ПРОБЛЕМЫ МАШИНОСТРОЕНИЯ И НАДЕЖНОСТИ МАШИН
№ 3, 2014
УДК 539.4
© 2014 г. Матвиенко Ю.Г.
МОДЕЛИРОВАНИЕ И КРИТЕРИИ РАЗРУШЕНИЯ В СОВРЕМЕННЫХ ПРОБЛЕМАХ ПРОЧНОСТИ, ЖИВУЧЕСТИ И БЕЗОПАСНОСТИ МАШИН
Институт машиноведения им. А.А. Благонравова РАН
Представлены основные результаты фундаментальных и прикладных исследований, полученные в Отделе прочности, живучести и безопасности машин ИМАШ РАН и в рамках сотрудничества с ведущими зарубежными и российскими научными центрами в последние годы. Обсуждаются современные тенденции в проблемах прочности, ресурса, живучести и безопасности машин и конструкций. Сформулированы перспективные направления научных исследований на современном этапе развития машиностроения.
Научное направление фундаментальных и прикладных исследований Института машиноведения им. А.А. Благонравова РАН (ИМАШ РАН) по проблемам прочности, ресурса, живучести и безопасности машин и конструкций сформировалось на базе большого цикла работ, выполняющихся на протяжении всей его 75-летней истории [1]. Основы этого направления по статической и динамической прочности были заложены в предвоенные и военные годы академиком Н.Н. Давиденковым, членом-корреспондентом И.А. Одингом, профессором Г.В. Ужиком. В послевоенные и 50-е годы получили развитие исследования по проблемам долговечности и ресурса машин и конструкций на основе критериев усталости, длительной прочности и ползучести, низкотемпературной прочности, контактной выносливости (академик С.В. Серенсен, профессор В.П. Когаев, Р.Д. Вагапов, П.Ф. Кошелев). Для интенсивно развивающихся в 60-е годы отраслей машиностроения ставятся систематические исследования по малоцикловой усталости под руководством академика С.В. Серенсена, профессора Р.М. Шнейдеровича, членов-корреспондентов А.П. Гусенкова и Н.А. Махутова, профессора В.В. Ларионова, также проводятся исследования по ползучести и высокотемпературной прочности (академик Ю.Н. Работнов, профессор А.Н. Романов, профессор А.И. Тананов). Фундамент научных основ механики деформирования и разрушения в детерминированной и вероятностной постановке для обеспечения надежности и ресурса машин сформировался в 1970—1980-х гг. (академики В.В. Болотин и Ю.Н. Работнов, члены-корреспонденты А.П. Гусенков и Н.А. Махутов, профессор В.П. Когаев). В 1980-1990-е гг. исследования концентрируются на проблемах нелинейной механики разрушения и связных задачам механики деформирования и разрушения (член-корреспондент Н.А. Махутов, профессор В.Т. Алымов, профессор Ю.Г. Матвиенко, профессор Е.В. Лобанов, профессор И.А. Разумовский, профессор О.А. Левин). В 1990-2000-е годы были поставлены и развиты исследования по механике катастроф, живучести и безопасности машин и конструкций, включающие в себя комплексные исследования по всем вышеперечисленным направлениям с применением аналитических, численных и экспериментальных методов анализа напряженно-деформированных и предельных состояний.
В настоящей статье представлены некоторые результаты фундаментальных и прикладных исследований, полученные в отделе прочности, живучести и безопасности машин ИМАШ РАН и в рамках сотрудничества с ведущими зарубежными и Российскими научными центрами в последние годы, а также сформулированы перспективные направления научных исследований.
Современные научные направления исследований. Основное научное направление Отдела прочности, живучести и безопасности машин ИМАШ РАН связано с постановкой и проведением фундаментальных исследований по разработке комплексных и многоуровневых моделей, критериев и методов анализа, обоснования и нормирования прочности, надежности, живучести и безопасности машин и конструкций. Проводимые исследования базируются на физико-математическом и имитационном моделировании, экспериментально-расчетных методах анализа напряженно-деформированного состояния, уравнениях состояния конструкционных материалов, мониторинге процессов нагружения и повреждения критически важных элементов машин и конструкций.
