Унифицированные методы анализа живучести и безопасности сложных технических систем по критериям нелинейной механики разрушения тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.06 ВАК РФ

сэ

и.1

го г—-

российская академия наук

С'Э ИНСТИТУТ МАШШОБЕШШЯ имени А.А. БЛАГОНРАВОВА

О]

гч/ на правах рукописи

МАТВИЕНКО ЮРИИ ГРИГОРЬЕВИЧ •

УДК 539.375:539.4

унифицированные методы анализа ивучести и безопасности сложных технических систем по критериям

нелинейной механики разрушения

01.02.06 - Динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва ! 1993

Работа выполнена в Институте машиноведения имени А.А.Благонравова Российской АН

Научный консультант - чл.-корр. РАН Махутов H.A.

Официальные оппоненты - чл.-корр. РАН Гусенков А.П.

- д.т.н. Гетман А.Ф.

- д.т.н. Бонов A.A.

Ведущее предприятие - Научно-исследовательский и

конструкторский институт энерготехники.Минатом РФ

Защита состоится "_" Д 1\ 1 яяз г. в_часов

на заседании специализированного Совета Д-003.42.02 в Институте машиноведения им. А.А.Благонравова РАН по адресу: 101330, г. Москва, ул. Грибоедова, 4, ИМАШ РАН.

Ваш отзыв на автореферат в 1 экз., заверенный печатью» просим выслать по указанному адресу.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИМАШ ¿АН по адресу: г. Москва, ул. Бардина, 4.

Автореферат разослан " Qpz&J/M 1993 г.

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ специализированного Совета $

д.т.н., профессор ts^' /^-¡я^ м,к* Усков

общая характеристика работы

Актуальность темы. Проблема безопасности сложных технических систем (СТС), народнохозяйственных объектов и технологических процессов занимает одно из лидирующих мест среда актуальных задач, стоящих перед современной промышленностью, наукой и техникой . Такое пристальное внимание к проблеме безопасности обусловлено повышением мощности, уровня воздействия различных физических полей, нагруженности действующи и создаваемых технических систем, техногенные аварий которых приводят к огромным материальным потерям и невосполнимым негативным экологическим последствиям. Так, например, по данным Национального бюро стандартов США суммарные затраты в экономике США, связанные с возмещением ущерба от непреднамеренных разрушений конструкций, а также с мероприятиями, направленными на предотвращение разрушений, составляют десятки и сотни млрд. долларов в год.

Именно крупномасштабные разрушения несущих элементов конструкций и деталей машин приводят к максимально возможному ущербу. Эти разрушения непосредственно связаны как с проявлением огромной роли человеческого фактора, так и с существенной ролью внутренних (материаловедческих) и внешних (мэханического воздействия) факторов.

Кроме того, возникновение аварий и катастроф, как правило, сопровождаются развитием существующих технологических трещинопо-добных дефектов и образованием трещин в зонах повышенной концентрации напряжений. Поэтому, решение проблемы обеспечения безопасности СТС включает в себя решение проблемы анализа и обеспечения безопасности и живучести несущих элементов конструкций и деталей машин в сильно поврежденных состояниях по критериям нелинейной механики разрушения. Причины столь значительного проявления материаловедческих факторов и механических воздействий при возникновении катастрофических (аварийных) состояний СТС заключаются в следующем:

- недостаточное внедрение существующих современных методов расчета, контроля, современной технологии, а также использованием устаревших норм и стандартов;

- недостаточная разработка и использование современных на-

учннх методов;

- отсутствие принципиально новых высокопрочных материалов с пониженной дефектностью и высокой живучестью.

Следовательно, создание научных основ анализа и обеспечения безопасности и живучести СТС (как механических систем) при наличии и возникновении в ее элементах трещиноподобных дефектов яв-~ ляется актуальной проблемой в общей концепции обеспечения безопасности СТС, народнохозяйственных, объектов и технологических процессов. Для решения поставленной проблемы привлечены современные теоретические и экспериментальные модели и методы механики разрушения.

Цель работы. Основной целью работы является разработка научных основ и унифицированных методов анализа и обеспечения живучести и безопасности технических систем в сильно поврежденных состояниях по критериям нелинейной механики разрушения.

Научная новизна. Разработаны научные основы анализа живучести и безопасности поврежденных трещинами технических систем по критериям нелинейной механики разрушения. Научные основы анализа безопасности и живучести исходят из: теоретически установленных фундаментальных перекрестных связей мезвду критериальными характеристиками нелинейной механики разрушения; методологически общей схемы, расчета на прочность и живучесть несущих элементов конструкций в условиях экстремальных нагрузок независимо от используемого критерия разрушения; рассмотрения прочности, безопасности и живучести в детерминированной и вероятностно-етатксткческой постановке с установлением логической количественной связи между критериальными подходами (прочности, механики разрушения, безопасности, риска и живучести); научно обоснованного единого расчета коэффициентов безопасности (запаса), живучести и установлением области допустимых -состояний поврежденных технических систем. \

На основе концепции повреждаемости и представлений о единой природе нелинейных эволюционных процессов деформирования и разрушения разработан методологически единый подход к аналитическому описанию различных процессов деформирования и разрушения твердых тел. Получены принцип суммирования повреждений и эволюционное соотношение для оценки критического времени до досткко-

ния телом предельного состояния при заданном управляющем параметре для исследуемого процесса деформирования или разрушения. Предложенный эволюционный подход позволил получить аналитические соотношения для анализа закономерностей контактной усталости, заровдения и роста усталостных, трещин, кинетики коррозионного растрескивания, сдвига критической температуры хрупкости в область положительных температур в результате коррозионных, радиационных и других видов повревдений металла.

Разработан комплекс новых критериальных соотношений и методов анализа прочности и живучести тел с конструкционными концентраторами напряжений и трещинами при развитых пластических деформациях в условиях зарождения, докритического и усталостного роста трещин. Установлены фундаментальные аналитические соотношения для прогнозирования периода зарождения трещины у конструкционных концентраторов напряжений и ее распространения при малоцикловом нагружения. Показана связь закономерностей зарождения и роста усталостных трещин.

Развитие метода делительных сеток применительно к задачам нелинейной механики разрушения позволило впервые экспериментально исследовать и установить приближенную контурную инвариантность энергетического ^интеграла, а также обосновать использование концепции энергетического интеграла в условиях плоского напряженного состояния при больших пластических деформациях;

Практическая значимость. Разработаны унифицированные инженерные методы анализа живучести и безопасности и обоснования области допустимых состояний сильно повревденных технических систем на основе подходов нелинейной механики разрушения в детерминированной и вероятностно-статистической постановке. Предложены ■принципы учета повреждений элементов конструкций, обусловленные воздействием на материал механических нагрузок, коррозионных сред и физических полей, в общей схеме анализа безопасности и живучести технических систем. На основе предложенных унифицированных методов методов расчета на прочность, живучесть и безопасность представляется возможным разработка унифицированной и объектовой нормативно-технической базы нормирования коэффициентов запаса, безопасности и кивучести по критериям механики разрушения.

С использованием предложенных унифицированных методоЕ установлены области безопасных (допустимых) состояний сильно поврежденных конструкций с трещинами: магистральных трубопроводов при наличии коррозионных повреждений металла, корпуса реактора ВВЭР-1000 с поднаплавочной трещиной при аварийных режимах, оболочек тепловыделяющих элементов реакторов типа БН в условиях науглероживания, пластически деформированных сварных соединений руллони-рованных сферических оболочек. Дан анализ аварийного режима работы авиационных ГТД при зароадении и доломе рабочей лопатки турбины.

На основе материаловедческих аспектов безопасности технических систем сформулированы принципы обеспечения их безопасности посредством торможения развития трещин как на стадии выбора материала и технологии изготовления, так и при наличии уже существующих и распространяющихся трещин. Рассмотрены принципы оптимизации трещиностойкости тонколистовых пластичных металлов с помощью конструкционно-технологических факторов и в связи с "нечувствительностью" металла к трещине при экстремальных нагрузках, а такие принципы повышения живучести несущих элементов конструкций и деталей машин путем торможения распространяющихся трещин. Разработаны и защищены авторскими свидетельствами способы торможения распространяющихся трещин ползучести.

С использованием развитого метода делительных сеток и деформационной теории пластичности разработан комплекс принципиально новых прямых экспериментально-расчетных методик определения статических, квазистатических и динамических критериальных характеристик трещиностойкости тонколистовых пластичных металлов и тонкостенных элементов конструкций с трещинами в условиях больших пластических деформаций. Комплекс методик оформлен в виде научно-методических рекомендаций Российской ассоциации КОДАС.

