Влияние воздействия активных сред на деформирование элементов конструкций

• Автор: Корнеев, Алексей Владимирович
• Шифр специальности: 01.02.04
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2012
• Место защиты: Тула
• Количество страниц: 137 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1. ОБЗОР ОСНОВНЫХ ПОДХОДОВ К ИССЛЕДОВАНИЮ ВОЗДЕЙСТВИЯ АКТИВНОЙ ВОДОРОДОСОДЕРЖАЩЕЙ СРЕДЫ НА ДЕФОРМИРОВАНИЕ КОНСТРУКЦИОННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
1.1. Механизмы воздействия водорода на металлы и сплавы
1.2. Влияние концентрации водорода на механические характеристики металлов и сплавов
1.3. Варианты учета воздействия активных водородосодержащих сред
Выводы по первой главе
ГЛАВА 2. ПОСТРОЕНИЕ МОДЕЛИ МАТЕРИАЛА И МОДЕЛИ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИЙ С ВОДОРОДОСОДЕРЖАЩЕЙ СРЕДОЙ
2.1. Модель изотропного разносопротивляющегося материала
2.2. Определение механических характеристик материала
2.3. Моделирование процесса наводороживания
2.3.1. Построение уравнения диффузии водородосодержащей среды
2.3.2. Решение уравнения диффузии водородосодержащей среды
Выводы по второй главе
ГЛАВА 3. МОДЕЛЬ КОНСТРУКЦИОННОГО ЭЛЕМЕНТА
3.1. Применение МКЭ к решению задач, для которых конституционные соотношения заданы в виде потенциала деформаций
3.2. Описание конечного элемента
3.3. Алгоритм решения задачи. Описание разработанного программного обеспечения
3.4. Верификация программного комплекса. Анализ сходимости и
устойчивости вычислений
Выводы по третьей главе
ГЛАВА 4. АНАЛИЗ НДС ГИБКИХ КВАДРАТНЫХ ПЛАСТИН, ВЫПОЛНЕННЫХ ИЗ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ ВТ1-0 И ТС5, С УЧЕТОМ
НАВЕДЕННОЙ РАЗНОСОПРОТИВ ЛЯЕМОСТИ
Выводы по четвертой главе
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
ПРИЛОЖЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ
Для современной промышленности актуальна проблема снижения материалоемкости конструкций в условиях коррозионно-силовых воздействий и допущении деформаций, близких к предельно допустимым. Причиной коррозии являются агрессивные эксплуатационные среды природного или техногенного характера, которые ухудшают физико-механические свойства материала конструкции и приводят к накоплению необратимых рассеянных повреждений. Приобретенные изменения однородности прочностных и деформационных характеристик конструкционного материала называют наведенными. Изгибаемые прямоугольные пластины являются довольно распространенными элементами конструкций, работающих в агрессивных средах. Разрушение пластин происходит под совместным воздействием нагрузки и среды, представляющей собой физико-химические процессы, происходящие на поверхности и в объеме исследуемых элементов.
В нефтеперерабатывающей, химической и металлургической отраслях промышленности наиболее часто рабочей средой оказывается водородосодержащая. Водород занимает особое место среди вредных технологических примесей благодаря своей высокой подвижности в титановых сплавах в широком температурном диапазоне. Различают высокотемпературную водородную коррозию и низкотемпературную коррозию (при температурах до + 200°С).
Учет влияния высокотемпературной коррозии изучен достаточно подробно [6, 7, 41, 131], что нельзя сказать о низкотемпературной коррозии. Это связано в первую очередь с недостаточностью количества экспериментальных исследований для деформационных расчетов и большим разбросом в существующих экспериментальных данных. Поэтому математическое моделирование низкотемпературных коррозионных процессов является подспорьем для дальнейших теоретических и практических экспериментальных исследований.

