ОЦЕНКА ДЛИТЕЛЬНОЙ ПРОЧНОСТИ ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИЙ ПРИ ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКОМ НАГРУЖЕНИИ

И. А. Волков Volkov; Л. А. Игумнов Igumnov; И. С. Тарасов Таrasov; Д. Н. Шишулин Shishulin; И. В. Сметанин Smetanin

doi:10.32326/1814-9146-2018-80-4-494-512

И. А. Волков Volkov Волжский государственный университет водного транспорта, Нижний Новгород, Российская Федерация Научно-исследовательский институт механики Национального исследовательского Нижегородского государственного университета им. Н.И. Лобачевского, Нижний Новгород, Российская Федерация
Л. А. Игумнов Igumnov Научно-исследовательский институт механики Национального исследовательского Нижегородского государственного университета им. Н.И. Лобачевского, Нижний Новгород, Российская Федерация
И. С. Тарасов Таrasov Волжский государственный университет водного транспорта, Нижний Новгород, Российская Федерация
Д. Н. Шишулин Shishulin АО «ОКБМ Африкантов», Нижний Новгород, Российская Федерация
И. В. Сметанин Smetanin Волжский государственный университет водного транспорта, Нижний Новгород, Российская Федерация

DOI: https://doi.org/10.32326/1814-9146-2018-80-4-494-512

Ключевые слова: нестационарная ползучесть, длительная прочность, моделирование, определяющие соотношения, механика поврежденной среды, температура, поврежденность, долговечность, разрушение, ресурс

Аннотация

Обсуждается проблема оценки прочности и ресурса ответственных инженерных объектов, эксплуатационные свойства которых характеризуются многопараметрическими нестационарными термомеханическими воздействиями. Рассмотрены основные деградационные механизмы конструкционных материалов (металлов и их сплавов), характерные для таких объектов. Сформулированы основные требования к математическим моделям указанных процессов.
С позиции механики поврежденной среды развита математическая модель, описывающая процессы неупругого деформирования и накопления повреждений при ползучести. Модель состоит из трех взаимосвязанных частей: соотношений, определяющих неупругое поведение материала с учетом зависимости от процесса разрушения; уравнений, описывающих кинетику накопления повреждений; критерия прочности поврежденного материала.
Представлены результаты численного моделирования несущей способности корпуса реактора ядерной энергетической установки в условиях гипотетической аварии. Аварийная ситуация моделировалась воздействием давления, моделирующего действие расплава, постоянного внутреннего давления и температуры, меняющейся в пределах рассматриваемой части корпуса реактора.
Анализ полученных численных результатов позволил отметить ряд характерных особенностей, сопровождающих процесс деформирования и разрушения таких объектов, связанных с моментом и местоположением образующихся макротрещин, истории изменения напряженно-деформированного состояния и величины поврежденности в зоне разрушения и др.
В целом результаты сопоставления расчетных и экспериментальных данных позволяют сделать вывод о достоверности предложенных определяющих соотношений при деградации начальных прочностных свойств материала по механизму длительной прочности и возможности их эффективного использования при оценке длительной прочности элементов конструкций при термомеханическом нагружении.