Диссертационная работа выполнена в соответствии с комплексной научно-технической программой ГКНТ СССР 0Ц.001 (задание 01.07); планами проведения исследований МНТК "Антикор" ГИЛ СССР и Академии наук СССР; Государственной научно-технической программой "Безопасность населения и народнохозяйственных объектов с учетом риска возникновения природных и техногенных катастроф".

Результаты работа использованы во ВНЖАЭС, ВНИИНМ, ЦНИШАШ, ПШШТМАШ.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы были доложены на: 4 Всесоюзной конференции "Физика разрушения" (г. Киев, 1980 г.); 4 Всесоюзном семинаре "Оптико-геометрические методы исследования деформаций и напряжений и их стандартизация" (Менделеево, Моск. обл., 1982 г.); Всесоюзной конференции "Численная реализация физико-механических задач , прочности" (г. Горький, 1983 г.); осенней конференции по проблеме разрушения металлов "Перспективы повышения сопротивления материалов и конструкций вязкому разрушении" (г. Москва, 1983 г.); совместном заседании научно-методической комиссии по стандартизации в области механики разрушения секции "Расчеты и испытания на прочность" НТО Госстандарта и рабочей группы по заданию 01.07 целевой программы ОЦ.ОО! ГКНТ, Госплана и АН СССР (г. Баку, 1984 г.); 2 Всесоюзном симпозиуме "Прочность материалов и элементов конструкций при сложном напряженном состоянии" (г. Киев, 1984 г.); 2 Всесоюзном симпозиуме "Механика разрушения" (г. Житомир, 1985 г.); 1 Всесоюзной конференции "Механика разрушения материалов" (г. Львов, 1987 г.); 7 Европейской конференции по механике разрушения (г. Будапешт, 1988 г.); Всесоюзном научно-техническом семинаре "Прогнозирование надежности эксплуатации оборудования химических и нефтехимических производств по данным неразрушаюцэ-го контроля" (г. Краснодар, 1988 г.); 5 Республиканской конференции "Коррозия металлов под напряжением и метода защиты" (г. Львов, 1989 г.); 3 Всесоюзном симпозиума "Механика разрушения" (г. Житомир, 1990 г.); Весенней конференции по проблеме разрушения металлов "Опыт использования критериев механики разрушения при проектировании, эксплуатации и контроле элементов конструкций" (г. Москва, 1990 г.); Meвдународной конференции "Зарождение и рост трещин в металлах и в керамике - роль структуры и окружающей среды" (г. Варна, 1991 г.); Ю Международном конгрессе по испытанию материалов (г. Будапешт, 1991 г.); научно-технической конференции "Живучесть и безопасность конструкций технических систем" (г. Красноярск, 1991 г.); 9 Европейской конференции по разрушению (г. Варна, 1992 г.).

Публикации. Основные, результаты, изложенные в дисссертации,

опубликованы в 43 научных статьях. Получено 2 авторских свидетельства.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка литературы. Диссертация изложена на зоб страницах с 92 рисунками и 25 таблицами. Список литературы включает 183 наименований.

Автор защищает:

- методологически единый эволюционный подход к аналитическому описанию различных процессов деформирования и разрушения твердых тел, основанный на концепции повреждаемости и представлений о единой природе нелинейных эволюционных процессов деформирования и разрушения;

- теоретически установленные фундаментальные перекрестные связи мевду критериальными характеристиками нелинейной механики разрушения, переходящие в упругом случае в известные критериальные соотношения линейной механики разрушения;

- унифицированные метода анализа и обоснования безопасности и живучести технических систем в поврежденных состояниях по критериям нелинейной механики разрушения в детерминированной и вероятностно-статистической постановке;

- комплекс критериальных соотношений и инженерных методов анализа прочности и живучести тел с конструкционными концентраторами напряжений и трещинами цри экстремальных нагрузках и развитых пластических деформациях в условиях зарождения, докрити-ческого и усталостного роста, трещин;

- комплекс оригинальных экспериментально-расчетных методов определения статических, квазистатических и динамических критериальных характеристик трещиностойкости тонколистовых пластичных металлов и тонкостенных элементов конструкций с трещинами в условиях больших пластических деформаций- на основе анализа напряженно-деформированного, состояния с использованием метода делительных сеток;

- магериаловедческие•аспекты безопасности и живучести технических систем, - основанные на принципах оптимизации трещиностойкости и торможения развития трещин;

- принципы физико-механического моделирования и учета повреждений в анализе и, обосновании живучести и безопасности

конструкций с трещинами.

основное с0дер1ание работы

В первой главе рассмотрены основные научные положения концепции обеспечения . безопасности сложных технических систем, обоснована целесообразность выделения механики катастроф в качестве новой самостоятельной дисциплины, обсуждена роль подходов механики разрушения в механике катастроф и концепции обеспечения безопасности технических систем.

Отмечено, что в концепции безопасности приоритетными являются мероприятия, предупреждающие аварии и катастрофы, а также мероприятия, направленные на уменьшение последствий подобных негативных событий. Основное требование концепции безопасности заключается в исключении катастроф и является общепринятым.

Выделение механики катастроф в качестве новой самостоятельной дисциплины обусловлено тем, что именно крупномасштабные разрушения несущих элементов конструкций приводят к максимально возможному ущербу. С другой стороны суммарный ущерб в результате аварий и катастроф в значительной мерз зависит от степени повреждений и разрушений - элементов конструкций. Поэтому предметом механики катастроф являются собственно аварии, связанные с механическими разрушениями, последствия которых имееют принципиальное с точки зрения безопасности значение. А методы механики катастроф включают в себя совокупность моделей, теоретических положений и принципов науки о прочности, в т.ч. с учетом трещин, больших пластических деформаций, экстремальных нагрузок и повревдений от механических нагрузок, физических полей и коррозионных сред. Основными научными направлениями механики катает-, роф являются изучение процессов накопления повреждений, реакции элементов конструкций на внешние и внутренние (в т.ч. аварийные) воздействия, теории предельного и допускаемого состояния, й собственно сам процесс развития разрушения, который и приводят к тем или иным последствиям.

Возникновение аварий и катастроф, как правило, сопрововда-ется развитием существующих технологических трещиноподобных дефектов и образованием трещин в зонах повышенной концентрации напряжений. Именно механика разрушения позволяет ответить на

вопрос о предельном состоянии СТО и кинетике трещин- в элементах конструкций при возникновении и развитии аварий. Поэтому в рамках механики катастроф рассматриваем ту часть системы критериев и методологических, подходов, которые относятся к безопасному функционированию СТО как механической системы при наличии в ее элементах трещиноподобных дефектов, больших пластических деформаций и других физико-механических повреждений. Другими словами, из всей совокупности критериев будем анализировать критерии, ответственные за механические разрушения СТО в результате развития трещин.

Существенный научный вклад в' развитие критериальных подходов, механики разрушения,.направленных на обоснование остаточной прочности и ресурса конструкций, внесли отечественные и зарубежные ученые: А.Е. Аядрейкив, Г.И. Баренблатт,В.В. Болотин, А.Ф. Гетман, Р.В. Гольдатейн, A.C. Гусев, А.П. Гусенков, Г.П. Карзов, Л.М. Качанов, В.Л... Когаев, М.Я. Леонов, H.A. Махутов, Е.Ы. Морозов, Н.Ф. Морозов, В.В. Панасхк, В.З. Партон, Ю.Н. Работнов, О.Н. Романив, А.Ф. Селихов C.B. Сервисен, Л.И. Слепян, В.Т. Трощенко, Г.П. Черепанов,-A.A. Чижик, D. Broek, D.S. Dugdale, G.R. Irwin, A.A. Griffith, К. Kussmaul.. К. Miller, К. Milne, R.W. Nichols, P.C. Paris, J.R. Rice, G.C. Sih, E. Smith, Ы.Р. Wnuk и ;çp. Вместе с тем, практически не разработанными в настоящее, время являются научные,основы и унифицированные методы анализа, обоснования и обеспечения безопасности и живучести поврежденных трещинами технических систем, в условиях больших пластических деформаций при наличии повреждений от воздействий различной природы на основе нелинейной механики разрушения в.детер-■минированной и вероятностно-статистической постановке.

Таким образом, проблема анализа и обеспечения безопасности СТО тесно связана. с. вопросами. анализа, трещиностойкости и живучести несущих элементов конструкций и. деталей машин в сильно поврежденных состояниях. Для решения проблемы безопасности в . рамках указанного направления механики катастроф привлечены современные теоретические. и. экспериментальные модели и методы нелинейной механики разрушения!'

Во второй главе рассмотрены методологически единый эволюционный подход к аналитическому описанию различных процессов

деформирования и разрушения твердых тел, фундаментальные перекрестные связи между критериальными характеристиками нелинейной механики разрушения и унифицированные метода анализа и обоснования прочности, живучести и безопасности несущих элементов конструкций в детерминированной и вероятностно-статистической постановке.

