ИСТИНА

Предлагаемый проект направлен на решение научной проблемы обеспечения безопасной эксплуатации ответственных материалов и элементов конструкций, находящихся при воздействии высоких температур, нестационарных во времени условиях нагружения, влияния агрессивных сред с учетом фактора поверхностного пластического деформирования. Степень важности безопасной эксплуатации ответственных конструкций, применяемых в различных отраслях промышленности и в транспорте, в том числе используемых в нефтехимическом машиностроении и атомной энергетике, не подлежит сомнению, а нарушения в этих областях могут приводить к техногенным авариям и как следствие к возможным экологическим катастрофам. Глобальная задача проекта – обеспечение техногенной безопасности. Как правило, эксплуатация элементов конструкций ответственного назначения при повышенных температурах приводит к необходимости учета реологических процессов в материалах конструкций, в частности, учета процессов ползучести, сопровождающихся накоплением повреждений. Эти процессы влияют на их длительную работоспособность. Задача моделирования и прогнозирования процесса постепенного разрушения материалов и элементов конструкций в процессе длительного высокотемпературного нагружения представляет собой конкретную актуальную научную проблему, на решение которой направлен данный проект. Развивая научное наследие выдающегося советского ученого академика Ю.Н. Работнова, который впервые в мире в середине 20-го века разработал кинетическую теорию ползучести и длительной прочности, коллективом участников проекта предлагаются новые идеи и новые подходы к моделированию указанных явлений. А именно, в проекте развиваются определяющие и кинетические соотношения для моделирования стационарного и нестационарного сложного напряженного состояния, в том числе с учетом влияния агрессивной среды на материалы и элементы конструкций. Новизной исследования является введение в указанные соотношения векторного параметра накопления повреждений и использование дробно-степенных моделей ползучести и длительной прочности, имеющих в своем составе физически и механически обоснованное предельное напряжение. Такой подход позволяет произвести моделирование напряженно-деформированного состояния и определить время до разрушения типовых элементов конструкций, находящихся в указанных условиях эксплуатации. Дополнительный учет влияния агрессивной среды на длительные деформационно-прочностные характеристики материалов и элементов конструкций будет учитываться введение в модель функций от концентрации элементов среды в материале. Для идентификации материальных констант и функций будут проведены не имеющие аналогов эксперименты на стационарное и нестационарное сложное напряженное состояние в процессе ползучести образцов тонкостенных трубок из титанового сплава ВТ6 с предварительно внедренным в них водородом. Такой уточненный подход определения реологических характеристик, несомненно, актуален и необходим для оптимального расчета и проектирования ответственных элементов конструкций, в том числе для оценки ползучести и релаксации поверхностно упрочненных элементов конструкций. В математическом плане задача решения проблемы оценки кинетики напряженно-деформированного состояния упрочненных элементов конструкций в условиях ползучести приводит к новому классу краевых задач с начальным напряженно-деформированным состоянием. С технической точки зрения решение задач непосредственно связано с проблемой материалоёмкости элементов конструкций. Одно из решений этой проблемы – технологические методы повышения ресурса при сохранении массы конструкции. Одним из таких методов является процедура поверхностного упрочнения деталей, в результате которой в тонком поверхностно упрочненном слое создаются напряжения сжатия. Увеличение ресурса деталей (повышение предела сопротивления усталости, трибологических характеристик и других параметров) непосредственно связано с наличием поля технологических сжимающих остаточных напряжений. Теоретически задачи формирования (реконструкции) напряженно-деформированного состояния в упрочненном слое после упрочнения и релаксации остаточных напряжений в условиях ползучести находятся в начальной стадии развития. В данном проекте развивается это направление применительно к новым типам упрочненных конструктивных элементов и условиям их функционирования. В частности, впервые предполагается разработать математические модели релаксации остаточных напряжений в упрочненных цилиндрических образцах при жестких ограничениях на угловые и линейные перемещения (осевое перемещение, угол закручивания, их комбинация) при высокотемпературной термоэкспозиции в условиях ползучести, обобщить эти задачи на вращающиеся цилиндрические образцы (полые и сплошные) в поле массовых сил; разработать методику реконструкции остаточных напряжений в тонкостенных цилиндрических образцах при одновременном упрочнении внутренней и внешней поверхностей и оценки их релаксации в процессе ползучести при разных видах напряженного состояния (осевое растяжение, кручение, внутреннее давление и их комбинации); разработать новые подходы для решения задач потери устойчивости (выпучивания, коробления) поверхностно упрочненных балочных элементов конструкций вследствие наведения остаточных напряжений; исследовать влияние остаточных напряжений на геометрические параметры упрочненных изделий, включая концентраторы напряжений; разработать метод решения несвязных задач теплопроводности, ползучести и релаксации остаточных напряжений при сложном напряженном состоянии для поверхностно упрочненных пластин и балочных элементов конструкций. Для всех задач планируется разработка не имеющих аналогов программных продуктов с последующей их регистрацией в соответствующих структурах и методических рекомендаций по оценке остаточного ресурса упрочненных деталей в условиях ползучести по параметрическим критериям отказа (величине остаточных напряжений).