Литература

1. Mitenkov F.M., Kaydalov V.B., Korotkikh Yu.G. et al. Metody obosnovaniya resursa yadernykh energeticheskikh ustanovok [Methods of Substantiation of the Resource of Nuclear Power Plants]. Мoscow. Mashinostroenie Publ. 2007. 448 p. (In Russian).
2. Volkov I.A., Korotkikh Yu.G. Uravneniya sostoyaniya vyazkouprugoplasticheskikh sred s povrezhdeniyami [Equations of State Viscoelasticoplastic Environments with Injuries]. Moscow. Fizmatlit Publ. 2008. 424 p. (In Russian).
3. Lokoshchenko A.M. Polzuchest i dlitelnaya pruchnost metallov [Creep and Long-term Strength of Metals]. Moscow. Fizmatlit Publ. 2016. 504 p. (In Russian).
4. Woodford D.A. Creep damage and the remaining life concept. J. Eng Mater. Tech. 1979. Vol. 101. P. 311-321.
5. Lemaitre J. Damage modelling for prediction of plastic or creep fatigue failure in structures. Trans. 5th Int. Conf. SMRiT. North Holland. 1979. Paper no. L5/1b.
6. Murakami S., Imaizumi T. Mechanical description of creep damage and its experimental verification. J. Theor. Appl. Mech. 1982. No 1. P. 743-761.
7. Lemaitre J. A continuous damage mechanics model for ductile fracture. J. Eng. Mater. Tech. 1985. Vol. 107. No 1. P. 83-89. DOI:10.1115/1.3225775.
8. Chaboche J.L. Constitutive equation for cyclic plasticity and cyclic viscoplasticity. Int. J. Plasticity. 1989. Vol. 5. No 3. P. 247-302.
9. Volkov I.A., Igumnov L.A., Kazakov D.A., Mironov A.A., Tarasov I.S., Shishulin D.N., Smetanin I.V. Model povrezhdennoy sredy dlya opisaniya dlitelnoy prochnosti konstruktsionnykh materialov (metallov i ikh splavov) [A damaged medium model for describing the process of long-term strength of structural materials (metals and their alloys)]. Problemy prochnosti i plastichnosti [Problems of Strength and Plasticity]. 2017. Vol. 79. No 3. P. 285-300 (In Russian).
10. Kazakov D.A., Kapustin S.A., Korotkikh Yu.G. Modelirovanie protsessov deformirovaniya i razrusheniya materialov i konstruktsiy [Modeling of Deformation and Fracture Processes of Materials and Structures]. Nizhny Novgorod. UNN Publ. 1999. 225 p. (In Russian).
11. Volkov I.A., Igumnov L.A. Vvedenie v kontinualnuyu mekhaniku povrezhdennoy sredy [Introduction to Continuum Mechanics Damaged Environment]. Мoscow. Fizmatlit Publ. 2017. 304 p. (In Russian).
12. Nikitenko A.F. Experimental verification of the hypothesis of the existence of surface creep under complex loading conditions. Report No 1-2. Strength of Materials. 1984. Vol. 16. Iss. 8. P. 1063-1071.
13. Volkov I.A., Igumnov L.A., Korotkikh Yu.G. Prikladnaya teoriya vyazkoplastichnosti [Applied Theory of Viscoplasticity]. Nizhny Novgorod. UNN Publ. 2015. 318 p. (In Russian).
14. Volkov I.A., Igumnov L.A., Kazakov D.A., Shishulin D.N., Smetanin I.V. Opredelyayushchie sootnosheniya nestatsionarnoy polzuchesti pri slozhnom napryazhennom sostoyanii [Definding relation of transient creep under complex stress state]. Problemy prochnosti i plastichnosti [Problems of Strength and Plasticity]. 2016. Vol. 78. No 4. P. 436-451. (In Russian).
15. Bodner S.R., Lindholm U.S. An incremental criterion for time-dependent failure of materials. J. Eng. Mater. Tech. 1976. Vol. 98. No 2. P. 140-145. DOI:10.1115/1.3443356.
16. Banthia V., Mukherjee S. On an improved time integration scheme for stiff constitutive models of inelastic deformation. J. Eng. Mater. Tech. 1985. Vol. 107. No 4. P. 282-285. DOI:10.1115/1.3225820.
17. Frizen E.A., Semishkin V.P., Pantyushin S.I. Termomekhanicheskiy analiz povedeniya korpusa reaktora sredney moshchnosti v usloviyakh tyazheloy zaproyektnoy avarii [Thermo-mechanical Analysis of the Behavior of the Medium-power Reactor Body in the Conditions of Severe Beyond Design-basis Accident]. Podolsk. Gidropress Publ. 2014. 8 p. (In Russian).
18. Semishkin V.P., Pazhetnov V.V., Frizen E.A., Loktionov V.D. Termomekhanicheskoye povedeniye korpusa VVER v tyazheloy avarii [Thermomechanical behavior of the VVER case in a severe accident]. 5ya mezhdunarodnaya nauchnotekhnicheskaya konferentsiya “Obespecheniye bezopasnosti AES s VVER” [5th International Scientific and Technical Conference Ensuring the Safety of Nuclear Power Plants with WWER]. Podolsk. 29.05-01.06. 2007. (In Russian).
19. Drobyshevsrii N.I., Kiselev A.E., Strizhev V.F., Filippov A.S. HEFEST-M: the code for large scale computation of high temperature deforming. Math. Models. Comput. Simul. 2010. Vol. 22. No 2. P. 45-63.
20. Loktionov V.D., Sosnin O.V., Lyubashevskaya I.V. Strength properties and idiosyncrasies of the deformational behavior of 15Kh2NMFA-A steel at temperatures 20-1100°C. Atomic Energy. 2005. Vol. 99. No 3. P. 665-669.
21. Kiselev A.Ye., Nosatov V.N., Strizhov V.F., Tomashik D.Yu. Primenenie integralnogo koda dlya modelirovaniya avariynykh rezhimov reaktora VVR-1000 [Integral codes using for accident modeling of the VVER-type reactor]. Izvestiya RAN. Energetika [Proceedings of the Russian Academy of Sciences. Power Engineering]. 2004. No 2. P. 57-64 (In Russian).