональных возможностей сложных технических систем и условия их безопасного функционирования [1,2,4,6,8,14,16]. При достижении в опасных зонах конструкций предельных значений сопротивления материалов деформированию и разрушению необходимо, чтобы аппаратно-программный комплекс, отвечающий за функционирование: либо подключил дублирующую систему, либо выдал команду на вывод всей технической системы из рабочего режима, либо снизил параметры воздействий на системы до допустимых значений.

Однако получение простых обобщающих критериев прочности материалов конструкций и систем, работающих в условиях нелинейного неизотермического нагружения, создаваемого плазменными потоками и другими физико-химическими воздействиями на материалы, связано с 5 целым рядом принципиальных сложностей [1,2,4,6,14,17]. Во-первых, значительное количество факторов, влияющих на несущую способность и прочностные критерии (сложные виды нагружения, изменяющаяся температура, бомбардировка материала заряженными частицами и ионами, возможность химического взаимодействия плазменных частиц и сред с конструкционными материалами, воздействие внешних полей и излучений, существенная- неоднородность воздействий по толщине и по времени) требуют учёта и увязки процессов деформирования, накопления дефектов, взаимовлияния и развития повреждённости на микро-, мезо- и макроуровнях [1,2,4,6.7,8,17,18]. Во-вторых, сложность проведения экспериментальных исследований представляет научное обоснование и выбор датчиков и регистрирующей аппаратуры (сильное влияние на записывающую аппаратуру и датчики плазменных потоков, ионизирующих излучений и полей, включая температурные поля и поля напряжённо-деформированного состояния сложного комплексного нагружения конструкции) [6,8,18,19]. В-третьих, должны быть преодолены сложности теоретического описания совместных процессов, протекающих в материалах при таких воздействиях (в полной постановке задачи требуется решать всю совокупность нелинейных неизотермических уравнений механики сплошной среды, уравнений Максвелла и физики твёрдого тела) [6,7,13,14,18,20]. В-четвёртых, кроме того, должны быть учтены высокая скорость зарождения дефектов и развития разрушения в силу высокой' энергоёмкости и наличия целой совокупности воздействий от термомеханических до физико-химических. Всё сказанное требует получения достаточно простого феноменологического прочностного критерия, позволяющего оперативно оценивать достижение предельных и возникновение аварийных ситуаций и обеспечивающего возможность своевременной и правильной- реакции системы контроля на развитие аварийной ситуации [1,2,8,14,17,20-22].

Одной из общих важных проблем обеспечения несущей способности указанных выше ответственных конструкций является исследование закономерностей деформирования и разрушения при механическом 6 нагружении и локальных воздействиях потоков плазмы, создающих тепловые и физико- химические повреждения.

При этом задача оказывается:

- существенно нелинейной из-за упругопластических деформаций, деформаций ползучести и релаксации напряжений;

- неизотермической из-за нестационарности процессов нагрева от внешнего источника тепла (струи плазмы);

- неоднородной* из-за неравномерного распределения механических свойств в зонах нагрева и их изменения за счёт воздействия плазмы;

- многостадийности по времени и сечению из-за различия механизиов деформирования, повреждения, образования и развития трещин.

В части решения упругопластических задач в отечественной и зарубежной литературе имеются обширные систематические исследования уравнений состояния, формирования полей упругопластических деформаций и предельных состояний. Здесь можно отметить фундаментальные работы А.А. Ильюшина, В.В. Новожилова, B.JI. Колмогорова, А.А. Лебедева, В.В. Москвитина, А. Надай, Ф. Макклинтока и др.[23-27]. Фундаментальные и прикладные исследования ползучести и релаксации выполнены Ю.Н. Работновым, Л.М. Качановым, Н.Н. Малининым, А.А. Чижиком [28-31]. Вопросы неизотермического деформирования и разрушения изучались С.В. Серенсеном, И.А. Биргером, Л.Б. Гецовым, P.M. Шнейдеровичем, Р.А. Дульневым, Г.С. Писаренко, В.М. Филатовым, С.С. Мэнсоном [8,32-37].