Для методологически единого описания различных процессов деформирования и разрушения твердых тел во времени т использовано основное нелинейное уравнение состояния эволюционных систем:

<з = <ь 7, х, х) (1 )

где х -^пространственные координаты, 7 - оператор (д/дх, ¿?/<зу, д/дя), ч - вектор состояния, объединяю®® переменные состояния ч,. <32. • • *5П, которые отражают большое число подсистем. Для практического использования уравнения (1) важен 'адекватный выбор параметров 'состояния рассматриваемой системы ч и управляющих параметров £ на основе изучения и анализа поведения системы под воздействием внесших факторов.

Рассматриваем автономную нелинейную систему "твердое тело -повреждения" и пренебрегаем в уравнении (1) зависимостью от пространственных координат. Для рассматриваемой системы накопления повреждений (состояние системы) будем характеризовать скаляром СКФ<1, являющимся единственной переменной состояния ч=Ф и интерпретируемым как сплошность. Принимаем следующий постулат: в основе процессов деформирования и разрушения твердого тела (функционирования системы "тело-повреждения") лежат общие функциональные закономерности (1) накопления повреждений, которые в простейшем случае могут быть записаны в' виде степенной. функции. Представление уравнения состояния (1) в виде степенной зависимости следует рассматривать диалектически: оно.может уточняться и усложняться по мере познания и уяснения физической сущности исследуемых процессов разрушения. В любом случае уравнение состояния должно отражать историю нагружения (накопления повреждений) тела.

Учитывая граничные условия, получено эволюционное соотношение для функционирования системы "тело-говреящения", позволяющее оценить критическое время г до достижения телом предельного состояния при заданном управляющем параметре £ для исследуемого

процесса деформирования или разрушения:

а

с

| £"«№=£ V (2)

О

Здесь принято, что критический уровень повреждений может быть достигнут за некоторое нормированное время (или единицу времени) 1*«гс, т.е. параметр состояния принимает критическое значение ®с яри критическом управляющем параметре £с.

В рамках механики разрушения в качестве управляющего параметра могут быть приняты любые параметры, контролирующие зарождение и рост трещины в заданных условиях нагружения, например, коэффициент интенсивности напряжений (КИН) или деформаций (КИД), «т-интеграл, раскрытие в вершине трещина и др. Например, для анализа зарождения и роста усталостной трещины в качестве основного управляющего параметра £ принят максимальный (или размах) КИН. Учитывая функциональную связь сплошности с длиной распространяющейся трещины X и, скачкообразный характер роста трещины, получено общее уравнение для скорости роста усталостной трещины в виде:. . .

7 = / £ )" (3)

о л "4х С .

Здесь 7 =Л11/1Г - критическая скорость, роста трещины, К* - количество циклов нагружения для реализации скачка трещины на ДГ. В представленной записи уравнения (3) параметры £с и ?* пока не определены". Однако, как легко заметить, они взаимосвязаны в том смысла, что для заданной диаграммы усталостного разрушения различным задаваемым значениям.£ будут соответствовать вполне определенные значения У* и наоборот. Поэтому на основании уравнения (3) появляется принципиальная возможность физического моделирования процессов распространения "усталостной трещины при реализации различных механизмов ее роста. При этом такие параметры как Ази, и* и |с будут наделены вполне определенным физическим смыслом. Рассмотрены некоторые варианты выбора £с и V*.

При анализе коррозионно-механического разрушения на основе эволюционного подхода получены уравнения коррозионного растрескивания к роста коррозионной трещины, позволяющее прогнозировать

. время до разрушения ч при заданном начальном уровне КИН к10, а также объяснить эмпирически наблюдаемую зависимость кинетических диаграмм растрескивания от начального КИП .

Проанализированы также закономерности разрушения твердого тела в условиях контактной усталости и сдвига критической температуры хрупкости в результате коррозионных, радиационных и циклических повреждений материала.

Увеличение размеров пластической зоны перед вершиной трещины приводит к замене линейной механики разрушения на нелинейную, что сказывается на формулировках критериев разрушения.. Существует несколько видов критериальных соотношений, но все они исходят из наличия пластических областей у вершины трещины и, так или иначе, отражают способность материала необратимо расходовать энергию на работу пластической деформации или же само явление пластических деформаций. Из сопоставления деформаций (напряжений) в пластической области, выраженных посредством характеристик нелинейной механики разрушения (КИЩ К1е, предела тре-щиностойкости 1с, лгатеграла и раскрытия в вершине трещины б)

получены следующие фундаментальные связи:

к1е= (гы/ат?п)1'"+п)(ощ/ог){Уп е. о4=ат (4)

(5)

I =

т

атк»(а. /с;)1" -1' {1 + и >р, о. >о„

Т 1а I Т I Т

Е^=ф(Осо,т,ат,...)12 (6)

^{(2"/2аРп)/[(ат/Е)т(2и)1+,"Пств (7)

Здесь ак - интенсивность номинальных напряжений; та - показатель деформационного упрочнения материала в степенной аппроксимации диаграммы деформирования о=авет; ат - предел текучести; В - модуль упругости; а,Ри - постоянные материала; ет=от/Е,

ов=от/(а£т)т, р=[2-0.5(1-т)(1-сг./оТ)Ю+т)"1, е и и- постоянные.

При переходе от пластичного разрушения к хрупкому приведенные перекрестные связи переходят в известные соотношения линейной механики разрушения. Так, например, функция номинальных напряжений и свойств материала ф (в выражении (б)) стремится к

/

единице, а критический ¿г,-интеграл переходит в вязкость разрушения йс. Становится справедливой концепция линейной механики разрушения ЕСс=К^.

Таким образом, рассмотренные критериальные характеристики нелинейной механики разрушения оказываются взаимозависимыми. Следовательно, нет принципиальной разницы, каким критерием пользоваться для описания начала разрушения и для получения из критериев разрушения искомых критических параметров задачи. Выбор критерия диктуется удобством расчета вычисляемых величин и доступностью экспериментального определения разрушающего значения, критериальной величины. Безусловно, при этом должна также учитываться и чувствительность (или реакция) данной критериальной величины на возможное (или предполагаемое) изменение параметров задачи.

Таким образом, с учетом предложенного методологически единого нелинейного эволюционного подхода к аналитическому описанию ' различных, процессов деформирования и разрушения твердых тел и установленных перекрестных связей между разными критериальными характеристиками нелинейной механики разрушения представляется возможным разработка унифицированных методов анализа и обоснования безопасности и живучести технических систем на основе критериев нелинейной механики разрушения.

Кригериальные- соотношения механики разрушения представлены в виде общей функциональной зависимости:

р( о,1,ъ,-.. ) = рс , (8)

где о - напряжения, 1- размер трещины, ъ - характерный размер, сечения. Левая часть у соотношения (8) характеризуется совокупностью параметров (силовых, деформационных и др.) состояния сТС, отражающих реакцию сТС на внешние воздействия. Правая часть Рс-комплекс аналогичных, но критериальных характеристик материала (элемента конструкции). В качестве Р могут выступать различные параметры механики разрушения, например, коэффициент интенсив-юности напряжений (КМН) или деформаций, раскрытие в вершине трещины, предел чрещиностойкости, ¿-интеграл и др.. Значение ■ Р в критериальных соотношениях (8) устанавливают с помощью аналитического расчета, численного моделирования или прочностного мониторинга. Критериальные характеристики материала определяют из

эксперимента на образцах, моделях или натурных элементах конструкции.

Для определения области допустимых напряжений и размеров трещины поступаем следующим образом. Поскольку величина P(o,l,b) может изменяться как за счет нагрузки, так и длины трещины, целесообразно ввести коэффициенты запаса (безопасности), различающие два этих случая и устанавливающие связанную (по допускаемым напряжениям и размерам трещин) область допустимых состояний. В частности, область допустимых состояний по напряжениям [о] можно установить с помощью первой теории прочности о <[а]=аь/па. Здесь аъ - предел прочности, i^- коэффициент запаса по пределу прочности, о - расчетное (или эксплуатационное) напряжение. Для определения области допустимых размеров трещин при заданном допустимом напряжении правую часть соотношения (8) также следует уменьпить, например, в гар раз.

Таким образом, область допустимых состояний и размеров трещин оказывается связанной расчетным уравнением вида

F(na) = Рс / гу (9)

Коэффициент запаса пу по данной характеристике трещиностойкости показывает во сколько раз надо увеличить F за счет увеличения длины трещины при допустимом уровне напряжений, чтобы р достигла своего предельного значения р . При nF=i из уравнения (9) получаем критический размер трещины 1с, соответствующий заданному расчетному уровню напряжений, а при некотором обоснованном значении -пу- допустимый размер трещины [l]< х . Коэффициент запаса пу можно установить расчетом следующими способами :

- потребовать, чтобы при наличии трещины•допустимого размера номинальное разрушающее напряжение было не меньше предела текучести материала, тогда

иг.={Р(о1Г,[1))/г(а1),{Ш>-№,.(0^)^(0^)} » (Ю)

- использовать критическую диаграмму разрушения конструкции , учитывая конкретные параметры i и tig

зу={?(оb/aFЛХ])/?<орЛ!))}-(ic(oc-ap)/?c(ос=аг/су)}. .{11)

Коэффициент зависит зт коэффициента п^, вида критической диаграммы разрушения и используемого параметра ?.

