Анализ циклической прочности технических систем при сложных режимах эксплуатационного нагружения

Современные объекты энергетики, космического, воздушного, наземного, водного транспорта во время эксплуатации, как правило, испытывают воздействие изменяющихся во времени как основных циклических термомеханических усилий, так и сопутствующих им вибрационных и аэрогидродинамических нагрузок. При этом суммарное число циклов нагружения с учетом длительности службы оказывается в весьма широких пределах. Показано, что общий спектр изменения во времени воздействующих на такие объекты усилий оказывается весьма сложным по уровням нагрузок, частотам и времени их действия. С учетом большой вариации эксплуатационных воздействий по уровню нагруженности, частоте и общему числу циклов нагружения выполнен обобщенный анализ сопротивления деформированию, повреждению и разрушению высоконагруженных объектов современной техники. На основе полученных результатов отмечено, что при комбинированном механическом, вибрационном и аэрогидроакустическом нагружении предельное состояние по критерию циклической прочности с использованием правила линейного суммирования выраженных в деформационных параметрах повреждений будет достигаться раньше, чем при учете в расчетах только основной термомеханической нагруженности. Для обоснования прочности и ресурса рассматриваемых объектов проводят традиционные стандартные и унифицированные механические изотермические испытания на статическое и циклическое нагружение для определения базовых характеристик механических свойств материала, а также специальные механические программируемые испытания с переменными режимами, имитирующими сложные процессы эксплуатационных термомеханических, вибрационных и аэрогидродинамических воздействий. Результаты таких испытаний учитывают в процессе расчетно-экспериментальных оценок прочности и долговечности для соответствующих спектров эксплуатационного нагружения. Уточненный поверочный расчет циклической прочности и долговечности становится все более актуальным для современных машин и агрегатов, работающих в условиях возрастания скоростей их движения, рабочих давлений с повышенными уровнями пульсаций, а также возникновения сопутствующих механических колебаний, вибраций и аэрогидроакустических воздействий.

1. Проблемы прочности и безопасности водо-водяных энергетических реакторов. Серия «Исследования напряжений и прочности ядерных реакторов». — М.: Наука, 2008. — 446 с.

2. Makhutov N. A., Gadenin M. M., Maslov S. V., et al. Investigation of the Influence of Operational Loading Regimes on the Service Life of Nuclear Power Plants / Advanced Structured Materials. Multiscale Solid Mechanics. Strength, Durability, and Dynamics. Chapter 24. — Springer Nature, Switzerland AG, Cham. 2021. Vol. 141. P. 319 – 330. DOI: 10.1007/978-3-030-54928-2_24

3. Burns D., Johnson S., Okunev V. S., at al. Nuclear Materials. — London: IntechOpen, 2021. — 138 p. DOI: 10.5772/intechopen.83315

4. Прочность и ресурс ЖРД. Серия «Исследование напряжений и прочности ракетных двигателей». — М.: Наука, 2011. — 525 с.

5. Makhutov N. A., Gadenin M. M., Reznikov D. O., Yudina O. N. Analytical, experimental, and numerical methods for the analysis of strength and service life of rocket engines / Procedia Structural Integrity. 2022. Vol. 40. P. 264 – 274. DOI: 10.1016/j.prostr.2022.04.036

6. Локальные критерии прочности, ресурса и живучести авиационных конструкций. Исследования прочности, ресурса и безопасности летательных аппаратов. — Новосибирск: Наука, 2017. — 600 с.

7. Махутов Н. А. Прочность и безопасность. Фундаментальные и прикладные исследования. — Новосибирск: Наука, 2008. — 528 с.

8. Когаев В. П. Расчеты на прочность при напряжениях, переменных во времени. — М.: Машиностроение, 1993. — 364 с.

9. Прикладные задачи конструкционной прочности и механики разрушения технических систем / Отв. ред. В. В. Москвичев. — Новосибирск: Наука, 2021. — 796 с. DOI: 10.7868/978-5-02-038832-1

10. Makhutov N. A., Gadenin M. M., Reznikov D. O. Assessment of Extreme Thermo-Mechanical States of Engineering Systems under Operating Loading Conditions / Acta Mechanica. 2021. Vol. 5. N 232. P. 1829 – 1839. DOI: 10.1007/s00707-020-02920-3

11. Институт машиноведения им. А. А. Благонравова Российской академии наук / Кто есть кто в современном мире. Национальное достояние. Вып. VII. — М.: Международный объединенный биографический центр, 2009. С. 270 – 387.

