Реферат на тему:


Воспользуйтесь поиском к примеру Реферат        Грубый поиск Точный поиск






Загрузка...
Общая характеристика работы

НАЦИОНАЛЬНАЯ АКАДЕМИЯ НАУК УКРАИНЫ

Физико-механический институт им. В. КАРПЕНКО

Рудавский

Денис Владимирович

УДК 669.788: 539.43

определения долговечности металлических материалов и сварных С объединенной при циклических нагрузках и орошения

01.02.04 механика деформируемого твердого тела

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

ЛЬВОВ - 2004

Актуальность темы исследования.

Работа выполнена в Физико-механическом институте им. В. Карпенко НАН Украины.

Научный руководитель: член-корреспондент НАН Украины, доктор технических наук,

профессор Андрейкив Александр Евгеньевич

Национальный университет им. Ивана Франко, г.. Львов

профессор кафедры механики

Официальные оппоненты: член-корреспондент НАН Украины, доктор технических наук,

старший научный сотрудник

Кир ян Валерий Иванович, Институт электросварки

им. & Nbsp; Е.А. Патона НАН Украины,. Киев, заведующий отделом

прочности сварных конструкций

доктор технических наук, старший научный сотрудник

Силованюк Виктор Петрович, Физико-механический

институт им. В. Карпенко НАН Украины,. Львов

старший научный сотрудник отдела физических основ

разрушения и прочности материалов

Ведущая организация: Одесский национальный политехнический университет,

кафедра динамики, прочности машин и сопротивления материалов

г.. Одесса

Защита состоится "5" мая 2004 г. в 15.00 часов на заседании диссертационного совета Д 35.226.02 в Физико-механическом институте им. В. Карпенко НАН Украины
по адресу: 79601, г.. Львов, ул. Научная, 5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Физико-механического института им. & Nbsp; В. Карпенко НАН Украины (79601, г.. Львов, ул. Научная, 5).

Автореферат разослан "2 апреля 2004

Ученый секретарь

диссертационного совета

доктор технических наук Погрелюк И.М.

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. Усталость, как один из механизмов разрушения, является причиной эксплуатационных повреждений подавляющего большинства современных инженерных сооружений. По статистике судьба усталостных повреждений элементов металлоконструкций составляет 40% от общего количества их преждевременных отказов. Во время эксплуатации конструкций, работающих на усталость, в водневовмисних средах их общая долговечность значительно снижается вследствие вредного воздействия имеющегося во внешней среде водорода, попадая во внутренней об объем металла, облегчает зарождения и распространения в нем усталостных трещин. Поэтому проблема прочности наводненных элементов конструкций при действии переменных нагрузок, является одной из наиболее актуальных. Только за 80-е годы 18% всех повреждений металлоконструкций можно отнести на счет коррозионного растрескивания и водородного охрупчивания. Рядом с использованием водорода в химической и нефтехимической отраслях промышленности, а также в качестве охлаждающего агента в роторах турбогенераторов при производстве электроэнергии, интенсивно увеличивается его применения в металл-водородных системах ядерных и термоядерных энергетических установок, а также в качестве топлива для ракетных и авиационных двигателей и транспортных средств для аккумуляции энергии, ее передачи и др.

Важное значение имеет то обстоятельство, что, как правило, конструкционные материалы, которые имеют более высокую прочность, выявляются и более склонными к вредному воздействию водорода. Эффект воздействия водорода усиливается также с ростом его давления. Этот фактор становится препятствием для развития современной техники, предусматривающий повышение параметров рабочих процессов в машинах и агрегатах для увеличения их эффективности. Поэтому при моделировании этих процессов важное значение имеет количественное описание взаимодействия водородного среды с элементами металлоконструкций (процессы массопереноса, взаимодействие с неоднородностями и дефектамиструктуры, влияние на прочностные и деформационные характеристики и др.). После этого остается развязку связать основную задачу определить долговечность (остаточную долговечность) элемента конструкции, подверженной действию переменных нагрузок и водневовмисного среды. Разгрузка Обязательства такой задачи эт связано со значительными математическими трудностями, в частности с разв связями сложных нелинейных уравнений в частных производных, математические методы реализации которых в настоящее время еще не разработаны. Поэтому применение энергетического подхода для математического моделирования водородно-усталостного разрушения для определения остаточного ресурса элементов металлоконструкций является актуальной научно-технической задачей.

