Предсказание надёжности сварных металлоконструкций, эксплуатируемых в условиях низких температур, при наличии трещин и концентраторов напряжений

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 19-19-00126

НазваниеПредсказание надёжности сварных металлоконструкций, эксплуатируемых в условиях низких температур, при наличии трещин и концентраторов напряжений

Руководитель Шутов Алексей Валерьевич, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт гидродинамики им. М.А. Лаврентьева Сибирского отделения Российской академии наук , Новосибирская обл

Конкурс №35 - Конкурс 2019 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-101 - Прочность, живучесть и разрушение материалов и конструкций

Ключевые слова квазихрупкое разрушение, хладноломкость, маломасштабная текучесть, зона предразрушения, усталость материала, упругопластический материал, накопление повреждений, численное моделирование, идентификация и валидация

Код ГРНТИ30.19.29

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Большая часть России расположена в субарктическом поясе и областях с резко континентальным климатом. Промышленное и инновационное развитие этих поясов и областей требует применения оборудования и инженерных конструкций, работающих при низких температурах. Создание моделей для оценки работоспособности инженерных конструкций в таких условиях и апробация этих моделей на результатах лабораторного эксперимента – актуальная задача для нашей страны. Научная новизна связана с тем, что в рамках одного проекта комбинируются инженерный подход к описанию трещин, нелокальный конечно-элементный подход к моделированию накопления повреждённости и разрушения и экспериментальные исследования. В пригодном для практического применения инженерном подходе за модель материала выбрана неклассическая модель разрушения, в которой кроме сплошного и разрушенного состояний имеется предразрушенное состояние материала. Для аналитических построений выбрана модель упругопластического материала, который имеет предельную неупругую деформацию; мерой повреждённости является относительная неупругая деформация рассматриваемого материала. Для компьютерного моделирования в рамках нелокальных моделей будут впервые делокализованы модели упругопластичности, обладающие высокой предсказательной силой. Будет разработано семейство новых моделей, построены и внедрены соответствующие вычислительные алгоритмы, получены решения ряда практически важных задач. В Проекте будут исследованы режимы нагружения, которые соответствуют маломасштабной текучести материала в зоне предразрушения (зона предразрушения расположена перед вершиной реальной трещины и занимает только часть зоны пластичности). В полученных инженерных и нелокальных моделях появится возможность отслеживать накопление повреждений в окрестности концентраторов напряжений, как при монотонном, так и при циклическом нагружениях, принимать во внимание остаточные напряжения, наведённые в процессе изготовления конструкций. Построенные диаграммы разрушения элементов однородных конструкций при наличии трещин будут описывать случаи отсутствия разрушения, накопления повреждений и разрушения при заданных условиях нагружения. На плоскости "напряжения-длина трещины" будет получена область, в которой имеет место накопление повреждений. По этим диаграммам при циклическом приложении нагрузки появится возможность отслеживать работоспособность однородной конструкции с трещинами. Будут проанализированы три стадии процесса продвижения вершин трещин в режимах нагружения, соответствующих малоцикловой усталости. Будут получены усталостные S–N (напряжения – критическое число циклов) диаграммы разрушения и N-l (критическое число циклов - исходная длина трещины) диаграммы живучести. Учёт усталостных S–N диаграмм разрушения, N-l диаграмм живучести и скорости роста трещины позволит оценить переход от контролируемого, сравнительно безопасного режима эксплуатации конструкции с трещиной, к опасному режиму эксплуатации. Для лучшего понимания процессов, протекающих в зоне активных пластических деформаций, будут построены инженерные и нелокальные конечно-элементные модели деформирования, накопления повреждений и разрушения однородных и сварных конструкций. При разработке инженерной теории будет использована терминология трещин. Для развития нелокальных моделей будут делокализованы уже существующие модели, учитывающие начальную и наведённую пластическую анизотропию, а также влияние накопленных повреждений на деградацию упругих и пластических свойств материала. Путём введения в определяющие соотношения дополнительного параметра - характерного размера микроструктуры материала, будет повышена предсказательная сила моделей а также станут возможными конечно-элементные расчёты в случае локализации деформаций. Для калибровки и валидации инженерных и нелокальных моделей будут проведены лабораторные эксперименты на образцах из машиностроительных сталей, создан комплекс программ по идентификации параметров. В рамках комбинированного подхода будет описано зарождение трещин в окрестности концентраторов напряжений в виде трещиноподобных дефектов с гладким контуром (теория и эксперимент для компактных образцов с U-образным вырезом). Будут предложены модели расслоения биматериала для третьей моды разрушения (кручение валов). Из анализа квазихрупкого разрушения однородных и сварных конструкций будет сформирован комплексный параметр, характеризующий накопление повреждений в стальных конструкциях в окрестности концентраторов напряжений. Этот параметр будет зависеть от характеристик упругопластического материала, размеров конструкции, схемы нагружения этой конструкции и предварительных (технологических) неупругих деформаций материала в зоне предразрушения . Параметр будет пригоден к анализу катастрофических разрушений. Результаты аналитических построений и расчётов по нелокальным моделям будут сопоставлены с результатами экспериментов по продвижению вершин макротрещин при циклическом (пульсирующем) нагружении плоских макрообразцов. Будет описано зарождение трещин в вершине V-образного выреза и построены комбинированные диаграммы разрушения при усталости при переходе от U-образного выреза к зародышевой трещине и от зародышевой трещины к распространению длинных трещин. Будет исследован хрупко-вязкий переход при разрушении.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Шутов А., Ключанцев В. On the application of SPH to solid mechanics Journal of Physics: Conference Series, Volume 1268, conference 1, 012077 (год публикации - 2019)
10.1088/1742-6596/1268/1/012077