Эффекты неоднородности механических свойств, создаваемые локальными структурными изменениями и локальным нагревом (особенно в зонах сварки и наплавки) изучались в фундаментальных работах Б.Е. Патона, Н.Н. Рыкалина, Г.А. Николаева, В.А. Винокурова, Н.П. Алёшина, И.В. Горынина, В.П. Ларионова, В.И. Махненко [32,38-43].

Многостадийность процессов деформирования и разрушения исследовалась в работах Н.П. Лякишева, С.И. Кишкиной, Е.М. Морозова, Н.А. Бородина, В.М. Маркочева, В.В. Панасюка, В.В. Ларионова, Г.И. Нестеренко, А.Ф. Селихова [44-48].

Постановка комплексных исследований неизотермического, термомеханического статического и циклического деформирования и разрушения на протяжении многих десятилетий выполнялась в Институте машиноведения (С.В. Серенсен, P.M. Шнейдерович, А.П. Гусенков, О.А. Левин, М.Д. Новопашин, Н.А. Махутов, А.Н. Романов, В.А. Прохоров, Г.В. Москвитин [6,13,15,32,33,35,49-51]), в Центральном институте авиационного моторостроения (И.А. Биргер, Р.А. Дульнев, А.Н. Петухов, Ю.А. Ножницкий [34,37,52]), Центральном котлотурбинном институте (А.А. Чижик, Ю.К. Петреня [17,31]), Центральном научно-исследовательском институте конструкционных материалов (Г.П. Карзов, В.В.Рыбин, Б.Т. Тимофеев [53,54]), Центральном институте технологии машиностроения (Г.А. Туляков, А.Г. Казанцев, А.Г. Мазепа, И. Татаева [55]).

Термосвязные задачи механики деформирования и разрушения решались в ИМАШ РАН в работах Н.А. Махутова, А.Н. Романова, В.О. Миханёва, М.М. Гаденина, С.В. Шишкина, А.В. Березина, А.П. Евдокимова [3,6,7,13,15,20,50,56-66]. Прикладные вопросы механической нагруженности и локального разогрева в связи с определением ресурса доменных печей, нефтегазохимического оборудования и атомных реакторов рассматривались в работах Центрального научно- исследовательского института стальных конструкций (В.В. Ларионов, П.Т. Богдыль [46]), Уфимского нефтяного института (Р.И. Кузеев [67]) и Московского инженерно- физического института (Е.М. Морозов [44,47,68-70]).

Однако к настоящему времени не были проведены специальные исследования комбинированного взаимодействия механических нагрузок, локального разогрева и физико-химических эффектов плазменной струи различной интенсивности на условия формирования термомеханического напряжённо- деформированного состояния, образования и развития 8 разрушения; в алюминиевых сплавах, применяемых в^ авиационной' и ракетно- космической технике. Указанные процессы, термомеханического деформирования и разрушения могут иметь место при вхождении космических аппаратов в плотные слои атмосферы, при сверхзвуковых полётах в атмосфере, при взаимодействии плазмы и стенок в тороидальных камерах токамаков [6,8,13].

В связи с выше изложенным,, целью настоящей работы явилось изучение процессов зарождения1 дефектов и развития нелинейного нестационарного разрушения конструкционных алюминиевых сплавов для получения; обобщённого феноменологического критерия; прочности; описывающего изменения прочностных характеристик во - время, сложных термомеханических и физико-химических- воздействий; для? последующих процессов! деформирования и разрушения, построения^ предельных поверхностей: в многофакторном пространстве сложных внешних воздействий и сопротивления материалов деформированию и разрушению.