Следовательно,, рассмотренный подход позволяет установить

связанную по допускаемым напряжениям и размерам трещин область

безопасных (допустимых) состояний технических систем

(рис. 1) на основе детерминированного унифицированного подхода механики разрушения:

Р(С,1,Ъ,...) < [ Р([о], [1],...) 1 (12)

Унифицированность метода расчета по критериям механики разрушения вида (9) может быть распространена к на случай анализа допустимости развития трещины в условиях циклического нагруаения. Введя в уравнение (3) коэффициент запаса пг по циклической критериальной характеристике £с= (и под Кпахпонимая ?тах), получаем область допустимых скоростей развития трещины

IV] = Vе/ п£ (13)

Область недопустимых скоростей развития усталостной трещины представлена на рис.2 заштрихованной областью. Отношению критической скорости к предельно допустимой '

п^ = = (14)

можно придать смысл коэффициента запаса по скорости развития усталостной трещины (живучести).

В случае расчета пу по критической диаграмме разрушения коэффициент запаса п^ становится функцией коэффициента запаса иа по пределу прочности, вида критической диаграммы разрушения е конкретного параметра механики разрушения Р. На основании сказанного нетрудно заметить наметившуюся связь между различными коэффициентами запаса (безопасности) и областью допустимых скоростей развития усталостной трещиш на кинетической диаграмме усталостного разрушения. Это позволяет использовать предлагаемые унифицированные метода расчета технических систем с тревдшача при реализации различных расчетных схем и механизмов роста трещины.

Введение в рассмотрение коэффициентов запаса (безопасности) н швучести позволяет решать прямую задачу безопасности, ыа-прашгонную на обоснование безопасных (допустимых) состояшгЗ тех-ннчэсхнх систем. Вместе с тем, эта же ужфивдрозанкыэ критериальные подходы нелинейной механики разрушения дают вен возможность решить задачу анализа живучести и безопасности технических

систем, связанную с выходом трещины из области допустимых состояний в область допредельных и предельных состояний при возникновении аварийных режимов.

Рассмотренные унифицированные методы анализа предельного состояния поврежденных трещинами несущих элементов СТО и обоснования коэффициентов запаса (безопасности) и ¡кивучести гарантируют неразрушение СТО при соблюдении регламентированных условий эксплуатации. Однако эти подходы не содержат прямых данных, количественно определяющих безопасность. Для устранения недостатков коэффициентов запаса в общей схеме анализа безопасности по критерия!-! мехашпси разрушения необходимо ввести в рассмотрение критерии, связанные с риском, живучестью и собственно безопасностью в вероятностно-статистической постановке. Воспользуемся понятиями и математическим аппаратом теор:ш надежности механических систем.

согласно В.В. Болотину под функцией безопасности машин и конструкций можно принять вероятность неразрушения несущих элементов конструкций на отрезке времени [o,t] в результате возникновения аварийной ситуации:

S(t) = Р{ 7(t) 6 П; t е (0,t]> (15)

Здесь Езктор v(t) совпадает с вектором качества. Применительно к вышэрассмотренной схеме унифицированных расчетов на прочность по критериям механики разрушения признаками качества могут служить запасы по номинальным напряжениям аь/ср>п0 , характеристикам

трещиностоЯкости Рс/У >ир, размерам трещин ic/l>ral. При этом

+

множество значений вектора 7(т) долхяо принадлежать области допредельных состояний П в пространстве качества V(R). Нормированные коэффициенты запаса nQ. к^, ml образуют множество допус-

тишх (с точки зрения безопасности) значений вектора vq(т), принадлежащего соответствующей допустимой области По по отношению к предельным состояниям. Если параметры состояния элементов системы и их критериальные характеристики изменяются во времени, то и сам вектор качества будет функцией времени. Поскольку коэффициенты безопасности, образующие вектор качества, связаны между собой, представляется возможным упрощение задачи посредством перехода от анализа допустимых значений вектора

vo(x) к анализу допустимых значений скаляра п^.

Дополнение функции безопасности до единицы приводит к понятию функции риска

H(t) = 1 - 'sit), (16)

характеризующей вероятность достижения С1С предельного состояния. -Под функцией живучести H(t) понимаем вероятность локализованного разрушения, не приводящего к катастрофическому разрушению несущих элементов или всей механической системы, т.е. показатели безопасности находятся в области допустимых значений. В данном случае признаками качества могут служить, например, запасы по скорости развития усталостной трещины иу>1 или запасы по размерам поверхностных трещин, приводящих к состоянию течи (а не катастрофическому разрушению) трубопроводов и сосудов давления.

Следовательно, посредством представления о векторе качества и коэффициентах запаса намечается логическая связь мевду критериальными подходами следующих групп: прочности, механики разрушения, долговечности, риска, безопасности и живучести.

В третьей главе приведен комплекс принципиально новых экспериментально-расчетных методов определения статических, квазистатических и динамических характеристик трещиностойкости тонколистовых пластичных металлов и тонкостенных элементов конструкций в условиях больших пластических деформаций на основе анализа напряженно-деформированного состояния с использованием метода делительных сеток.

В экспериментальной нелинейной механике разрушения определение характеристик трещиностойкости основано, как правило, на косвенных методах, использующих расчетные формулы и экспериментальную диаграмму "нагрузка-смещение точек приложения нагрузки". Однако ~ для тонколистовых пластичных металлов, а также элементов конструкций при экстремальных нагрузках в условиях больших пластических деформаций и сложного нагрунения, когда косвенные измерения диаграммы затруднены или невозможны и отсутствуют расчетные формулы, отмеченные метода не всегда теоретически обоснованы и реализуемы. Крош того, в силу различия технологических особенностей и схем нагружекия лабораторного образца и рассчиты-

ваемой в последующем детали не всегда наблюдается совпадение Рс образца и детали.

Поэтому актуальность разработки прямых методов исследования трещикостойкости тонколистовых металлов и элементов конструкций на основе анализа напряженно-деформированного состояния у вершины трещины при развитом пластическом течении не вызывает сомнения.

В связи с экспериментальным анализом напряженно-деформированного состояния в окрестности вершины трещины рассмотрен метод делительных сеток, на основе которого разработана экспериментально-расчетная методика определения ¿-интеграла в широком интервале деформаций посредством интегрирования го контурам, охватывающим вершину трещины. Значение контурного л-кнтвграла рассчитывали по формуле:

3 = ! ^.-^гаг»^ (17>

г

где V? - удельная работа деформации, а. - - компонента напряжений, а - компоненты смещения, п. - компонента единичного вектора внешней нормали к элементу контура йва,у). В качестве контура интегрирования Г принят криволинейный контур, проходящий в пластически деформированной области и охватывающий вершину трещины (рис.3). Значения компонент, входящих в формулу (17), определяли по координатам узловых точек деформированных ячеек. Для установления связи мевду компонентами напряжений и деформаций и-величины удельной работы деформации в элементарной ячейке использовали соотношения деформационной теории пластичности. Таким образом, исходными данными для расчета Лштеграла по контуру служили координаты узловых точек элементарных ячеек деформированной делительной сетки в окрестности вериины трещины и свойства материала в виде единой кривой деформирования материала. Метод апробирован на плоских тонколистовых образцах и полунатурных металлических листах со сквозными трещинами.

Обнаружено возрастание расчетных значений ^интеграла при увеличении размеров контура интегрирования в малой окрестности у вершины трещины, характеризуемой повышенной утяжкой металла

(рис. 4). Вне указанной зоны наблюдали приближенную инвариантность J в случае изменения размера контура и тенденцию к снижению J при значительном удалении контура от вершины трещины. Дана интерпретация наблюдаемого поведения ¿-интеграла при изменении контура интегрирования. Учитывая приближенность инвариантности ¿-интеграла, за действительное значение J рекомендуется принимать среднее значение таких величин, определенных по контурам, проходящим вне локальной зоны предразрушения, характеризуемой повышенной утяжкой металла в непосредственной близости к ней.

С использованием предложенного метода рассмотрены методические особенности определения квазистатической характеристики тревдностойкости - модуля разрыва по ^-кривой сопротивления докритическому росту трещины в условиях больших пластических деформаций. Проведены аналитические оценки основных погрешностей определения ¿-интеграла.