2. Кургузов В.Д., Корнев В.М. Simulation of fracture of elastoplastic materials in mode III: from brittle to ductile MECCANICA (год публикации - 2019)
10.1007/s11012-019-01090-4

3. А.В. Шутов, В.С. Ключанцев Solving elasto-viscoplastic problems by smoothed particle hydrodynamics AIP Conference Proceedings, 2216, 030006 (год публикации - 2020)
10.1063/5.0003500

4. В. Кургузов, В. Корнев Coupled fracture criterion and prefracture zone during out-of-plane shear. AIP Conference Proceedings, 2216, 020003 (год публикации - 2020)
10.1063/5.0003444

5. А.В. Шутов, А.А. Кайгородцева Sample shapes for reliable parameter identification in elasto-plasticity Acta Mechanica, 231, pages 4761–4780 (год публикации - 2020)
10.1007/s00707-020-02758-9

6. А.А. Кайгородцева, В.И. Капустин, К.В. Захарченко, А.В. Шутов On the ratcheting of the VT6 alloy in a range of loading scenarios Journal of Physics: Conference Series (год публикации - 2020)
10.1088/1742-6596/1666/1/012020

7. К.В. Захарченко, В.И. Капустин, А.В. Шутов On the analysis of energy dissipation and ratcheting during cyclic deformation of the titanium alloy VT6 (Ti-6Al-4V) Journal of Physics: Conference Series (год публикации - 2020)
10.1088/1742-6596/1431/1/012025

8. В.Д. Кургузов Quasi-brittle fracture of smooth shafts under torsion (stress-strain-based approach) Journal of Physics: Conference Series (год публикации - 2020)
10.1088/1742-6596/1666/1/012027

9. В.Д. Кургузов, А.В. Шутов Elasto-plastic fracture criterion for structural components with sharp V-shaped notches International Journal of Fracture, выпуск 228, страницы 179–197 (год публикации - 2021)
10.1007/s10704-021-00530-1

10. А.В. Шутов, В.С. Ключанцев Large strain integral-based nonlocal simulation of ductile damage with application to mode-I fracture Intrenational Journal of Plasticity, том 144, номер публикации 103061, 24 страницы (год публикации - 2021)
10.1016/j.ijplas.2021.103061

11. А.А. Кайгородцева, К.В. Захарченков, В.И. Капустин, А.В. Шутов Invariant procedure for error sensitivity analysis applied to cyclic creep modelling Journal of Physics: Conference Series, выпуск 1945, номер публикации 012015, 7 страниц (год публикации - 2021)
10.1088/1742-6596/1945/1/012015

12. И.И. Тагильцев, А.В. Шутов Assessment of residual stresses in a T-joint weld by combined experimental/theoretical approach Journal of Physics: Conference Series, выпуск 1945, номер публикации 012059, 7 страниц (год публикации - 2021)
10.1088/1742-6596/1945/1/012059

13. В.С. Ключанцев, А.В. Шутов Nonlocal FEM simulations of ductile damage with regularized crack path predictions Journal of Physics: Conference Series, выпуск 1945, номер публикации 012018, 8 страниц (год публикации - 2021)
10.1088/1742-6596/1945/1/012018

14. К.В. Захарченко, А.А. Кайгородцева, В.И. Капустин, А.В. Шутов Method for studying the kinetics of plastic deformation and energy dissipation during fatigue of structural materials Journal of Physics: Conference Series, выпуск 1942, номер публикации 012001, 7 страниц (год публикации - 2021)
10.1088/1742-6596/1942/1/012001

15. В.Д. Кургузов Квазихрупкое разрушение гладких валов при кручении Прикаладная механика и техническая физика (ПМТФ) (год публикации - 2022)

16. А.В. Шутов, В.С. Ключанцев Geometrically exact interal-based nonlocal model of ductile damage: numerical treatment and validation Proceedings of the XVI International Conference on Computational Plasticity, 12 страниц (год публикации - 2021)

Публикации