The proposed project is aimed at solving the scientific problem of ensuring the safe operation of responsible materials and structural elements that are under the influence of high temperatures, unsteady loading conditions, and the influence of aggressive media, taking into account the factors of surface plastic deformation. The degree of importance of safe operation of responsible structures used in various industries and in transport, including those used in petrochemical engineering and nuclear power engineering, is unquestionable, and disturbance in these areas can lead to man-made accidents and, as a result, to a possible environmental disasters. The global goal of the project is to ensure industry-related safety. As a rule, the operation of structural elements of a functionality application at elevated temperatures leads to the need to take into account rheological processes in the materials of structures, in particular, consideration of creep processes, accompanied by accumulation of damage. These processes affect to their long-time performance. The task of modeling and predicting the process of gradual destruction of materials and structural elements in the process of long-term high-temperature loading is specific topical research problem, to which the project is directed. Developing the scientific heritage of the outstanding Soviet scientist Academician Yu.N. Rabotnov, who for the first time in the world in the middle of the 20th century developed the theory of creep and long-term strength, the team of the project participants offers new ideas and new approaches to modeling these phenomena. Namely, the project develops the determining and kinetic relationships for modeling the stationary and unsteady complex stress state, including taking into account the influence of the aggressive medium on materials and structural elements. The novelty of the study is the introduction of the vector parameter of damage accumulation into the indicated ratios and the use of fractional-power creep and creep rupture models that have in this ratios a physically and mechanically valid limiting stress. This approach makes it possible to simulate a stress-strain state and determine the time to fracture of typical structural elements, such as a tube, under the specified operating conditions. An additional consideration of the influence of an aggressive medium on the long-term deformation-strength characteristics of materials and structural elements will take into account the introduction into the model of functions of the concentration of medium elements in the material. For identification of material constants and functions, unparalleled experiments on stationary and non-stationary complex stress state in the process of creep of samples of thin-walled tubes of titanium alloy VT6 with hydrogen pre-inserted into them will be conducted. Such a refined approach to the definition of rheological characteristics is undoubtedly relevant and necessary for the optimal calculation and design of responsible structural elements including the evaluation of creep and relaxation of surface-hardened structural elements. Mathematically, the problem of solving the problem of estimating the kinetics of the stress-strain state of hardened structural elements under creep conditions leads to a new class of boundary-value problems with an initial stress-strain state. From a technical point of view, the solution of problems is directly related to the problem of material consumption of structural elements. One of the solutions to this problem is technological methods of increasing the resource while maintaining the mass of the structure. One of these methods is the procedure of surface hardening of parts, as a result of which compression stresses are created in a thin surface-hardened layer. An increase in the service life of parts (an increase in the fatigue resistance limit, tribological characteristics and other parameters) is directly related to the presence of a field of technological compressive residual stresses. Theoretically, the problems of formation (reconstruction) of the stress-strain state in the hardened layer after hardening and relaxation of residual stresses under creep conditions are in the initial stage of development. In this project, this direction is being developed in relation to new types of hardened structural elements and the conditions of their operation. In particular, for the first time it is proposed to develop mathematical models of the residual stress relaxation in hardened cylindrical specimens under strict restrictions on angular and linear displacements (axial displacement, torsion angle, their combination) under high-temperature thermal exposure under creep conditions; to generalize these problems to rotating cylindrical specimens (hollow and solid) in the field of mass forces; to develop a methodology for the reconstruction of residual stresses in thin-walled cylindrical specimens with simultaneously hardening with the inner and outer surfaces and the evaluation of their relaxation during the creep process under different types of stress state (axial tension, torsion, internal pressure and their combinations); to develop new approaches for solving the problems of lost stability (buckling, warping) of surface-hardened beam structural elements due to induced residual stresses; investigate the effect of residual stresses on the geometric parameters of hardened products, including stress concentrators; to develop a method for solving uncoupled problems of heat conduction, creep and residual stress relaxation in a complex stress state for surface-hardened plates and beam structural elements. For all tasks it is planned to develop unparalleled software products with their subsequent registration in relevant structures and guidelines for assessing the residual life of hardened parts under creep conditions according to parametric failure criteria (the value of residual stresses).

