Разработка диффузионно-деформационных математических моделей и исследование влияния водородонасыщения на повреждаемость конструкционных материалов

• Автор: Сушков, Алексей Михайлович
• Шифр специальности: 05.13.18
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2006
• Место защиты: Воронеж
• Количество страниц: 135 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
Введение
Глава 1. Обзор экспериментальных и аналитических исследований проблемы взаимодействия водорода с металлами и сплавами

1.1. Общие закономерности взаимодействия металлов с

водородом и состояние водорода в металлах

1.2. Формы проявления водородной хрупкости и

прочность материалов

1.3. О механизмах водородной хрупкости

1.4. Варианты математических моделей для исследования водородной повреждаемости материалов в поле напряжений

1.5. Численное моделирование задач диффузии

1.5.1. Применение разностных схем для решения задач диффузии 1.5.2 Метод Галеркина и методы взвешенных невязок
1.6. Выводы к главе 1
Глава 2. Диффузионнодеформационная математическая модель влияния водородонасыщения на механические характеристики конструкционных материалов
2.1. Модель влияния водородонасыщения на пластичность материалов и определения водородных констант
2.1.1. Обзор математических моделей повреждаемости
2.1.2 Экспериментальная зависимость пластичности материала
от концентрации водорода
2.1.3. Дислокационный механизм переноса водорода
2.1.4. Система определения водородных констант
2.2. Диффузионный механизм переноса водорода
2.3. Система уравнений, определяющих напряженное и деформированное состояние конструкции при водородонасыщении
2.4. Связная модель водородной повреждаемости материала при малых скоростях деформирования
2.5. Критерий повреждаемости, используемый в диффузионнодеформационной модели
2.6. Выводы к главе
Глава 3. Применение связной модели водородной повреждаемости материала при малых скоростях деформирования к исследованию напряженнодеформированного состояния конструкций, работающих в контакте с газообразным водородом
3.1. Напряженнодеформированное состояние и анализ пластических характеристик материала толстостенной трубы под воздействием газообразного водорода
3.1.1. Система уравнений связной модели водородной повреждаемости и определения напряженнодеформированного состояния для толстостенной трубы
3.1.2. Анализ зависимости напряжений, деформаций трубы конструкции и пластичности материала от водородонасыщения
3.2. Напряженнодеформированное состояние и анализ пластических характеристик материала упругопластической толстостенной трубы под воздействием газообразного водорода
3.2.1. Система уравнений для определения границы разделения сечения трубы на упругую и пластическую зоны
3.2.2. Анализ зависимости напряжений, деформаций упругопластической трубы конструкции и пластичности материала от водородонасыщения
3.3. Связная модель водородной повреждаемости для толстостенной трубы с нелинейными характеристиками пластичности
3.3.1. Постановка задачи
3.3.2. Анализ влияния нелинейности пластичности при водородном охрупчивании
3.4. Прикладная связная модель водородной повреждаемости при малых скоростях деформации для концентратора напряжений типа выреза с круговым сечением
3.4.1. Система уравнений напряженнодеформированного состояния
3.4.2. Пример расчета напряженнодеформированного состояния элемента конструкции, содержащего водород
3.5. Выводы к главе 3
Заключение
Библиографический список
Приложение
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность


Итерационный алгоритм расчета на прочность элементов конструкций при малых скоростях пластического деформирования с учетом водородного охрупчивания для применения в инженерных численных приложениях. Создана программа, реализующая математическую модель связанной задачи водородной повреждаемости и напряженнодеформированного состояния конструкций. Апробация разработанной математической модели путем использования специализированного программного обеспечения к расчету пластических характеристик материалов и напряженнодеформированного состояния конструкций на примере пластического и упругопластического состояния толстостенного цилиндра, находящегося под действием давления газообразного водорода. Математическая модель, отражающая диффузионнодеформационную зависимость механических характеристик пластически деформируемого материала от концентрации водорода с использованием водородных параметров, представленная в форме совместной нелинейной системы уравнений дифференциального уравнения в частных производных диффузии с учетом деформаций, дифференциальных уравнений равновесия в частных производных и нелинейных уравнений деформационной теории пластичности. Метод решения связанных задач водородного охрупчивания материала, диффузии и напряженнодеформированного состояния при относительно малых скоростях пластического деформирования. Тестирование и верификация диффузионнодеформационной модели на примере решения одномерных задач прочности с учетом водородной повреждаемости. Научная и практическая значимость работы состоит в следующем. Разработанная математическая модель процесса воздействия концентрации водорода и поля напряжений на конструкционный материал дает аналитический инструмент, позволяющий выявить закономерности развития водородной хрупкости материалов на основе изучения снижения пластичности. Полученные расчетнотеоретические зависимости и программное обеспечение могут быть использованы при расчете элементов двигателей и других энергоустановок на прочность и долговечность, при анализе экспериментальной отработки материалов и фрагментов элементов конструкций, а также для обоснования работоспособности конструкций в условиях водородного нагружения. Личный вклад автора. Вервейко Н. Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались XXVIII международном научнотехническом совещании по проблемам прочности Москва, Институт машиноведения им. Благонравова РАН, г. МИКМУС пробмаш Москва, ИМАШ им. Благонравова РАН г. Современные проблемы механики и прикладной математики Воронеж , , г. Воронежского государственного университета, Воронежского технического университета, Воронежской государственной технологической академии в г. Ii ii i i, i. Научной международной конференции Оценка риска и безопасности строительных конструкций Воронеж, ВГАСУ, . Публикации. Результаты, полученные в ходе работы над диссертацией, опубликованы в работах. В первой главе рассматриваются общие закономерности взаимодействия металлов с водородом и состояние водорода в металлах. Приведены основные уравнения диффузии водорода в металл, варианты взаимодействия водорода с металлами, описаны основные параметры и условия, влияющие на характер воздействия водорода на металлы и сплавы. В главе представлены основные формы проявления водородной хрупкости, наиболее подробно описана форма охрупчивания при пластическом деформировании материала, температурные и деформационные условия, приведены физические гипотезы и соответствующие им закономерности, и дислокационный механизмы переноса водорода в металлы, в которых в диффузия и концентрация водорода в явном виде зависит от скорости деформаций. Для создания модели исследуемой формы водородной хрупкости приняты физические гипотезы, предложенные в работе Колачева Б. А. Водородная хрупкость металлов . Эта закономерность описывает процесс изменения концентрации водорода в определенном объеме с учетом механизма дислокационного переноса и направленной диффузии и может быть сформулирована в виде математической модели диффузионнодеформационного баланса.