Вопросам учета воздействия водородосодержащей среды в разное время уделяли свое внимание Г.Ч. Черепанов [124], Б.Ф. Юрайдо [132, 133], В.И. Астафьев [8], B.C. Харин [5, 81, 121, 122], Т.Я. Гервиц [20], H.H. Сергеев [31], Ю.И. Арчаков [6, 7], В.М. Долинский [22-26], В.Н. Киселевский [37], В.В. Петров [78, 85, 89], И.Г. Овчинников [34, 77], А.Б. Рассада [79, 80],
Н.Ф. Синева [100], JT.A. Кириллова [35], A.A. Трещёв [70, 73, 112-115, 117], П.В. Божанов [12], С.Б. Сергеева [99], А.М. Локощенко [62-66], В.П. Селяев [88, 93, 97, 98], В.И. Соломатов [101, 102], Г.В. Васильков [16], О.В. Соснин [103-105], А.Н. Тынный [118], В.Л. Баранов [9], Г.Е. Фрегер [120], А.П. Федор-цов [119], О.Р. Шленский [128, 129] и другие авторы [21, 39, 83, 92, 95, 116].
Водородосодержащая среда, проникая в элементы конструкций, выполненные из материалов изначально не чувствительных к виду напряженного состояния, приводит к значительному изменению механических свойств в растянутых зонах, практически не оказывая влияния на сжатые зоны. К таким материалам относятся титановые сплавы ВТ1-0 и ТС5. Изначально равномодульные материалы приобретают свойства наведенной разносопротивляемости, что обуславливает необходимость учета влияния активных сред с привлечением моделей механики, учитывающих чувствительность свойств материалов к виду напряженного состояния.
Развитие методов расчета пластинок, изгибаемых в агрессивных средах, является непременным условием для проектирования оптимальных и надежных конструкций.
Актуальность рассматриваемой проблемы, малая степень разработанности, необходимость численного исследования с выявлением эффектов ухудшения механических характеристик материала пластинок, работающих в агрессивных средах, обусловили выбор темы, постановку цели и задач работы.
Целью диссертационной работы является построение модели и решение задач деформирования прямоугольных пластин при больших прогибах, выполненных из материалов, которые в процессе воздействия активных эксплуатационных сред изменяют свои механические характеристики.

В ряде работ с использованием идей С.А. Амбарцумяна [2-4] предлагалось представить уравнения в форме независимой от сочетания знаков напряжений. В результате этого в работе Г.В. Бригадирова [13] возникает нефизич-ность принятых соотношений. В работе А.П. Авхимкова и Б.Ф. Власова [1] построенные соотношения оказались непотенциальными.
В работе Г.С. Шапиро [125] предполагается, что механические характеристики скачком меняю свои значения при изменении знака среднего напряжения а0, кроме того, не требуется сведений о распределении главных напряжений во всех точках тела. В этом подходе использовались зависимости Г. Каудерера [33], в которых модули сдвига <7 и объемного расширения К имеют различный вид в зависимости от знака а 0, причем К+ фК~ и Ф 0~.
Строгость данной модели нарушается при а0 = 0, так как в этом случае закон упругости [125] не определен и возникает необходимость в дополнительных гипотезах.
В работах Б.В. Пономарева [90, 91] предлагается гладкая аппроксимация диаграмм деформирования единым для одноосного растяжения и сжатия степенным полиномом. Коэффициенты полинома учитывают разносопротивляе-мость материала при помощи параметра несимметричности. Несимметричная аппроксимирующая диаграмму деформирования функция имеет вид:
аА,Е1+Л2Е1 +Л,Е. (1.10)
Выбор зависимости (1.10) позволяет не определять границу между растянутой и сжатой зонами.
Особенность описанных выше моделей определяется зависимостью механических характеристик от знаков возникающих напряжений или развивающихся деформаций.
В работах Л.А. Толоконникова [71, 72, 109-111] для линейно-упругих материалов приняты потенциалы в виде квазиквадратичных форм по универсальным инвариантам напряжений или деформаций. В работе [72] приняты гипотезы о совпадении главных направлений напряжений и деформаций и о не-