12. Достижения и задачи машиноведения. — М.: МГФ «Знание», 2006. — 416 с.

13. Махутов Н. А., Фортов В. Е. Машиностроение России: перспективы и риски развития. — М.: Наука, 2017. — 104 с.

14. Безопасность России. Правовые, социально-экономические и научно технические аспекты. Тома 1 – 64. — М.: МГОФ «Знание», 1998 – 2022.

15. Махутов Н. А., Гаденин М. М., Чернявский О. Ф., Чернявский А. О. Механические свойства материалов в расчетах малоциклового деформирования конструкций / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2022. Т. 88. № 6. С. 52 – 59. DOI: 10.26896/1028-6861-2022-88-6-52-59

16. Гаденин М. М. Исследование закономерностей сопротивления деформированию и накопления повреждений при нерегулярном малоцикловом нагружении / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2021. Т. 87. № 11. С. 55 – 63. DOI: 10.26896/1028-6861-2021-87-11-55-63

17. Махутов Н. А., Гаденин М. М., Чернявский О. Ф., Чернявский А. О. Свойства материалов в расчетах малоциклового деформирования конструкций / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2022. Т. 88. № 6. С. 52 – 59. DOI: 10.26896/1028-6861-2022-88-6-52-59

18. Смирнова Л. Л., Зинин А. В. Структурные особенности накопления повреждений при комбинированном циклическом нагружении / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2019. Т. 85. № 5. С. 46 – 51. DOI: 10.26896/1028-6861-2019 – 85-5-46-51

19. Гаденин М. М. Исследование повреждаемости и долговечности при одно- и двухчастотных режимах нагружения на основе деформационных и энергетических подходов / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2017. Т. 83. № 6. С. 44 – 52.

20. Зинин А. В., Бычков Н. Г., Першин А. В. и др. Термоциклическая прочность жаропрочного сплава и кинетика накопления повреждений при наложении вибрационных нагрузок / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2017. Т. 83. № 2. С. 53 – 55.

21. Гаденин М. М. Исследование влияния соотношения амплитуд деформаций при двухчастотном циклическом нагружении / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2018. Т. 84. № 12. С. 50 – 56. DOI: 10.26896/1028-6861-2018-84-12-50-60

22. Гаденин М. М. Расчетно-экспериментальная оценка роли соотношения частот в изменении долговечности при двухчастотных режимах деформирования / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2019. Т. 85. № 1. Ч. I. С. 64 – 71. DOI: 10.26896/1028-6861-2019-85-1-I-64-71

23. Лепов В. В. Надежность и ресурс технических систем в экстремальных условиях эксплуатации / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2020. Т. 86. № 6. С. 36 – 39. DOI: 10.26896/1028-6861-2020-86-6-36-39

24. Гаденин М. М. Особенности кинетики диаграмм циклического упругопластического деформирования при наличии в циклах выдержек и наложении на них переменных напряжений / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2020. Т. 86. № 12. С. 46 – 53. DOI: 10.26896/1028-6861-2020-86-12-46-53

25. Махутов Н. А. Безопасность и риски: системные исследования и разработки. — Новосибирск: Наука, 2017. — 724 с.

26. Нормы расчета на прочность оборудования и трубопроводов атомных энергетических установок (ПНАЭ Г-7-002 – 86. Правила и нормы в атомной энергетике). — М.: Энергоатомиздат, 1989. — 525 с.

27. Программа фундаментальных научных исследований в Российской Федерации на долгосрочный период (2021 – 2030 гг.) Утверждена распоряжением Правительства Российской Федерации от 31.12.2020 г., № 3684-р. (в ред. от 21.04. 2022). http://www.ras.ru/scientificactivity/planrf.aspx?ysclid=la0yuu4t3h62289311 (дата обращения 02.11.2022).