WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |

На правах рукописи

ПЕНИНА Ольга Владимировна

РАСЧЕТ ДОЛГОВЕЧНОСТИ НЕЛИНЕЙНО-УПРУГИХ ПЛАСТИНОК, ИЗГИБАЕМЫХ В АГРЕССИВНЫХ СРЕДАХ

Специальность 01.02.04 – Механика деформируемого твердого тела

Автореферат диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Саратов – 2009

Работа выполнена на кафедре «Механика деформируемого твердого тела» ГОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет».

Научный руководитель:

академик РААСН,

Заслуженный деятель науки и техники,

доктор технических наук, профессор

Петров Владилен Васильевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор

Трещев Александр Анатольевич

доктор физико-математических наук,

профессор

Землянухин Александр Исаевич

Ведущая организация:

Институт проблем точной механики и управления РАН (г. Саратов)

Защита диссертации состоится ­­___ марта 2009 года в ____ часов на заседании диссертационного совета Д 212.242.06 в ГОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет» по адресу: 410054, г. Саратов, ул. Политехническая, 77, корп. 1, ауд. 319.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ГОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет»

Автореферат разослан ____ ______________ 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

В.С. Попов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Тенденции, сформировавшиеся в промышленности, направлены на снижение материалоемкости конструкций при усилении коррозионно-силовых режимов и допущении деформаций, близких к предельному уровню. Причиной коррозии является рабочая среда, с которой контактирует материал конструкции. Под рабочими средами понимаем агрессивные эксплуатационные среды природного или техногенного характера, которые ухудшают физико-механические свойства материала в пораженной зоне конструкции и приводят к накоплению необратимых рассеянных повреждений. Это, в свою очередь, приводит к тому, что прочностные и деформационные характеристики конструкционного материала изменяются вдоль пространственных координат. Такую неоднородность называют наведенной, а время от начала эксплуатации до наступления опасного состояния – долговечностью конструкции.

Расчет напряженно-деформированного состояния конструкций в таких условиях эксплуатации является сложной задачей. Эти проблемы рассмотрены в большом количестве публикаций, но до настоящего времени общего метода расчета конструкций с учетом агрессивных воздействий рабочих сред не существует. Объясняется это малой изученностью проблемы, отсутствием специально проведенных исследований, направленных на получение тех характеристик, которые используются в расчетах.

Таким образом, на сегодняшний день интерес представляет дальнейшее развитие методов расчета пластинок, изгибаемых в агрессивных средах, а также методик определения долговечности и остаточного ресурса поврежденных пластинок. Решение этих задач является непременным условием для проектирования оптимальных и надежных инженерных конструкций.

Степень разработанности проблемы. В литературе встречаются взаимоисключающие мнения по вопросу поведения пластинок в агрессивных средах, так как теории коррозионного разрушения строятся на основе различных экспериментальных данных.

Традиционно различают два направления моделирования. В первом из них расчетная схема представляется в виде пластинки с переменной толщиной, где слой, поврежденный средой, исключается из работы. Параметр поврежденности (глубина каверны) представлен в виде различных функций. Этот подход представлен в работах Р. Aziz, Т. Champion, G. Metcalfe, A. Liddiard, Н.Д. Томашова, H. Godart, G. Drumm, Л.Я. Цикермана и многих других.

Важным достижением исследователей при построении моделей деформирования тел, контактирующих с рабочей средой, является применение методов механики сплошной среды. Это направление связано с работами авторов Palmgren, Baily, Miner и получило дальнейшее развитие в работах В.В. Новожилова, Ю.Н. Работнова, Л.М. Качанова, В.В. Москвитина, А.А. Ильюшина и др. В работах этих авторов строятся феноменологические математические модели.

Новое направление в построении моделей коррозионного процесса в виде дифференциальных уравнений, позволяющих учитывать влияние напряженно-деформированного состояния конструкции на коррозию, предложено В.М. Долинским, В.Г. Карпуниным, В.В. Петровым, И.Г. Овчинниковым, В.К. Иноземцевым, А.И. Попеско и другими авторами.