В результате реализации исследований по проекту ожидаются следующие результаты, которые имеют как фундаментальное, так и прикладное значение: 1) В разработанных новых моделях описания процесса ползучести металлов и сплавов при нестационарном сложном напряженном состоянии будет учитываться векторный параметр поврежденности, при этом в качестве основы будет использована модифицированная гипотеза пропорциональности девиаторов напряжений и скоростей деформаций ползучести с учетом векторного параметра поврежденности. Также будут разработаны критерии длительной прочности при нестационарном сложном напряженном состоянии. Предполагается определение границ применимости полученных соотношений. 2) Будет проведено моделирование длительной прочности трубчатых образцов при нескольких различных конкретных программах нестационарного сложного напряженного состояния (комбинация растяжения с циклическим кручением). Сравнение с результатами известных экспериментов покажет адекватность и границы применимости полученныхмоделей. 3) Будут определены времена до разрушения типовых элементов конструкций (в частности, трубок) с дополнительным учетом влияния агрессивной среды. Актуальность и значимость данной задачи несомненны. 4) С целью идентификации параметров модели ползучести при стационарном и нестационарном сложном напряженном состоянии с учетом влияния агрессивной среды будут проведены уникальные экспериментальные исследования. Эти исследования предполагают создание нестационарного сложного напряженного состояния в процессе ползучести на образцах с предварительно внедренным водородом. Такое напряженно-деформированное состояние будет реализовано посредством комбинации растяжения и кручения на указанных образцах тонкостенных трубок. Последующая обработка экспериментальных данных позволит определить параметры моделей ползучести и длительной прочности с учетом влияния агрессивной среды. 5) Впервые будут разработаны математические модели (и методы их реализации) релаксации остаточных напряжений в упрочнённых цилиндрических деталях при жёстких ограничениях на угловые и линейные перемещения (осевое перемещение, угол закручивания и их комбинация) при высокотемпературной термоэкспозиции в условиях ползучести; разработано не имеющее аналогов программное обеспечение для численной реализации сформулированных задач. Прикладное значение данного вида исследовательских работ состоит в моделировании (в первом приближении) кинетики остаточных напряжений, возникающих в направляющих упрочнённых лопатках вентилятора и компрессора газотурбинного авиационного двигателя, жёстко закреплённых на диске и ободе и не испытывающих вращения. 6) Планируется разработка метода решения задачи потери устойчивости (выпучивания) поверхностно упрочнённых прямолинейных (первоначально) балочных элементов конструкций с прямоугольным поперечным сечением вследствие наведения остаточных напряжений с созданием соответствующего программного обеспечения. Решение этой задачи является инструментом в технической практике назначения режимов упрочнения плоских деталей без последствий, связанных с потерей прямолинейной формы, коробления и т.д. (особенно для тонкостенных конструкций), и востребовано в различных областях машиностроения, авиа- и энергомашиностроения и других областях, где используются упрочняющие технологии. 7) Впервые планируется разработать методику реконструкции остаточных напряжений в тонкостенных цилиндрических образцах упрочнённых одновременно с внутренней и внешней поверхности и их последующей релаксации в процессе ползучести при различных видах квазистатической нагрузки (осевое растяжение, внутреннее давление, кручение); создать соответствующее программное обеспечение для численной реализации метода. Модельные расчёты будут выполнены на образцах из стали Х18Н10Т 12х1 мм, которые моделируют трубопроводы авиационных пневмогидросистем. Результаты исследований позволяют теоретически прогнозировать поля остаточных напряжений как после упрочнения, так и в процессе ползучести для разных видов напряжённого состояния, что позволяет судить об эффективности упрочнения в условиях высокотемпературной ползучести, не прибегая к стендовым экспериментальным разрушающим методам. 8) Будут предложены не имеющие аналогов математические модели релаксации остаточных напряжений для вращающихся упрочнённых цилиндрических стержней в условиях ползучести при жёстких ограничениях на линейные и угловые перемещения (осевое удлинение, угол закручивания, их комбинации), разработаны численные методы решения и программное обеспечение для их реализации. Перечень объектов, эксплуатирующихся в таких режимах, достаточно широк: вращающиеся маховики, колеса с «рёбрами жёсткости», элементы зубчатых передач, лопатки с бандажными полками и бандажные рабочие колёса в компрессорах и турбинах авиационных двигателей и т.д., при этом поверхностное пластическое упрочнение, например, элементов авиационных двигателей является штатной технологической операцией в производстве. 