При проведении исследования были произведены обработка известных исследований; проведённых по данному вопросу ранее, и анализ основных видов* воздействий сильных физических полей и излучений на материалы, среды и. элементы,технических конструкций. Была произведена градация- по степени влияния^ на материалы различных параметров изучаемых сложных физико-химических воздействий? и проведено компьютерное моделирование этих воздействий как по отдельности, так и воздействующих одновременно;.

При проведении' данного рода компьютерного моделирования была проведена отладка программного комплекса- с целью- улучшения достоверности; получаемых в ходе расчетов данных. Данная- отладка: была проведена с помощью; проведения- расчётов ; тестовых^ задач; имеющих помимо численного и аналитическое решение, а так же и" путём сравнения; полученных решений как отдельного,- так и интегрального воздействия на материалы с реально проведёнными натурными экспериментальными исследованиями.

Методы описания физико-механических процессов, протекающих в материалах нагруженных конструкций при воздействии сильных электромагнитных полей и излучений, в настоящее время широко развиваются. Это стало возможным в первую очередь благодаря развитию аппаратно-програмным средствам компьютерного физико-математического моделирования процессов нелинейного неизотермического физико-химического и механического (включая динамического) воздействия на материалы и конструкции. Последовательной теории, способной связать статистические характеристики электромагнитного излучения с параметрами деформирования, в настоящее время не существует. Это связано с тем, что при рассмотрении реальной картины необратимости приходится прибегать к большим упрощениям в ее математическом описании.

Физико-математическая постановка задачи о накоплении повреждённости в конструкционных материалах при комплексном механическом и физико-химическом воздействии была представлена в виде отдельных конкретных задач, которые были решены методом физико-математического моделирования.

В данной работе проанализированы особенности образования дефектов различных видов в .конструкционных материалов и их влияние на прочность данных материалов. Получена теоретическая зависимость прочности алюминия от температуры, которая согласуется с экспериментальной зависимостью. Рассчитано значение температуры, при которой с достаточно высокой вероятностью в материале возможно образование микротрещины. Показано, что при наличии микротрещины существенно уменьшается предел хрупкой прочности материала. Также получена зависимость величины разрушающего напряжения от длины микротрещины, которая также даёт хорошее соответствие с экспериментом.

Степень новизны результатов данной работы состоит в том, что в ней оценивается результат короткого (не более 10 секунд), а не длительного воздействия на конструкционный материал потока частиц, теплового

10 воздействия и механической нагрузки, что стало важным и возможным в последнее время в условиях возникновения новых воздействий на материалы.

В настоящее время в мире существует значительное количество компьютерных программ, содержащих конечно-элементный и конечно-разностный анализ поведения конструкций под нагрузками: тепловыми, гравитационными, инерционными и механическими. В последних версиях практически каждой конечно-элементной прикладной программы имеется возможность моделирования в условиях нелинейного неизотермического воздействия с учётом нелинейного неизотермического характера изменения физико-механических свойств и параметров материалов. При этом производители таких программ отталкиваются от их численных значений, полученных в достаточно узких условиях проведённых экспериментов, что говорит о недостаточной изученности данных процессов.

В данной работе были использованы теоретические исследования с использованием известных и разрабатываемых физико-математических моделей и численно- аналитические решения, полученные как при использовании существующих пакетов прикладных компьютерных программ, так и при написании и отладке разработанных компьютерных программ.

Основным методом исследования является метод физико-математического моделирования, который позволяет получить нужные результаты с помощью разработанной физико-математической модели и исключить необходимость проведения большого числа сложных и не всегда безопасных экспериментов.

Также был проведён специально спрограммированный эксперимент, который позволил оценить точность разработанной модели.

С помощью полученных в данной работе результатов можно определять параметры внешних воздействий, необходимых для разрушения материала и конструкционные параметры самого материала, позволяющие ему выдерживать те или иные воздействия.