Данная работа посвящена решению важного научно-технического задания, а именно построении на основе энергетического подхода механики разрушения методик определения долговечности наводненных металлических материалов и сварных соединений на стадиях зарождения и докритический роста усталостных трещин.

Св Связь работы с научными программами, планами, темами. Выбранное направление исследований соответствует научной тематике отдела конструкционной прочности материалов в рабочих средах ФМИ им. & Nbsp; Г.В. Карпенко НАН Украины, где выполнена диссертация. Работа имеет тесную связь с такими государственными научными программами: "Исследование усталостного разрушения конструкционных материалов в условиях сложного напряженного состояния и при воздействии динамической нагрузки" (№ госрегистрации 0100U004861, 2000-2002 гг.) "Исследование кинетики и механизма высокотемпературной пошкодженности металлов в среде водорода" (№ госрегистрации 0197U018137, 1997-1998 гг.) хоздоговорная тема "Эксперимент-ные исследования коррозии внутренней поверхности нефтепроводов и выдача рекомендаций на антикоррозийную защиту", номер регистрации ФМИ НАНУ № 2845 (2001) по хозяйственному договору между ФМИ НАНУ и ГАО "Приднестровские магистральные нефтепроводы". Автор диссертации принимал непосредственное участие в выполнении указанных тем,как исполнитель.

Цель и задачи исследования. Целью работы является разработка на базе энергетического подхода механики разрушения методик определения периодов зарождения и докритический роста усталостных трещин в неоднородных по механическим свойствам материалах и элементах конструкций, эксплуатируемых в условиях действия водородных сред и построение расчетных моделей, с помощью которых можно определять характер распространения на основных стадиях утомительного роста трещин в наводненных металлических материалах и прогнозировать общую долговечность таких конструкций. Эта цель достигается путем разв Обязательства следующих задач:

· определения концентрации водорода в зоне передруйнування у вершины трещины и в сварном с единении путем разв Обязательства соответствующих задач диффузии в поле механических напряжений;

· построение расчетной модели для определения периода зарождения усталостной ми-кротрищины у вершины концентратора напряжений в наводнений материале;

· построение расчетной модели подрастания зародившиеся микротрещины в макроскопических размеров в наводнений материале;

· построение расчетной модели распространения усталостной макротрещины до критических размеров в неоднородном по механическим свойствам наводнений материале, находится в условиях плоского напряженного состояния;

· разработка методики прогнозирования остаточного ресурса тонкостенных сварных соединений и трубных элементов конструкций.

Об Объект исследования. Процессы водородно-усталостного разрушения элементов металлоконструкций, кинетика процессов массопереноса водорода в зоне передруйнування у вершины трещины.

Предмет исследования. Построение расчетных моделей процессов зарождения и распространения усталостных трещин в наводненных металлоконструкциях, и разработка на их основе методики определения остаточного ресурса этих конструкций.

Методы исследования. Аналитические методы интегральных преобразований, численные методы конечных элементов, разностные схемы и метод Рунге-Кутта для разв связанныхния дифференциальных уравнений математической физики, основные положения к модели Леонова-Панасюка, энергетические подходы механики разрушения материалов при циклической нагрузке.

Научная новизна полученных результатов.

· С помощью методов интегральных преобразований и предельной интерполяции получено в замкнутом виде развязку связь задачи диффузии водорода в зоне передруйнування у вершины трещины с учетом механических напряжений и предварительного орошения материала.

· На основе комбинации метода конечных элементов и разностной схемы предложена новая числовую схему построения развязку связи нестационарной обобщенной двумерной задачи диффузии водорода в сварной пластине.

· На базе энергетического подхода механики разрушения материалов построены новые расчетные модели для определения периодов зарождения и подрастания к макроскопических размеров усталостной микротрещины у наводненной вершины концентратора напряжений.

· Построенную в рамках энергетического подхода расчетную модель докритический роста усталостной макротрещины в сварном с единении обобщенно на случай действия водневовмисного среды и наличия касательной составляющей тензора механических напряжений в зоне передруйнування у вершины трещины.