9) Планируется разработать методы решения несвязных задач теплопроводности, ползучести и релаксации остаточных напряжений для поверхностно упрочнённых пластин и балочных элементов при сложных режимах нагружения. Развитие теории ползучести и длительной прочности по направлениям 1) - 9) является существенным вкладом как в развитие фундаментальной науки, так и для решения прикладных задач расчета ответственных конструкций энергетического, авиационно-космического и нефтехимического назначения. Развитие и уточнение теории ползучести, поврежденности и длительной прочности – ключевая задача для решения соответствующих краевых задач, в том числе новых «технологических» задач ползучести и релаксации поверхностно упрочнённых элементов конструкций. На базе использования уточнённых теорий ползучести (пункты 1-4) планируется получить ряд новых результатов в области реконструкции остаточных напряжений после процедур упрочнения и их последующей релаксации вследствие ползучести для ряда элементов конструкций. Решения важных технологических задач изготовления деталей и конструкций ответственного назначения, безусловно, влияют на качество изготовления, что в свою очередь влияет на безопасную эксплуатацию конструкций в целом. Применимость этих исследований – это расчет технологических процессов изготовления ответственных конструкций энергетического, авиационно-космического и нефтехимического назначения, прошедших, в том числе, процедуру поверхностного пластического упрочнения. Вопросы ползучести и длительной прочности материалов и элементов конструкций являются предметом изучения большого числа ученых и инженеров-практиков. Это объясняется актуальностью решаемых задач для обеспечения надежности и безопасной эксплуатации современного оборудования, работающего в том числе, в условиях высоких температур, нестационарного во времени нагружения и влияния агрессивных сред. Ряд исследователей для решения таких актуальных и сложных задач используют различные теории с тензорным параметром поврежденности, однако при этом возникает проблема определения большого количества материальных функций и констант. Заявители проекта считают, что наиболее оптимально при моделировании длительной прочности в случае нестационарного сложного напряженного состояния использовать развитие кинетической теории Ю.Н. Работнова с векторным параметром поврежденности. Постановки задач, методы их решения, разработанные программные продукты для сформулированных проблем в пунктах 5)-9) не имеют аналогов в научной мировой практике. Систематические исследования в области ползучести и релаксации упрочнённых элементов конструкций ведутся только научным коллективом авторов данного проекта. В мировой практике имеются единичные работы лишь в плане реконструкции остаточных напряжений после некоторых технологий упрочнения (термопластичное упрочнение, дробеструйная обработка, обкатка роликом), но полученные в них результаты носят в основном качественный характер, при этом вопрос адекватности расчётных данных экспериментальным данным в этих расчётах вообще не ставится. С прикладной точки зрения решение проблемы оценки релаксации остаточных напряжений в процессе ползучести упрочненных элементов конструкций позволяет решить проблему надежности остаточного ресурса изделия по параметрическим критериям отказа (величина остаточных напряжений).

Результаты, полученные под руководством профессора А.М. Локощенко. Среди них: 1. Теоретически исследовано длительное разрушение пластин при нестационарном действии изгибающих моментов с учетом влияния агрессивной среды. 2. Проведено моделирование известных экспериментальных данных по длительной прочности металлов в условиях нестационарного сложного напряженного состояния. 3. Проведено описание длительной прочности при переменных растягивающих напряжениях. 4. Разработан критериальный подход для анализа длительной прочности в условиях сложного напряженного состояния. 5. Разработан приближенный метод решения уравнения диффузии и показана его высокая точность. 6. Совместно с коллегами из МАТИ имени К.Э. Циолковского исследовано влияние структуры металлов на ползучесть и длительную прочность. К наиболее важным ранее полученным под руководством профессора В.П. Радченко относятся: 1. Создание научно обоснованных подходов при разработке математических моделей формирования напряжённо-деформированного состояния элементов конструкций при поверхностном пластическом упрочнении. 2. Разработан прямой численный метод решения краевой задачи для релаксации остаточных напряжений в упрочнённых сплошных и полых цилиндрических образцах в условиях термоэкспозиции (температурная выдержка без нагрузки) и растяжения при ползучести. Частично выполнена экспериментальная проверка метода на образцах из различных материалов. 3. Впервые выполнены прямые экспериментальные исследования по ползучести полых упрочнённых цилиндрических образцов из сплавов В95 и Д16Т в условиях растяжения с оценкой процесса релаксации остаточных напряжений при ползучести. В лаборатории физико-механических испытаний материалов НИИ механики Нижегородского университета имени Н.И. Лобачевского под руководством Д.А. Казакова на протяжении нескольких десятилетий проводятся экспериментальные исследования механических свойств материалов при различных температурно-силовых программах нагружения.