Экспериментально установлено также, что в условиях плоского напряженного состояния при больших пластических деформациях параметр J характеризует голе напряжений и деформаций в рамках ШШ-модели (модели Хатчинсона-Райса-Розенгрена).

Контурный ¿-интеграл рассчитывали также на основе модельных представлений о зоне локализованной пластической деформации (зоне предразрушения) у вершины трещины, именцей вид трапеции, и условия возникновения локализации пластической деформации на ее границе. В качестве контура интегрирования принята граница указанной зоны. Анализ слагаемых, входящих в выражение для ¿-интеграла, позволил установить их вклад в величину ¿.

Рассмотренные. эксперимент альные метода определения ¿-интеграла и ¿н-кривых были адоптированы для анализа динамических характеристик трещиностойкости пластичного металла на стадии динамического страгивашш трещины и ее остановки в тонколистовых образцах с центральной поверхностной трещиной. Динамическое нагружениа достигалось путем мгновенного разрушения перемычки под поверхностной трещиной (т.е. превращением несквозной трещины в сквозную) и высвобождением упругой энергии за счет разгрузки образца.

Метод делительных сеток использован также при экспериментальном определении КИД посредством анализа местного деформиро-

ванного состояния в зоне вершины сквозной трещины в условиях экстремальных нагрузок и развитого пластического течения металла-

Четвертая глава посвящена разработке новых эффективных критериальных соотношения и аналитических методов анализа прочности и живучести тел с конструкционными концентраторами напряжений и трещинами при развитых пластических деформациях в условиях зарождения, докритического и малоциклового усталостного роста трещин.

Разработаны приближенные методы расчета <г-интеграла для тел с вырезом при упругопластическом деформировании. • Основные предпосылки решения задачи состояли в следующем: .сведение пути интегрирования интеграла к контуру вершины выреза; предположение о характере удельной работы деформации у контура вершины выреза в виде №=№ <¡08$ и использовании соотношения Нейбера-Махутова при упругопластическом деформировании материала в зоне концентрации напряжений:

■ярк? „

-ЯГ 0 . <Т./<Тт< 1/

(18)

• V V * 1 +ТЯ

-г {52 ТПГ - «V Е) 1}- "

. °т о2 * к2

9

■Ф , а? о,

<1+га)/т

Здесь к - теоретический коэффициент концентрации напряжений, Г=(К1сг/схт)р. р= -0,5(1-п){1-Г(а/от)-(1/К1)1), аж=о/е^. Анализ характера изменения J позволяет сделать следующие выводы: J возрастает с увеличением номинальной интенсивности напряжений с. и с'ростом способности материала пластически деформироваться (т.е. с падением ш) и почти не изменяется из-за роста Кк (от 1.5 до 3). В интервала напряжений 1/к <сг/ат<1 J практически постоянен (и пэ сильно отличается от ле), начиная заметно возрастать после превышения интенсивностью <х предела текучести.

Показано, что для бесконечной плоскости в пределе р -»О (вырез переходит в трещину) из соотношений (18) следуют формулы для линтеграла:

Г 2Кг/1(1+п>Е], о<а„

2= \ (19)

1 гк2/[(и-ш)о#]-(а/ов)'1/и>-1 > а>ат

Характер изменения для тела с трещиной аналогичен изменению энергетического интеграла для тела с вырезом. Однако в отличие от тела с вырезом при о/от<1 для материала с фиксированным ш .таг =2/(1-нп)=соадг. Следовательно, упругого состояния непосредственно у вершины трещины нет при любом а (что для реального материала вполне естественно). Поэтому , обычно записываемая формула (и вводимая всюду для упругого тела) , будет

• идеализированной.

Соотношения вида (19) для J получены также другим способом. Бри этом использован метод сечений с учетом ши-модели. Кроме того, получены аналитические формулы для расчета размера зоны концентрации пластических деформаций перед вершиной трещины в деформационно упрочняадэмся материале.

Предложен двухпараметрический ^-критерий разрушения деформационно упрочняющегося тела с трещиной (рис.5), расширяющий возможности однопараметрического критерия в области коротких трещин и больших, разрушающих напряжений о,:

= л* , (1-Ш /о, )1/я)1+т (20)

с с с со

Здесь предельное значение ¿-интеграла (при совместном учете других критериальных величин) обозначено символом Л=1-(сь/8к)1Л|р Зк - истинное сопротивление разрыву. При выводе ¿^-критерия полагали, что критическое состояние тела достигается в два этапа: образование трещины при номинальных деформациях ес на месте вершины возннкаэдей трещины (без учета влияния трещины) и страгивание трещины, обусловленное достижением деформацией е на поверхности вершины трещины предельного значения. Основываясь на этом предположении, использовала принцип линейного суммирования повреждений для кратковременного статического нагружения в терминах деформаций и выражение для ¿-интеграла при интегрировании по контуру,, сведенному к закругленной части вершины трещины.

Показаны предельные перехода от двухпараметрического ¿'-критерия разрушения к другим одно- и двухпараметрическим критериям линейной и нелинейной механики разрушения. В рамках J^-крятерия и HRR-модели получено, что поле напряжений и деформаций у вершины короткой трещины в момент начала ее роста определяется не только ¿.-интегралом и другими механическими свойствами, но зависит также от критического напряжения о,. При этом с увеличением критических номинальных напряжений ос (уменьшением размера трещины) протяженность сингулярной зоны деформации уменьшается с одновременным ростом номинальных деформаций s , т.е. происходит "размывание" градиента деформаций (рис.6).

Для анализа условий зарождения трещин малоцикловой' усталости у концентратора напряжений использованы эволюционное соотношение (2) (при £=const) и концепция J-интеграла. Принято, что трещина зарождается в результате пластического деформирования и последующего разрушения гипотетического микрообразца, расположенного у вершины концентратора напряжений. Получены следующие уравнения малоцикловой усталости тела с концентратором напряжений в предположении следующих условий нагружения материала: в зоне концентрации:

жесткое нагружение - N. =0.25(J/J )k (21)

.ic max

мягкое нагружение - N.=N*(Jc/Jmox)l2-5n/'(ltn> (22) Здесь J - максимальное значение J в цикле,. J - значение

max с

J-интеграла при номинальных напряжениях оь, к - показатель степени в уравнении скорости роста усталостной трещины типа Однако характер деформирования материала в зоне концентрации при малоцикловой усталости соответствует промежуточному между жестким и мягким режимами нагружения. В этом случае уравнение малоцикловой усталости записано в более общем виде, принимая в качестве управляющего параметра параметр нелинейной механики разрушения - J-интеграл:

N.=N*(J/J )" - (23)

i i с max

.Анализ обработки результатов экспериментального исследования малоцикловой усталости стальных цилиндрических образцов с кольцевыми надрезами (Kt=2.05 и 3.55) при испытании на растяжение-сжатие с использованием соотношений (18) и уравнений (21)-(23)

позволил сделать следующие выводы. Соотношение (23) достаточно хорошо описывает результаты испытаний. При этом показатель степени п в формуле (23) оказывается независимым от теоретического коэффициента концентрации напряжений, что дает основание предположить сохранение значения п для тела с трещиной- Кривые, рассчитанные из условий жесткого и мягкого режимов нагружения, являются огибающими для кр;свых, соответствующих реальным условиям нагружения. Причем с уменьшением радиуса вершины концентратора напряжений кривая малоцикловой: усталости (23) привлекается к кривой, соответствующей месткому режиму нагружения. Зависимость (23) хорошо описывает экспериментальные результаты не только на стадии зарождения трещины, но и на стадам полного разрушения. Бри этом показатель степени п не изменяется, что еще раз подтверждает положение о контролировании показателем степени п стадий как зарождения трещины, так и ее роста.

Методологически единый расчетный анализ стадий зарождения и роста трещин малоцикловой усталости в теле с концентратором напряжений основан на использовании обобщенного уравнения роста гревдкы вида (3). При этом в качестве управляющего параметра для процесса усталостного повревдения металла принято максимальное значение КИД.

В связи с анализом живучести поврежденных технических систем в условиях докритического роста трещины при экстремальных нагрузках предложен критерий неустойчивого роста трещины при развитых пластических деформациях. Критерий, основанный на использовании концепции предела трещиностойкости, имеет вид:

К=1И , йК/с11=а1и/й1 (24)

Переход от докритического роста трещины к неустойчивому в конструкции происходит в точке касания кривой КИН К=К(1) с 1в-кривоЯ. 1й-кривая есть предал тревдшостойкостн в функции текущей (устойчиво распространяющейся) длины трещины. Для построения 1и-кривой достаточно иметь экспериментальную диаграмму сила -' длина трещины и формулу для КИН. Результат оценки докритического подрастания трещины в пластине из пластичного металла хорошо согласуется с предсказанием момента перехода к неустойчивому росту трещины на основе ;г -кривых.