· С помощью сформулированных расчетных моделей развязку связано несколько новых, важных с практической точки зрения, прикладных задач для определения остаточной долговечности стыковых сварных соединений и трубных элементов металлоконструкций.

Обоснованность и достоверность научных положений и полученных результатов обеспечиваются их согласованностью с общепризнанными представлениями о закономерности и механизмы усталостного разрушения и водородной деградации конструкционных металлических материалов, корректностью построения расчетных моделей, экспериментальным подтверждением полученных расчетных результатов для разных типов конструкционных сталей, а также удовлетворительным согласованием прогнозируемых оценок долговечности элементов металлоконструкций с экспериментальными.

Научное и практическое значение работы. Полученные в работе результаты, такие как расчетные модели для определения периодов зарождения и докритический роста усталостных трещин в металлических наводненных материалах, имеют фундаментальный характер и могут быть использованы при построении общей теории усталости материалов. Предложенные на этой основе методики применены для решения практической проблемы оценки остаточной долговечности тонкостенных сварных стыковых с соединений и трубных элементов металлоконструкций, было использовано в ИЭС им. & Nbsp; Е.О. Патона НАН Украины при выполнении научно-исследовательской работы, посвященной расчета остаточного ресурса сварных объединений. В рамках хозяйственного договора между ФМИ им. В. Карпенко НАН Украины и ГАО "Приднестровские магистральные нефтепроводы" разработаны методики были применены для прогнозирования остаточного ресурса участка трубы нефтепровода.

Личный вклад соискателя. Основные результаты диссертационной работы получены автором самостоятельно. В публикациях, написанных в соавторстве, соискателю принадлежит: в работе [1] постановка задачи диффузии водорода и определение ее развязку связи; в работе [2] обобщение расчетной модели распространения усталостных макротрещин в сварном с единении в случае сложного напряженного состояния и наличия концентрации водорода, построение кинетических уравнений; в работе [3] построение числового развязку связи задачи диффузии водорода в биметаллической стенке; в работе [4] разработка методики расчета остаточной долговечности элемента газопровода; в работе [5] обобщение расчетной схемы и построение численного развязку связи определяющих уравнений; в работе [6] определения концентрации водорода в сварном с единении и обобщение расчетной модели; в работе [9] проведение исследований и интерпретация результатов; в работе [10] построение расчетной модели зарождения усталостной макротрины у наводненной вершины концентратора напряжений и определения аналитического развязку связи определяющего интегрального уравнения; в работе [11] проведение исследований и интерпретация результатов.

Апробация результатов диссертации. Основные положения и отдельные результаты диссертации докладывались на II Международной конференции "Механика разрушения материалов и прочность конструкций" (Львов, 1999 г.), V Международном симпозиуме "Механика и физика разрушения строительных материалов и конструкций" (Луцк, 2002 г.), II симпозиуме "механики разрушения материалов и конструкций" (Польша, Августов, 2003г.), V украинского-польской научном симпозиуме "Актуальные задачи механики неоднородных структур" (Львов-Луцк, 2003г.), VI Международном симпозиуме украинских инженеров-механиков во Львове (2003 г.), а также на научно-технических конференциях КМН-2001 (2002, 2003) (Львов, ФМИ).

Диссертация в целом докладывалась и обсуждалась на научных семинарах отдела конструкционной прочности материалов в рабочих средах, общеинститутского семинаре "Проблемы механики хрупкого разрушения" Физико-механического института им. В. Карпенко НАН Украины.

Публикации. Основное содержание диссертационной работы освещен в 11 публикациях, из них 4 в профессиональных изданиях, входящих в перечень ВАК Украины.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников и приложения. Общий объем работы 117 страниц, содержащих 40 рисунков, 6 таблиц, библиографический список из 120 наименований.

Основное содержание ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обоснована актуальность темы исследований, определены цели работы, сформулированы научная новизна и обоснованно достоверность полученных в работе научных результатов и их практическое применение. Определены личный вклад соискателя в публикациях и уровень апробации результатов диссертации.

В первом разделе представлен обзор работ, посвященных исследованию воднево-механического разрушения металлических материалов. В первую очередь здесь проводится анализ основных факторов, определяющих усталостное разрушение и водородную деградацию конструкционных материалов, приводятся основные расчетные модели механики разрушения, которые используются для описания таких процессов.