Фундаментальные и прикладные исследования концентрируются по следующим научным направлениям: нелинейное физико-механическое моделирование процессов повреждений, разрушения и живучести материалов и конструкций на различных масштабно-структурных уровнях в условиях экстремальных физико-механических воздействий и коррозионных сред, построение комплексных многостадийных моделей, критериев, методов анализа и нормирования прочности, живучести, безопасности и ресурса машин и конструкций; разработка феноменологических подходов и критериев оценки состояния материала в процессе зарождения и развития разрушения при силовых и неизотермических тепловых воздействиях; методов прогнозирования надежности и устойчивости метастабильных систем, оценки хаотических состояний динамических систем, синергетических подходов в области управляемых катастроф; экспериментальные методы, аппаратура и программное обеспечение для определения нелинейных деформационных характеристик материалов, регистрации процессов повреждений, образования и развития трещин в материалах и конструкциях; разработка научно-методической базы анализа и обеспечения безопасности машин и процессов; моделирование динамических процессов нагружения и отклика конструкций гидроупругих систем для обеспечения и повышения их долговечности и эффективности; составление уравнений состояния конструкционных материалов и критериев прочности изделий при малоцикловом нагружении в широком диапазоне температур, статистические закономерности распространения усталостных трещин, оценка напряженно-деформированного состояния и прочности, технологическое упрочнение для повышения сопротивления циклическому нагружению; обоснование теоретических и экспериментальных методов создания конструкций повышенной безопасности из композиционных материалов.
В последние годы усилия Отдела были направлены на формирование обобщенных подходов к комплексным проблемам безопасности, ресурса и живучести с целью снижения техногенных и технологических рисков для объектов гражданского и оборонного назначения, аэрокосмической и атомной техники, транспортных и других сложных машиностроительных систем с учетом критических технологий [2, 3]. Тенденция в нормировании критериальных параметров обеспечения безопасной эксплуатации машин и конструкций и степень их применимости на практике представлена на рис. 1.
Решение фундаментальных проблем обеспечения безопасности, рисков и защищенности критически и стратегически важных объектов техногенной инфраструктуры, включая и такие уникальные объекты, как нефтегазодобывающие платформы (НГП), базируется на анализе и развитии исторически сложившейся последовательности формирования фундаментальных научных основ прочности и ресурса, разработки инженерных методов расчетов и испытаний, создания норм и правил проектирования и изготовления объектов техносферы, обеспечения их функционирования в заданных пределах проектных режимов и параметров. Базовыми поэтапно повышаю-
щимися требованиями к их штатному (нормальному) функционированию и обеспечению реализации проектных параметров на всех стадиях жизненного цикла в настоящее время стали анализ и развитие всех составляющих критериальной последовательности "прочность ^ жесткость ^ устойчивость ^ ресурс ^ надежность ^ живучесть ^ безопасность ^ риск ^-защищенность" [2—6]. Вместе с тем существенное значение в прогнозировании и обеспечении безопасности приобретают исследования многомерных резонансных колебаний, которые могут создавать опасные ситуации (вплоть до разрушений) для ряда объектов современной техники [7].
В качестве основных научных достижений следует отметить иерархию методов и систем поэлементного и комплексного определения техногенной безопасности и рисков. В основе предложенных подходов лежат системные принципы: целостность, структурность, взаимозависимость системы и среды, иерархичность, множественность описания каждой системы. Общая постановка системных фундаментальных задач безопасности и риска объектов техносферы основана на учете их прямой количественной связи с постановкой задач прочности, ресурса, надежности и живучести. В рамках этих представлений с общих позиций сформулированы расчетно-экспери-ментальные подходы к анализу ресурса, живучести и безопасности машин и конструкций, включающие комплексный анализ прочности, ресурса, живучести и безопасности; оценку предельных состояний и расчетных характеристик; применение методов экспериментального определения характеристик нелинейной механики разрушения на нестандартных образцах и элементах натурных конструкций; развитие методов анализа живучести и надежности.
Значительное внимание уделено методологии построения алгоритмов и систем ранней диагностики повреждений элементов конструкций на основе совместного использования тензоиндикаторов (хрупких покрытий) и акустико-эмиссионной системы [8—9] (рис. 2). Экспериментально-расчетные исследования проводятся с использованием современной испытательной техники и вычислительных комплексов.
Предложена методология и основные принципы построения алгоритмов и систем косвенной диагностики термонапряженного состояния элементов конструкций, в рамках которой разработана программа решения обратных задач теплопроводности для анализа напряженного состояния в связи с оценкой прочности и ресурса атомного энергетического оборудования [10, 11].
Разработаны методика, аппаратура и программное обеспечение для регистрации неоднородных полей перемещений, созданы действующие макеты электронных цифровых интерферометров различных типов, предназначенные для исследования существенно неоднородных напряженно-деформированных состояний (включая зоны остаточных напряжений и трещинообразования) в лабораторных и натурных условиях при квазистатическом и циклическом нагружениях [12] (рис. 3). Предложен метод определения различных параметров напряженно-деформированного состояния объектов (нагрузок, остаточных напряжений, геометрии дефектов, параметров механики разрушения и трехосности напряженного состояния в зоне дефекта), базирующийся на решении задачи минимизации целевой функции, комплексно отражающей различ
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.