Сложность и трудоёмкость поставленных задач позволяет сделать вывод о том, что для практического использования полученных результатов необходимо; чтобы решение и полученные прочностные критерии, описывающие накопление дефектов, возникновение и развитие разрушения; были бы- феноменологическими и: замкнутыми, иначе сложность, многофакторность , и многозначность решений приведёт к значительным трудностям при использовании результатов и непомерным! и недопустимым временным; затратам численных решений, с учётом- сильно меняющихся граничных условий. Поэтому работа содержит значимую экспериментальную часть и базируется на самых общих интегральных законах накопления дефектов, развития- повреждённости, образования и распространения- макроразрушения: для всех указанных процессов механического нагружения и плазменных воздействий.

В качестве исходного объекта для расчётного примера и экспериментального исследования; выбран процесс нестационарного нелинейного деформирования одноосной пластины и моментной оболочки из конструкционного алюминиевого сплава Д16, при воздействии плазменной струи и без него; Этот процесс обеспечивает с одной стороны, всю полноту базовой расчётной информации об условиях и процессах формирования полей неоднородных термопластических деформаций, возникновении и развитии разрушения с: учётом комбинированных нелинейных нестационарных и неоднородных эффектов. С другой стороны, использованные расчётные: и экспериментальные методы, давали возможность; прямых замеров^, соответствующих параметров нагружения, нагрева; деформирования и разрушения и относительную доступность для приборного оборудования вести их наблюдения, измерения5 и регистрацию непосредственно в интересующих локальных областях, в которых изучаемые процессы наиболее интенсивны. Следует также отметить определённую важность использования теоретических расчётов

12 повреждающих эффектов плазменного воздействия, ориентированных на обоснование предельных поверхностей разрушения. Выбранные для исследования простейшие элементы- пластины и такие конструкции, как моментные оболочки, моделируют их реакции на комплексные воздействия внешних нагрузок, локальных нагревов и физико-химических полей рабочей среды на летательные сверхзвуковые аппараты, реакторы АЭС, оболочки термоядерных реакторов, различные сосуды давления, технологические трубопроводы, корпуса и двигательные установки аэрокосмической техники и другие аналогичные технические системы и оборудование.

Гл. 1. Основные закономерности процессов нелинейного деформирования при изотермическом и неизотермическом нагружении

7. Результаты работы использовались при работе над следующими задачами:

- Описание процессов взаимодействия и разрушения технологических каналов с тепловыделяющей сборкой при их падении в бассейн выдержки и в открытый реактор [130];

- использование механики и физики прочности при переходе на новый курс физики в техническом вузе на примере подготовки студентов «Аэрокосмического факультета» МГТУ имени Н.Э. Баумана [131];

- разработка математических основ анализа численно-аналитических моделей, описывающих динамическое поведение жёстко-пластических систем при больших итоговых перемещениях под действием следящих нагрузок [132];

- расчёт параметров ударно-волнового взаимодействия заготовки и зеркала матрицы в условиях импульсной штамповки и калибровки высокоточных деталей из труднообрабатываемых материалов [133].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате выполненных в диссертационной работе исследований:

1. Рассмотрено влияние физико-химических воздействий (плазменных потоков и излучений) на прочностные свойства конструкционных: материалов, находящихся под воздействием комплексной нагрузки в условиях зарождения и, развития разрушения, разработаны численно-аналитические и экспериментальные ,методы* определения напряжённо-деформированного состояния материалов и конструкций, как в локальных зонах, где параметры наиболее интенсивные, так и для всей технической системы в целом.

2. Разработан феноменологический подход к определению параметров напряжённо-деформированного: состояния конструкционных материалов и сред, испытывающих нелинейные неизотермические нагрузки при условии возникновения и развития; разрушения. При; этом была представлена: зависимость прочностных свойств материалов; конструкций для случая плазменного нагрева (вплоть до температуры , плавления * материала) как от температуры материала, так и от мощности плазменного облучения (См. главы 3-4, зависимости: (3;4)-(3.6),(4.19)-(4.27));

3i В'результате проведённых в диссертационной работе расчётов было установлено,, что известная методика расчёта на прочность [6,8,13] как для упругого, так и для упругопластического случая при использовании данных установленных зависимостей для прочностных параметров, может применяться для1 расчётов, на прочность, конструкций, работающих в условиях нелинейного неизотермического нагружения, в том числе плазменными источниками нагрева. Данные зависимости: справедливы и при расчёте параметров разрушения в локальной области у вершины трещины.