Актуальность рассматриваемой проблемы, малая степень разработанности, необходимость численного исследования и выявления факторов, влияющих на долговечность пластинок в агрессивных средах, обусловили выбор темы, постановку цели и задач работы.

Целью диссертационной работы является дальнейшее развитие методов расчета долговечности изгибаемых пластинок с учетом действия агрессивной рабочей среды. Цель исследования определяет следующие задачи:

  1. провести анализ и систематизацию экспериментальных данных по влиянию агрессивных рабочих сред на поведение конструкционных материалов и методов построения расчетных схем;
  2. провести моделирование напряженно–деформированного состояния пластинок с учетом концентрации агрессивной среды в точке материала;
  3. разработать методику определения долговечности изгибаемых пластинок в агрессивной среде и резерва несущей способности (остаточного ресурса) поврежденных пластинок после устранения источника агрессивной среды;
  4. разработать алгоритм, программное обеспечение для расчета напряженно-деформированного состояния квадратной пластинки в условиях действия агрессивных рабочих сред и выполнить численное исследование влияния факторов модели наведенной неоднородности на долговечность и остаточный ресурс (резерв несущей способности) пластинки;
  5. провести анализ эффектов, вызываемых в материале пластинки совместным действием поперечной нагрузки и агрессивных сред;
  6. результаты численных экспериментов описать аналитическими выражениями и построить графики долговечности и остаточного ресурса.

Объектом исследования являются прямоугольные в плане пластинки, изгибаемые в различных агрессивных средах. Предметом изучения являются параметры напряженно-деформированного состояния, долговечность и остаточный ресурс пластинок с учетом концентрации агрессивной среды.

В работе используются методы математического моделирования и исследования поведения объекта путем проведения численных экспериментов.

Научная новизна диссертационной работы, связана с:

  1. систематизацией экспериментальных данных и анализом эффектов, вызываемых в конструкционных материалах действием рабочих сред;
  2. построением модели деформирования изгибаемой пластинки из нелинейно-упругого материала с учетом концентрации агрессивной среды;
  3. разработкой методики, алгоритмов, комплекса программного обеспечения и численным исследованием поведения прямоугольной нелинейно-упругой пластинки при совместном действии нагрузки и агрессивной среды;
  4. результатами численных экспериментов и обширным исследованием влияния различных факторов математической модели наведенной неоднородности на долговечность, прогибы пластинок в рабочей среде и резерва несущей способности поврежденных пластинок, и их аналитическими описаниями.

Достоверность результатов работы основана на корректности математических моделей, взятых в качестве основы разработанных методик и строгости используемого математического аппарата. Это подтверждается сопоставлением результатов расчета с известными решениями, а также экспертными оценками специалистов в области механики деформируемого твердого тела, полученными при обсуждении диссертационной работы на научных конференциях, семинарах.

Положения, выносимые на защиту:

  1. алгоритм численного исследования задач изгиба пластинок в агрессивных средах с учетом концентрации агрессивной среды в точке напряженного материала на основе модели наведенной и развивающейся неоднородности;
  2. способ описания произвольной кривой деформирования материала в виде численного массива информации, заменяющий ее аналитическое описание;
  3. методики определения долговечности пластинок с учетом действия агрессивной среды и остаточного ресурса поврежденных пластинок после устранения источника агрессивного воздействия;
  4. результаты численных экспериментов и аналитические описания долговечности, относительных прогибов изгибаемых пластинок в агрессивных средах и резерва несущей способности поврежденных пластинок.

Теоретическая и практическая значимость заключается в том, что применение предложенных методик позволит повысить обоснованность инженерных решений, а методика определения долговечности и остаточного ресурса будет способствовать безопасности инженерных систем при проектировании конструкций различного назначения и предотвращению техногенных аварий.

Апробация работы прошла несколько этапов. Положения диссертационной работы обсуждались на теоретических и аспирантских семинарах кафедры «Механика деформируемого твердого тела» ГОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет».

Положения диссертации легли в основу выступлений автора на научных конференциях:

Математическое моделирование и краевые задачи (Самара, 2006 г.);

2-м Международном форуме молодых ученых (7-я Международная конференция) (Самара, 2006 г.);

конференции молодых ученых Саратовского государственного технического университета (Саратов, 2007).