В пятой главе дан анализ областей безопасных (допустимых)

состояний сильно поврежденных конструкций с трещинами. Анализ основан на предложенных унифицированных методах нелинейной механики разрушения и физико-йаханическом моделировании эксплуатационных повреждений.

Расчетное, обоснование размеров поверхностных трещиноподоб-ных дефектов (трещин), при которых возможна эксплуатация магистрального трубопровода в условиях статического и динамического нагружения, проведено с использованием двухпараметрического критерия разрушения и представлений о сдвиге критической температуры хрупкости в сторону положительных температур в результате коррозионных повреждений. Для трубопроводов из различных марок сталей при температурах эксплуатации -15 и -30°С установлены коэффициенты запаса (безопасности) пу, зависимости критических и допустимых глубин поверхностных трещин в разные периода эксплуатации трубопровода. Сдвиг критической температуры хрупкости в результате коррозионных повреждений существенно уменьшает критическую и допустимую глубину трещины в трубопроводе и может привести к его преждевременному хрупкому разрушению.

Анализ живучести корпуса реактора ВВЗР-ЮОО с подааплавоч- • ной полуэллиптической трещиной выполнен для двух наиболее нагруженных режимов эксплуатации: гвдроислнтание и нарушение в системе борного регулирования. Эксплуатационные повреждения металла в результате облучения в процессе эксплуатации учтены посредством сдвига критической температуры хрупкости, изменения . вязкости разрушения и предела прочности. С использованием концепции предела трещиностойкости получены критические диаграммы разрушения корпуса реактора в начале и через 40 лет эксплуатации реактора. Установлены области допустимых (безопасных) состояний корпуса реактора для расчетных режимов. Допустимая глубина тре-щиноподобного дефекта с учетом истории циклического нагружения корпуса составляет 9 мм. Кроме того, рассмотрен возможный сценарий катастрофического разрушения корпуса реактора, обусловленный возникновением экстремального (аварийного) давления при гидро-исштанш и„ как следствие, выходом трещины из области допусти-I мнх состояний.

В современных реакторах на быстрых нейтронах с натриевым теплоносителем металл оболочек тешгавадаляшях элементов

(твэлов), непосредственно контактирующий с жидким натрием, подвергается воздействию неметаллических примесей (в частности, углерода), растворенных в теплоносителе. В связи с установлением ориентировочных ограничений на предельно допустимые уровни активности углерода в натрии проведено физико-механическое моделирование эксплуатационных повреждений, металла оболочек твэлов, вызванное массопереносом углерода. Экспериментальное исследование показало, что профильное науглероживание холоднокатанной на 20£ стали 0ЭХ16Н15МЭБ приводит к снижению пластических и росту силовых характеристик трещиностойкости. Увеличение степени науглероживания изменяет характер разрушения от вязкого к хрупкому с межзеренным растрескиванием в-поверхностном слое и сопровождается выпадением карбидов по границам и телу зерна. При содержании углерода на поверхности ~ 0.4 ыас.Я наблюдается катастрофическое охрупчивание стали, связанное, с разупрочнением границ зерен вследствие их насыщения карбидной фазой. Этот уровень поверхностного науглероживания металла при эксплуатации реактора может быть принят за критический, позволяющий предсказать ориентировочные ограничения на предельно допустимые уровни активности углерода в натрии.

Для расчетной оценки живучести и допустимых состояний конструкций с трещиноподобными дефектами в условиях водородного охрупчивания необходимо располагать критериальными соотношениями, отражающими кинетику перераспределения водорода в зонах концентрации напряжений с изменением уровня нагрукенности конструкции. Физический критерий акта локального разрушения в условиях циклического нагружения и водородного охрупчивания сформулирован с использованием эволюционного соотношения (2) при управляющем параметре {(naj(=const и замена t-.oTp:

С 5" = const, (25)

Тртлск . ' *

где с - максимальная локальная концентрация водорода в зоне концентрации напряжений. Критерий (25) хорошо отражает наблюдаемую кинетику перераспределения водорода в зона вершины усталостной трещины при ее росте в электролитически наводоро&енной сталк 07X16Н6„ Концентрационные кривые распределения водорода перед вершиной трещины „ имеющие локальные область с повышенной концентрацией, определены методой вторичной ионной »see-

спектрометрии.

Приведен пример унифицированного учета деформационных ло-, вреждений сварного соединения из малоуглеродистой стали Ст. 3, обусловленнйх предварительным статическим деформированием, на зарождение и .скорость роста усталостной трещины в переходной зоне сварного ива.

Задача определения нагруженности деталей турбин в моменты зарождения трещины, ее развития и долома детали возникает при установлении (моделировании) последовательности протекания отказа двигателя и условий разрушения его деталей. Для установленных лротяженностей зон усталостного развития трещины в лопатках авиационных ГТД (литейный сплав типа ВЗГО2У), разрушившихся в эксплуатации, методами механики разрушения рассчитаны критические напряжения. Сопоставление полученных критических напряжений с конструкционно заданной зависимостью статических напряжений от частоты вращения ротора высокого давления (РВД) позволило- установить режимы работы двигателя при возникновении и развитии аварии. Сравнение рассчетных режимов работы двигателей с сохранившимися в отдельных случаях данными регистрирующей аппаратуры,. зафиксировавшей режимы работы двигателей в момент долома лопаток, показало хорошую сходимость результатов.

В тестой главе рассмотрены материаловедческие аспекты безопасности технических систем, включающие принципы обеспечения их безопасности посредством торможения трещин и оптимизации трещи-ностойкости материалов на основе конструкционно-технологических факторов и "нечувствительности" металла к трещине при экстремальных нагрузках. В связи с выбором оптимальной степени предварительной холодной деформации прокаткой, толщины и технологии изготовления оболочек твэлов, а также в связи с воздействием' эксплуатационных температур проведены широкомасштабные исследования статической трещиностойкости тонколистовых оболочечных сталей типа С9Х16Н15МЗБ. В исследованных сталях наблюдается "обратная" анизотропия. Причем увеличение степени предварительной деформации прокаткой приводит к большему проявлению влияния направления прокатки на характеристики статической трещиностойкости. Наблюдаемая анизотропия трещиностойкости стали обусловлена преимущественно кристаллографической текстурой и ее изменением в

- га -

процессе деформации растяжением, а также контролируется уровнем наклепа металла в результате предшествующей прокатки. Модифицированная сталь 09X16Н15МЗБ толщиной 0.4 мм при ориентации плоскости трещины вдоль направления прокатки обладает большей трещи-ностойкостью, чем при ориентации плоскости трещины поперек направления прокатки и толщине 0.8 мм. Такой учет конструкционно-технологических факторов позволяет рекомендовать предварительное деформирование проводить таким образом, чтобы направление возможного роста трещины совпадало с направлением прокатки. : .

Вакной задачей обоснования безопасности поврежденных технических систем является установление области таких малых трещин, налачие которых не приводит к. снижению их прочности (т.е. номинальные разрушающие напряжения равны или выше предела прочности). Такие трещины при экстремальных кратковременных нагрузках можно назвать безопасными. Установить область безопасных трещин в конструкциях позволяет предложенный двухпараметрический ¿^-критерий разрушения. Кроме того, представляется возможным оптимизация механических свойств материала с точки зрения его "нечувствительности" к трещине, поскольку размер безопасных трещин будет зависить от к , оь, Бк и т.

В отличие от конструкционно-технологических факторов повышения сопротивления катастрофическому разрушению конструкций на стадии выбора материалов и технологий принципы предотвращения и локализации разрушений при наличии существующих и распространяющихся трещин могут быть основаны как на изменении левой, так и правой частей критериального условия (8). Поэтому, принципы торможения треиашы (по результатам реализации различных способов торможения) целесообразно разделить . на две группы: снижение уровня интенсивности локальных напряжений и деформаций в зоне вершины трещины посредством изменения напряженно-деформированного. состояния и повыиениэ локальных механических свойств материала перед вершиной трещины. Предложено два способа торможения распространяющейся трещины в тонкостенных элементах конструкций в условиях длительного статического нагружения (ползучести), используя эффект остаточных сжимающих напряжений в зоне-у вершины трещины и ее притупления. Первый способ основан на торможении, трещины ползучести при перегрузке, другой способ

- 29 - 4 '

основан на локальном кратковременном охлаждении металла у вершины трещины.

основные результаты и выводы

Решена актуальная научная проблема, заключающаяся в разработке научных основ и унифицированных методов анализа живучести и безопасности технических систем в сильно поврежденных состояниях по критериям нелинейной механики разрушения.

Основные результата и выводы диссертационной работы заключаются в следующем:

1. Решение проблемы анализа, обоснования и обеспечения безопасности СТО тесно связано с постановкой и решением задач нелинейной механики деформирования и разрушения. Принципиальным аспектом использования подходов механики разрушения является необходимость рассмотрения прочности, живучести и безопасности СТС (как механических систем) в сильно поврежденных состояниях в детерминированной и вероятностно-статистической постановке.

