Деформирование и разрушение алюминиевого сплава при механическом нагружении и локальном плазменном воздействии

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

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

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

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

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

При этом задача оказывается:

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

При проведении' данного рода компьютерного моделирования была проведена отладка программного комплексас цельюулучшения достоверностиполучаемых в ходе расчетов данных. Даннаяотладка: была проведена с помощьюпроведениярасчётов — тестовых^ задачимеющих помимо численного и аналитическое решение, а так же и" путём сравненияполученных решений как отдельного, — так и интегрального воздействия на материалы с реально проведёнными натурными экспериментальными исследованиями.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Сложность и трудоёмкость поставленных задач позволяет сделать вывод о том, что для практического использования полученных результатов необходимочтобы решение и полученные прочностные критерии, описывающие накопление дефектов, возникновение и развитие разрушениябыли быфеноменологическими и: замкнутыми, иначе сложность, многофакторность, и многозначность решений приведёт к значительным трудностям при использовании результатов и непомерным! и недопустимым временнымзатратам численных решений, с учётомсильно меняющихся граничных условий. Поэтому работа содержит значимую экспериментальную часть и базируется на самых общих интегральных законах накопления дефектов, развитияповреждённости, образования и распространениямакроразрушения: для всех указанных процессов механического нагружения и плазменных воздействий.

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

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

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

7. Результаты работы использовались при работе над следующими задачами:

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

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

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

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

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В результате выполненных в диссертационной работе исследований:

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

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

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

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

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

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