Эрозионное разрушение материалов тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.04 ВАК РФ

Московский Государственный Университет ^ им. М.В.Ломоносова

Механико-математический факультет

на правах рукописи

Ерошин Алексей Владимирович Эрозионное разрушение материалов

01.02.04 - механика деформируемого твердого тела

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва 1998

Работа выполнена на кафедре механики композитов механико-математического факультета Московского Государственного Университета им. М.В.Ломоносова.

Научный руководитель: доктор физико-математических наук,

профессор Б.Е.Победря

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор Шестериков С.А. доктор технических наук, профессор Сабодаш П.Ф.

Ведущая организация: Пермский Государственный Технический

Университет

Защита состоится 27 ноября 1998г. в 16 часов на заседании Диссертационного совета Д 053.05.03 по механике при Московском Государственном Университете им. М.В.Ломоносова по адресу: 119899, Москва, Воробьевы горы, МГУ, Главное здание, механико-математический факультет, аудитория 16-10.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке механико-математического факультета МГУ (14 этаж).

Автореферат разослан 23 октября 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор физико-математических наук профессор

Шешенин С.В.

Общая характеристика работы.

Актуальность проблемы. В ряде областей техники наблюдаются явления, при которых поверхности тел подвергаются интенсивному воздействию потока жидких или твердых частиц. Эрозионное разрушение материалов носит скрытый характер, а после появления видимых следов разрушения рабочие качестве конструкции резко ухудшаются или она становится неработоспособной. Эрозия конструкционных материалов в настоящее время становится важным ограничением при проектировании современных энергетических и транспортных систем.

Цель работы: состояла в построении математической модели эрозионного разрушения материалов, отражающей основные черты процесса взаимодействия с преградой потока жидких и твердых частиц. Несмотря на большое разнообразие процессов, протекающих при бомбардировке поверхности интенсивным потоком различных малых частиц, в кинетике и механизме разрушения материалов имеется много общего, поэтому их эрозионное разрушение можно рассматривать в рамках единой теоретической модели. Более того такая модель необходима, чтобы с единых позиций анализировать имеющиеся в настоящее время опытные данные по уносу массы, рассчитывать эрозионную стойкость материалов и различных конструкций, оценивать их долговечность.

Научная новизна работы состоит в том, что:

- построена математическая модель эрозионного разрушения любых материалов, в которой характер протекающих процессов не постулируется (хрупкое или пластическое разрушение), а используются лишь табличные данные о материалах и диаграммы, описывающие их поведение;

- в качестве меры эрозионной стойкости используется функция повреждён ности.

Практическая значимость работы.

Исследование эрозии материалов имеет фундаментальный характер. Методы расчета, предложенные в данной работе, позволяют оценивать

эрозионную стойкость материалов, живучесть и долговечность конструкций. Теоретическая модель, построенная в третьей главе, может использоваться при планировании экспериментов по эрозионному разрушению и рассматриваться как базовая при дальнейшем развитии математического описания явления эрозии.

Апробация работы. Результаты научных исследований докладывались и обсуждались на семинарах кафедры "Механика композитов" МГУ, на Всесоюзной научно-технической конференции молодых ученых "Современные проблемы аэрокосмической науки" (май 1998г.).

Публикации. Основные результаты диссертации отражены в четырех опубликованных работах и приведены в конце реферата.

Структура и объем диссертационной работе. Работа состоит из введения, трех глав, заключения и содержит 111 страниц печатного текста 20 рисунков и графиков. Список литературы состоит из 86 наименований.

Содержание работы.

Во введении обосновывается актуальность темы диссертационной работы, сформулирована цель исследования, изложено краткое содержание работы и дан обзор литературы.

В первой главе предложена теоретическая модель эрозионного разрушения материала, в основу которой положен феноменологический подход и предположение об усталостном характере разрушения материала. Для определения остаточного ресурса материала вводится мера повреж-дённости П(Я Д), зависящая от координат и времени. Рассматривается частный случай функционального уравнения, когда функцию повреждённое™ можно представить в виде степенного одночлена.