Во втором разделе сделана попытка определить поле концентрации водорода в элементах металлоконструкций, внешне контактируют с водневовмисним средой. Рассмотрена задача для определения концентрации водорода в зоне передруйнування у вершины трещины с учетом наличия в материале некоторого начального уровня концентрации водорода С0. Считаем, что снаружи в вершину трещины попадает водневовмисне среду, обеспечивающую в ее поверхностном слое некоторую постоянную концентрацию водорода Cs. Как известно, в зоне у вершины трещины имеющийся высокий градиент гидростатического компоненты тензора механических напряжений, поэтому поле концентраций водорода здесь искали на основе обобщенного закона Фика с учетом поля механических напряжений

(1)

где СH, D, VH концентрация, коэффициент диффузии и парциальное молярный о объем водорода в металле, Г гидростатическое механическое напряжение. Аппроксимирующей изменение гидростатического напряжения в зоне у вершины трещины линейной кусочно-гладкой функцией, задача диффузии водорода у вершины трещины для одномерного случая в безразмерных переменных сводится к системе двух дифференциальных уравнений

(2)

с граничными условиями

,;

; (3)

и начальным условием

. (4)

Нахождение точного развязку связи этой задачи эт связано с определенными математическими трудностями. С помощью интегрального преобразования Лапласа найдено распределение концентрации водорода в зоне передруйнування для малых значений и стационарное распределение. Применив к предельным случаев метод предельной интерполяции, получим приближенно функцию для промежуточных значений в виде

. (5)

На рис. & Nbsp; графически изображено распределение водорода быиля вершины трещины (5) для стали Ст.3 при начальном уровне концентрации водорода в материале С0 .5Сs. На основе полученного развязку связи можно сделать вывод, что наличие предварительного орошения и поля механических напряжений у вершины трещины могут увеличивать концентрацию водорода в этой зоне в 10-12 раз относительно поверхностной.

Наличие в металлах неоднородностей структуры, механических напряжений, нестационарных теплосмен может вызвать в материале зоны перенасыщения водородом и вызвать скрытую водородную деградацию. Это объясняется резкими изменениями, иногда скачками, функции Ki распределения растворимости водорода, которая в общем случае зависит от температуры, поля механических напряжений, химического и фазового состава и пластической деформации

. (6)

Такая ситуация типична для сварных соединений элементов металлоконструкций. Поэтому дальше было рассмотрено задачу диффузии водорода в области тонкостенного сварного с единения, внешне контактирует с водневовмисним средой.

Так как в области сварного с единения, как правило, выделяют три основных разнородные зоны, а именно, сварной шов (ОШ), зону термического влияния (ОТО) и основной металл (ОМ), эта область моделируется тонкой кусочно-неоднородной полосой. Для случая кусочно-неоднородных тел на границе между подобласти функция растворимости водорода будет иметь скачек, а значит скачек будет и функция концентрации водорода (что вытекает из условия непрерывности функции химического потенциала водорода по всей области). Это обстоятельство существенно осложняет постановку диффузионной задачи, поэтому вместо концентрации было введено непрерывную по всей области сварного с единения, так называемую, функцию потенциала водорода (предложенную в работах академика Походные И.К.)

. (7)

Тогда для двумерного случая на основе законов Фика уравнения диффузии водорода в поле механических напряжений с начальным условием приобрело вида

,. (8)

Считая, что на границе сварного с единения с внешней средой отбываетться массообмен по закону Ньютона, задаем следующие граничные условия

, (9)

где парциальное давление водорода во внешней среде, коэффициент массообмена водорода на границе сварного с единения с внешней средой.

Для развязку Обязательства этой задачи диффузии построено и запрограммировано (на языке Фортран) конечно-элементный алгоритм на основе метода Галеркина. Описанную задачу диффузии применен для определения поля концентрации водорода в стыковом сварном с единении из стали Ст.3 с учетом влияния остаточных сварных напряжений. На рис. 2 & nbsp, а изображена установленное распределение водорода в сварном с единении в виде изолиний; на рис. 2 бы распределение концентрации водорода в сечении вдоль оси Oy, который соответствует ее максимальному уровню (сплошная кривая 1 с учетом остаточных сварных напряжений, пунктирная кривая 2 без учета).

Загрузка...

Страницы: 1 2 3