Материалы исследования нашли свое отражение в одиннадцати научных публикациях, в том числе в одном издании, рекомендуемом ВАК РФ.

Структура и объем работы. Работа состоит из введения, трех глав, заключения в виде основных результатов диссертационной работы, списка использованной литературы и приложений. Общий объем составляет 225 страниц, содержит 78 рисунков на 26 страницах, 3 таблицы, список литературы из 237 наименований на 24 страницах и 50 приложений на 66 страницах.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность проблемы исследования, приводится анализ состояния вопроса, определяются цель и задачи представляемой работы, положения, выносимые на защиту, а также теоретическая и практическая значимость диссертационной работы.

В первой главе проведена систематизация данных натурных и лабораторных исследований, полученных А.В. Шрейдером, Р.Н. Паркинсом, Л.А. Гликманом, М.К. Смяловски, В.И. Лихтманом, Е.Д. Щукиным, П.А. Рибиндером, В.Н. Маниным, А.Н. Громовым, А.И. Хукматовым, С.В. Ситамовым, И.В. Овчинниковым, Р.Д. Степановым, О.Ф. Шленским, В.Н. Уткиной, И.С. Шпарбером, А.М. Сухотиным, В.С. Зотиковым, А.П. Федоровым, Ю.Б. Потаповым и другими.

Анализ показывает, что действие агрессивной среды на материал конструкций приводит к ухудшению его физико-механических характеристик. При этом изменяется характер диаграммы деформирования, снижается предел прочности и модуль упругости. Концентрация агрессивной среды в точке материала является главным фактором, влияющим на деградацию свойств материала.

Считаем кривую деформирования интегральной характеристикой свойств материала. Для построения модели необходимо проведение серий специальных экспериментов для получения кривых «напряжения – деформации» образцов, различное время выдержанных в агрессивной среде, подобных рис. 1, где показано семейство кривых деформирования на сжатие материалов: а) композитного бетона в воде; б) эпоксидного бетона, выдержанного в 20% растворе едкого натра.

а б

Рис. 1

Математическая обработка этой информации позволила свести множество количественных и качественных факторов, описывающих взаимодействие материала конструкции с рабочей средой, к частной феноменологической модели наведенной неоднородности, развивающейся с ростом концентрации среды.

Во второй части обзора показано сегодняшнее состояние проблемы расчета элементов конструкций в агрессивных средах. Приводятся результаты, достигнутые исследователями в этой области. Рассматриваются достоинства и недостатки основных моделей, описывающих поведение пластин в условиях «коррозия под напряжением», и даются их сравнительные характеристики. Литературный анализ выполнен на основе работ авторов: Г.В. Акимова, Г.В. Карпенко, В.В. Романова, Р.Aziz, Т. Champion, A. Liddiard, B. Whitakker, Н.Д. Томашова, H. Godart, G. Drumm, Я.П. Штурмана, В.М. Долинского, В.Г. Карпунина, И.Г. Овчинникова, В.В. Петрова, В.К. Иноземцева, Ю.М. Шихова, В.В. Новожилова, Ю.Н. Работнова, Л.М. Качанова, В.В. Москвитина, А.А. Ильюшина, В.П. Селяева, А.И. Попеско и других.

Во второй главе рассматривается поэтапное построение модели наведенной и развивающейся неоднородности, расчетные алгоритмы и методики расчета долговечности и остаточного ресурса.

На рис. 2 показана расчетная схема пластинки толщиной h, нагруженной поперечной нагрузкой интенсивностью q. Источник агрессивной среды не меняет свою интенсивность в течение времени действия. На рис. 2: В(z') концентрация агрессивной среды в произвольной точке материала пластинки, z' расстояние от срединной плоскости до текущей ординаты, шаг проникновения агрессивной среды в толщу материала, h толщина пластинки, В0 – концентрация среды на поверхности материала.

а б

Рис. 2

При диффузионном переносе агрессивной жидкости в объем материала глубина пораженного слоя определяется выражением

Pages:     || 2 | 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»