4. Разработан* обобщённый критерий1 по оценке прочностных характеристик конструкционных материалов в условиях сложного механического и физико-химического воздействия, зависящий от глубины слоя, подвергаемого воздействию материала, в том числе при возникновении и развитии- разрушения. В данной работе рассматривались, относительно тонкие (h = 0,02-^0,05/), как линейные, так и< плоские образцы, поэтому рассмотренными факторами выделения1 энергии облучения по толщине оболочки пренебрегали. Данное направление является одним из возможных вариантов развития данной проблематики, вместе с последующей дискретизацией вопросов трещиностойкости в глубине материала конструкций.

5. Разработана модель численно-аналитического решения неизотермических нелинейных нестационарных задач взаимодействия плазменных потоков^ и излучений с оболочечными конструкционными материалами, находящимися под нагрузкой. Для' проведения расчётов на прочность и разрушение согласно указанным моделям поведения материала составлены компьютерные программы с использованием языка программирования Fortran.

6. Разработан метод алгоритмизации для решения задач о поведении оболочечных конструкционных материалов, находящихся в условиях нелинейной неизотермической нагрузки и при возникновении и развитии разрушения.

1. Достижения и задачи машиноведения. К 70-летию академика К.В. Фролова. Под ред.: В.Е. Фортова, Н.А. Махутова, А.П. Бессонова, В.П. Петрова. М.:МГФ «Знание». 2006, -415с.

2. Михайлов В.Н., Евтихин В.А., Люблинский И.Е., Вертков А.В., Чуманов . А.Н. Литий в термоядерной'и космической энергетике'XXI века:- М.: Энергоатомиздат. 1999.-528с.

3. Бродский 3:Ф., Климук П.И., Локтев А.Л., Филимонов В.И. Ракетно-космическая. эпоха. Памятные даты.- М.: ГУП «Редакция журнала «Московский журнал. История государства Российского». 2000>224с:

4. Научные школы Московского государственного технического университета имени Н.Э. Баумана. История развития. Под ред. Фёдорова И.Б., Колесникова1 К.С.- М.: Издательство МГТУ им. Н.Э; Баумана. 2005.- 464с.

5. Махутов Н.А. Проблемы разрушения, ресурса и безопасности технических систем. Сборник научных трудов.- Красноярск: Ассоциация КОДАС- СибЭРА', 1997.- 520с.

6. Безопасность России: Функционирование и-развитие сложных народнохозяйственных, технических, энергетических, транспортных систем, систем связи и коммуникаций.- М.: МГФ№Знание», 1998.- Т. Г.- 447с.; Т. 2.-410с.

7. Махутов Н.А. Деформационные критерии разрушения1 и*расчёт элементов конструкций на прочность. М.: Машиностроение, 1981.- 272с.

8. Гетман А.Ф. Концепция безопасности «течь перед разрушением» для сосудов и трубопроводов давления АЭС.- М.: Энергоатомиздат. 1999.-258с.

9. Петреня1 Ю.К. Физико-механические* основы континуальной механики повреждаемости. С-П.: Политехника.- 1997.- 253с.

10. Трощенко В.Т., Сосновскии Л.А: Сопротивление усталости металлов и-сплавов: Справочник: В 2 т. Киев: Наук. Думка, 1987.- Т.1.- 510с.; Т.2.-825с.

11. Неразрушающий контроль: Справочник:, В 8 т./ Под общей ред. В.В. Клюева.- М.: Машиностроение, 2006г.20.23.26.27,28,29,30,31