2. Разработаны унифицированные метода анализа и обоснования живучести и безопасности сильно поврежденных технических систем . на основе подходов нелинейной механики разрушения. Научные основы анализа безопасности и живучести исходят из:

- теоретически установленных фундаментальных перекрестных связей между критериальными характеристиками нелинейной механики разрушения;

- методологически общей схемы расчета на прочность и живучесть несущих элементов конструкций в условиях экстремальных нагрузок независимо от используемого критерия разрушения;

- рассмотрения прочности, живучести и безопасности в детерминированной и вероятностно-статистической постановке о установлением логической количественной связи между критериальными подходами (прочности, механики разрушения, живучести, безопасности ириска);

- научно обоснованного единого расчета коэффициентов безопасности (запаса), живучести и установления области допустимых состояний повреаденных технических систем;

* - принципов учета повреждений элементов конструкций, обусловленных воздействием на материал механических нагрузок, корро-

- эо -

зионных сред и физических полей, в общей схеме анализа безопасности и живучеста технических систем.

3. Предложен методологически единый эволюционный подход к аналитическому описанию различных процессов деформирования и разрушения твердых тел, основанный на концепции повреждаемости и представлений о единой природе нелинейных эволюционных процессов деформирования и разрушения.

На основе концепции повреждаемости и представлений о единой природе нелинейных эволюционных процессов деформирования и. разрушения разработан методологически единый подход к аналитическому описанию различных процессов деформирования и разрушения твердых тел. Получены принцип суммирования повреждений и эволюционное соотношение для оценки критического времени до достижения телом предельного состояния при заданном управляющем параметре для исследуемого процесса деформирования или разрушения. Предложенный эволюционный подход позволил получить аналитические ^соотношения для анализа закономерностей контактной усталости, зарождения и роста усталостных' трещин, кинетики коррозионного растрескивания, сдвига критической температуры хрупкости в область положительных температур в результате коррозионных, радиационных и других видов повреждений металла.

4. На основе анализа напряженно-деформированного состояния у вершин трещины с использованием метода делительных сеток разработан комплекс принципиально новых прямых экспериментально-расчетных методик определения статических, квазистатических и динамических критериальных характеристик трещиностойкости тонколистовых пластичных металлов и тонкостенных элементов конструкций с трещинами в условиях больших пластических деформаций. Развитие метода делительных сеток применительно к задачам нелинейной механики разрушения позволило впервые экспериментально исследовать и установить приближенную контурную инвариантность энергетического ^интеграла, а также обосновать использование концепции энергетического интеграла в условиях плоского напряженного состояния при больших пластических деформациях. Сформулированы требования к размерам" тонколистовых образцов со сквозными трещинами для достоверного определения Зс и ,1 -кривых.

■ Комплекс методик оформлен в виде научно-методических реко-

мендаций Российской ассоциации КОДАС.

5. Разработан-комплекс новых критериальных соотношений и методов анализа 'прочности и живучести тел с конструкционными концентраторами напряжений и трещинами при развитых пластических деформациях в условиях зарождения, усталостного и докритического роста трещин. Разработанный комплекс включает в себя:

- аналитические формулы для определения энергетического интеграла при упругопластическом деформировании несущих элементов конструкций с вырезами и трещинами;

- новый двухпараметрический ¿^-критерий разрушения, позволяющий учитывать влияние номинальных разрушающих напряжений на напряженно-деформированное состояние у вершины короткой трещины и осуществлять предельные перехода к традиционным критериям механики хрупкого и упругопластического разрушения;

- модельные представления о процессе деформирования материала у вершины выреза при малоцикловой усталости, аналитические выражения для оценки периода зарождения усталостных трещин, связь закономерностей зарождения и роста усталостных трещин;

- обобщенное уравнение роста усталостной трещины;

- методологически единый подход к расчетному анализу стадий ¡зарождения и роста трещины малоцикловой усталости на основе обобщенного уравнения роста трещины и. концепции коэффициента интенсивности деформаций;

- критерий неустойчивого роста трещины в пластичных металлах при экстремальных нагрузках,.основанный,на концепции предела трещиностойкости.

6. С использованием предложенных унифицированных методов, физико-механического моделирования накопления и -учета эксплуатационных повреждений установлены области безопасных (допустимых) состояний сильно поврежденных конструкций с трещинами при экстремальных нагрузках. Рассмотрены и решены следующие задачи:

- обоснование допустимых состояний магистральных трубопроводов с трещкноподобными дефектами при наличии коррозионных повреждений металла в условиях статического и динамического нагру-жения;

- анализ живучести корпуса реактора ВВЭР-ЮОО с поднапла-вочной трещиной при экстремальных режимах (гидроиспытание и на-

рушение в системе борного регулирования) эксплуатации с учетом истории циклического нагрукения и изменения механических свойств в результате облучения;

- обоснован критический уровень поверхностного науглероживания металла оболочек твэлов при эксплуатации реактора, позволяющий предсказать ориентировочные ограничения на предельно допустимые уровни активности углерода в натриевом теплоносителе;

- для расчетной оценки живучести и допустимых состояний несущих элементов конструкций в условиях циклического нагружения и водородного охрупчивания сформулирован критерий разрушения в связи с кинетикой перераспределения водорода в зонах концентрации напряжений с изменением уровня нагруженности конструкций;

- унифицированный учет деформационных повреждений, обусловленных статическим деформированием, в анализе живучести на стадиях зарождения и роста усталостной трещины;

- анализ аварийного режима работы авиационных ГТД при доло-ме рабочей лопатки турбины.

V. На основе материаловедческих аспектов безопасности технических систем сформулированы принципы обеспечения их безопасности посредством торможения развития трещин как на стадии выбора материала и технологии изготовления, так и при наличии уже существующих и распространяющихся трещин. Рассмотрены принципы оптимизации трещиностойкости тонколистовых пластичных металлов с помощью конструкционно-технологических факторов и в связи с "нечувствительностью" металла к трещине при экстремальных нагрузках, а также принципы повышения живучести несущих элементов конструкций и деталей машин путем торможения распространяющихся трещин.

Основные результаты диссертации отражены в работах:

1, Гольцев В.Ю., Матвиенко Ю.Г., Ривкин Е.Ю. Работа пластической деформации в локализованной области у вершины трещины// Физико-химическая механика материалов. - 1981. - N 6. - С. 5760.

2. Матвиенко Ю.Г., Гольцев В.Ю. Контурный Лштеграл в пластической области// Проблемы прочности. - 1982. - N 11. - С. 25-29.

3. Влияние предварительной деформации на трещиностойкость пластичных тонколистовых металлических материалов// В кн.: Деформация и разрушение материалов и конструкций атомной техники.

- М.: Энергоатомиздат, 1983..- С. 80-84.

4. Матвиенко Ю.Г., Гольцев В.Ю. Использование метода делительных сеток для построения ^-кривой// Заводская лаборатория.

- 1983. - N 10. - С. 70-73.

5. Матвиенко Ю.Г., Гольцев В.Ю. Некоторые аспекты практи-. ческого применения J-интеграла в расчетах на прочность// Известия вузов. Машиностроение. - 1984. - N 3. .- С. 7-11.

6. Матвиенко' Ю.Г., Гольцев В.Ю. Оценка трещиностойкости тонколистовых металлических материалов по критериям нелинейной механики разрушения// Заводская лаборатория. - 1984. - N 5. - С. 70-73.

7. Зоны локализованной пластической деформации в предварительно деформированных тонколистовых пластичных материалах/ В.Ю. Гольцев, A.B. Зеленский, О.Г. Кудрявцев// В кн.: Исследование прочности материалов и конструкций атомной техники. - М.: Энергоатомиздат, 1984. - С. 68-73.

8. Матвиенко Ю.Г. Экспериментально-расчетный метод определения контурного J-интеграла// Заводская лаборатория. - 1984. -N 11. - С. 67-69.

9. Матвиенко Ю.Г., Морозов Е.М. Критерии нелинейной механики разрушения и напряженное состояние у вершины трещины// Проблемы прочности. - 1984. - Н 11. - С. 10-13.

Ю. Матвиенко Ю.Г., Гольцев В.Ю. Требования к размерам образца для достоверного определения упругопластической вязкости разрушения тонколистовых металлов// Заводская лаборатория. -1985. - N 1. - С. 74-76.

11. Матвиенко Ю.Г. Упругопластическая вязкость разрушения j при плоском напряженном состоянии// Проблемы прочности. -1985. - N 3. - С. 39-43.

12. Трещиностойкость тонколистовой холо^нодеформированной стали 09X16Н15ЮБ/ В.Ю. Гольцев, О.Г. Кудрявцев, Ю.Г. Матвиенко, В.В. Новиков// Атомная энергия.. - 1985. - Т. 59, N 2. - С. 125-129.

