Гриненко М. В. Моделювання напружено-деформованого стану та експериментально-розрахунковий метод оцінки опірності руйнуванню теплоенергетичної сталі

У роботі виконано аналітичний огляд сучасних теоретичних та експериментальних підходів механіки деформівного твердого тіла, які використовуються для встановлення закономірностей деформування і руйнування конструкційних матеріалів за складного навантаження. Наведено основні критерії міцності і зроблено аналіз характеристик опірності матеріалу руйнуванню. З урахуванням проведеного аналізу в роботі поставлено та вирішено важливе для енергетики України науково-технічне завдання з оцінювання міцності та опірності руйнуванню маловуглецевих сталей, які використовуються для виготовлення конструкційних елементів теплоенергетичного обладнання та трубопроводів, з урахуванням можливого їх наводнювання. У роботі запропоновано теоретико-експериментальний підхід прогнозування опірності руйнуванню елементів конструкцій на основі моделі накопичення пошкодження з використанням енергетичного підходу. Однією з унікальних характеристик запропонованого підходу є те, що він використовує локальні параметри НДС, які визначаються високоточним і простим у застосуванні безконтактним методом ОЦКЗ, який можна використовувати як у лабораторних умовах, так і для елементів конструкцій за реальних умов експлуатації. Запропонована методика побудови істинних діаграм деформування дає можливість визначати істинні напруження біля концентраторів в елементах конструкцій за складного навантаження. Використання цих діаграм в інженерних розрахунках та комп’ютерному моделюванні із застосуванням МСЕ значно підвищує їх точність. Моделювання накопичення пошкодження здійснено на основі енергетичного критерію. Введено параметр пошкодження як відношення енергії пружно-пластичного деформування локального об’єму до її критичного значення. Енергію пружно-пластичного деформування локального об’єму конструкційного елемента розраховується за допомогою МСЕ. Критичне значення енергії пружно-пластичного деформування (енергію руйнування) приймається як характеристика опірності руйнуванню матеріалу за заданих умов навантаження, температури та робочого середовища. Вона визначається експериментально як площа під кривою «істинне напруження - істинна деформація», де істинні деформації в локальному об’ємі розраховуються на основі даних переміщень у двох напрямках на базі 0,5 мм з використанням ОЦКЗ. Величину істинних напружень в зоні максимальних деформацій визначено з врахуванням зміни площі поперечного перерізу внаслідок зміни діаметра зразка під час його деформування одновісним розтягом. Теоретично та експериментально встановлено енергію руйнування та параметр пошкодження для модифікованого зразка Бріджмана зі сталі 22К за різних режимів навантаження. Обґрунтовано методику проведення досліджень і математичний апарат, що використовується в дослідженні. Для розв’язання сформульованих наукових задач використовувалися методи механіки деформівного твердого тіла, насамперед теорії пружно-пластичності та континуальної механіки пошкодження. Числові дослідження здійснювалися методом скінченних елементів у середовищі програмного комплексу ANSYS 2022R1, у якому створювалися тривимірні комп’ютерні моделі. Усі теоретичні розробки дисертації доведено до конкретної інженерної методики для прогнозування безпечної експлуатації елементів теплоенергетичного обладнання з урахуванням дії експлуатаційного середовища.