Предложенная модель учитывает нелинейную зависимость уноса массы от времени, т.е. позволяет рассчитать продолжительность скрытого периода разрушения материала, когда заметного уноса массы не наблюдается, и последующий унос массы. Получена оценка для величины пороговой скорости частиц, до достижения которой уноса массы не происходит. Обсуждается влияние масштабного эффекта, когда скорость уноса материала зависит от размера частиц при их постоянном массовом расходе.

Использование в модели двух констант прочности (теория прочности и критерий длительной прочности) позволило устранить противоречия, впервые обнаруженные в ходе широкомасштабного исследования, проведенного одновременно в 12 американских центрах в 60-е годы, и объяснить причины их возникновения.

Во второй главе для иллюстрации теоретической модели рассмотрено две задачи по расчету кавитационной эрозии: на магнитострикторе и в трубке Вентури. В отличие от известного полуэмпирического описания уноса массы, в режиме пузырьковой кавитации получено решение связанной задачи: гидродинамической (образование, движение и схлопывание пузырька вблизи стенки) и прочностной. Как для магнитостриктора, так и для трубки Вентури уравнение для уноса массы интегрируется в конечном виде. Решения содержат константы, величины которых должны определяться при обработке опытных данных. Проведено сравнение расчетов с имеющимися опытными данными.

Особое внимание обращено на методику обработки опытных данных: при огромном количестве публикаций, описание условий проведения экспериментов не отличается полнотой и поэтому трудно сравнивать их с численными расчетами.

В третьей главе исследуется эрозионное разрушение материала под действием потока твердых частиц. Связь между величинами импульсных ударных нагрузок и напряженно-деформированным состоянием материала находится при решении краевой задачи. Модель позволяет рассчитать унос массы при ударах частиц в преграду под произвольным углом, при этом используются табличные данные материала (плотность, модуль Юнга), диаграмма растяжения-сжатия а-е, усталостная кривая и опытные данные по упругопластическому сдвигу сферы.

Отмечается удовлетворительное качественное и количественное соответствие расчетных и экспериментальных кривых. При обработке алюминия стальными шариками максимум зависимости уноса массы материала от угла атаки смещен в сторону малых углов атаки (атах» 25°), как это и должно быть для пластического материала, а для закаленной стали и стекла при взаимодействии с потоком БЮ - в сторону больших (механизм хруп-

кого разрушения). Сравнение расчетов по уносу массы для преграды из стали и бронзы позволило объяснить причину высокой эрозионной стойкости бронзы.

Основные результаты и выводы.

1. Построена математическая модель эрозии, описывающая разрушение хрупких и пластических материалов методами механики сплошной среды с привлечением теории усталостной прочности и непрерывной функции повреяодённости. Связь между величинами импульсных ударных нагрузок и напряженно-деформированным состоянием устанавливается из решения краевой задачи.

2. При расчете уноса массы характер поведения преграды (хрупкий или пластический) не постулируется, а используются справочные данные о материале, диаграмма растяжения-сжатия, усталостная кривая и опытные данные по упругопластическому сдвигу сферы.

3. Расчеты по уносу материала удовлетворительно согласуются с опытными данными. При расчетах получены новые результаты.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Ерошин A.B. Математическая модель для расчета стойкости материала при кавитации.//Вестник МГУ,сер.1,1995,Ы2, с.66-70.

2. Ерошин A.B. Определение эрозионной стойкости материала при кавитации по его усталостным характеристикам.//Деп. №2775-В93 от 09.11.93.

3. Ерошин A.B. Математическая модель эрозионного разрушения материала при взаимодействии с потоком твердых частиц.// Современные проблемы аэрокосмической науки, Тезисы докл. ЦАГИ,1998, стр. 10-11.

4. Ерошин A.B. Математическая модель эрозионного разрушения материала при взаимодействии с потоком твердых частиц.//Тр. конф. "Современные проблемы аэрокосмической науки", Изд. ЦАГИ, 1998.