13. Гольцев В.Ю., Зеленский A.B., Матвиенко Ю.Г. Погрешнос-

ш определения ¿-интеграла методом делительных сеток// Заводская лаборатория. - 1985. - N 7. - С. 61-6314. Гольцев B.D., Кудрявцев О.Г.", Матвиенко Ю.Г. МКЭ-расчет трещиностойкости пластичных тонколистовых материалов.// Заводская лаборатория. - 1985. - N 8. - С. 67-69.

15. Матвиенко Ю.Г., Гольцев В.Ю. Сопоставление прямого и косвенного методов определения J-интеграла// В кн.: Прочность материалов и элементов конструкций атомных реакторов. - М.: Энергоатоыиздат, 1985. - С. 72-75. - .

16. Матвиенко Ю.Г., Гольцев В.Ю., Морозов Е.М. Сопротивление росту трещины в связи с пределом трещкностойкостк// Проблемы прочности. - 1986. - N 3. - С.- 36-40.

17. Трещиностойкость тонколистовой стали при науглероживании в среде натрия/ В.В. Васильев, В.Ю. Гольцев, А.Г. Иптттуупр.отгий; A.R. Корнейчук. JT.JI. МарИНИН. В.М. MaDK046B. Ю.Г. Матвиенко// Физико-химическая механика материалов. - 1985. - Xi

3. - С. 58-62.

18. Матвиенко Ю.Г. Двухпарамегричэский критерий разрушения в связи с упрочнением материала// Заводская лаборатория. - 1986.

- N 9. - С. 60-62.

19. Гольцев B.D., Матвиенко Ю.Г. Исследование трещиностой-кости оболочечной стали 09Х16Н15МЗБ при повышенной температуре// Атомная энергия. - 1987.- Т. 62, К 1. - С. 53-54.

20. Динамическое распространение и остановка трещин в тонколистовых пластичных материалах/ В.Ю. Гольцев, С.Л. Ефремов, О.Г. Кудрявцев, Ю.Г. Матвиенко// Заводская лаборатория. - 1937. -Ni. - С. 74-76.

21 ; Матвиенко Ю.Г., Морозов Е.М. Расчет на прочность по критериям механики разрушения// Проблемы прочности. - 1987. - N

4. - С. 3-7.

22. Матвиенко О.Г. Кинетика повреждений при контактной усталости// Физико-химическая механика материалов. - 1987. - N 3.

- С. 66-68. '

23. Аверин С.И., Матвиенко Ю.Г., Морозов Е.М. Расчет допустимых размеров трещины в корпусе ВВЭР// Атомная энергия. - 1987.

- Т. 62, И 6. - С. 379-382. .

24. Matvienko Yu.G., Morozov Е.Ы. Some problems in linear

and non-linear fracture mechanics// Engineering Fracture Mechanics. - 1987. - V. 28, N 2. - P. 127-138.

25- Матвиенко Ю.Г. Двухпараметрический критерий разрушения и малые трещины// Физико-химическая механика материалов. - 1987.

- N 5. - С. 105-107.

26. Матвиенко Ю.Г., Соковиков A.M. Разрушение. Трещиностой-кость.// Металловедение и термическая обработка (Итоги науки и техники. ВИНИТИ АН СССР). - м.: ВИНИТИ, 1988. - Т. 22. - С. 340.

27. Матвиенко Ю.Г. Коррозионные повреждения материала и изменение критической температуры хрупкости// Физико-химическая механика материалов. - 1988. - N 3. - С. 7-12.

28. Матвиенко Ю.Г. Методика определения коэффициента интенсивности деформаций методом сеток// Заводская лаборатория. -1988. - Н 9. - С. 86-87.

29. Rackowsky V.A., Matvienko Yu.G. Examination oí HRR field existence under plane stress// Pallare Analysis - Theory and Practice. Proc. of the 7th Europ. Coni. on Fract. -Budapest: MAS, 1988. - V. 1. - P. 115-117.

30. Морозов E.M., Матвиенко Ю.Г. Расчет энергетического интеграла для тел с вырезами и трещинами при упругопластическом деформировании// Труды ЦКТИ. - 1988. - N 246. - С. 67-73.

31. Матвиенко Ю.Г., Морозов Е.М. Взаимосвязь критериев нелинейной механики разрушения// Физико-химическая механика материалов. -1989. - н 2. - С. 3-Ю.

32. Матвиенко Ю.Г.,• Остсемин A.A., Никешичева Е.В. Методика оценки материалов к неустойчивому росту трещины// Заводская лаборатория. - 1989. - N 1. - С. 75-78.

33. Киселев Ф.Д., Матвиенко Ю.Г., Кудрявцев О.Г. Использование методов механики разрушения при диагностике изломов для определения нагруженности рабочих лопаток турбин в момент доло-ма// В кн.: Научно-методические материалы по защитным покрытиям.

- М.: ВВИА им. проф. Н.Е. Жуковского, 1989. - С. 120-126.

34. Матвиенко Ю.Г. Повреждаемость и синергетические представления в задачах механики разрушения// Физико-химическая механика материалов. - 1990. - Н 1. - С. 31-37.

35. Распределение водорода в зоне усталостной трещины и

закономерности ее распространения в электролитически наводоро-женной стали 07X16Н6/ Ю.Г. Матвиенко, В.Е. Выговский, Е.Н. Луб-нин, В.Б. Спиридонов// Физико-химическая механика материалов. -1990. - И 3. - С. 9-14.

36. Матвиенко Ю.Г. Анализ условий зарождения трещин малоцикловой усталости у концентратора напряжений// Физико-химическая механика материалов. - 1990. - N 6. - С. 75-80.

37. Связь анизотропии свойств и характеристик сопротивления разрушению с кристаллографической текстурой тонколистовой стали 09Х16Н15МЗБ/ В.А. Перлович, В.Ю. Гольцев, В.А. Фесенко, Ю.Г. Матвиенко// Проблема прочности. - 1991. - N 2. - С. 31-36.

38. Matvienko Yu.G. Determination of the period of crack initiation of low-cycle fatigue in a notch// Proc. of the 10th Congress on Material Testing. - Budapest: GTE, 1991- - V. 2. -P. 520-525. ' ' ■

39. Махутов H.A., Котоусов А.Г., Матвиенко Ю.Г. Механика катастроф// Проблемы безопасности при чрезвычайных ситуациях. -1992. - Н 7. - С. 29-44.

40. Махутов Н.А., Матвиенко Ю.Г., Черняков С.В. Методологически единый подход к расчетному анализу, стадий зарождения и роста трещин малоцикловой усталости// Физико-химическая механика материалов. - 1993. - N 1.

41. Махутов Н.А., Матвиенко Ю.Г. Механика разрушения в концепции обеспечения безопасности технических, систем// Вестник машиностроения. - 1992. - N 10/11. - С. 8-13.

42. Matvienko Yu.G. Two-parameter J*-failure criterion for bodies with cracks// Reliability and Structural Integrity of Advance! Materials. - Proc. of the 9th Europ. Conf. on Pract. -Varna: EMAS, 1992.

43. Matvienko Yu.G., Morozov E.M. Calculation of energy integral for bodies with notchs and cracks// Strength and Fracture. - 1992. - V. 1, И 1. ^

44. Сушок В.В., Матвиенко Ю'.Г., Соболев Н.Д. Способ тормо-jj жения растущих трещин в металлических изделиях// А.С. № 1353833.

- 1987. (

45. Матвиенко Ю.Г., Сушок В.В., Соболев Н.Д. Способ тормо--жения трещин в металлических изделиях// А.С. J6 1475937. - 1989.

[<Э]

ИГ* 1

Рис.1. Критическая диаграмма разрушения (схема). Заштрихованная область - область недопустимых (допредельных) состояний.

■Рис. 2. Кинетическая диаграмма усталостного разрушения (схема).

I Ь

Рис. 3. Криволинейные контуры интегрирования для расчета ¿-интеграла.

МПл-мм

hío

hoo 32 o

А

0 ® д °д О А О® & Д* С? О к Ia © ов

д дд о

Од , i 1 д 1

V V

Рис. 4. Зависимость ¿-интеграла от расстояния л контура интегрирования до вершины трещины в момент ее старта для стали Ш8Н9Т.

—i-1—i—>, ,, „-^OMD-i—i—' ' А--

oji ot&<6jó 0 & ÍS а, х,т

Рис. 5. Кривая [согласно формуле (20)] предельных значений j-интеграла (ш=0.2, \=1).

Рис. 6. Распределение деформаций перед вершиной трещины (отрезки 0 - а, - области высоких градиентов деформаций для трещин разной длины ).

JI.ÍAli: РЛН.Бак.б.'Гетаж ICO экз.