Исследование сверхмногоцикловой усталости авиационных материалов и элементов конструкций

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 19-19-00705

НазваниеИсследование сверхмногоцикловой усталости авиационных материалов и элементов конструкций

Руководитель Никитин Илья Степанович, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт автоматизации проектирования Российской академии наук , г Москва

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 усталостное разрушение; сверхмногоцикловая усталость; высокочастотное нагружение; титановый сплав; зарождение и рост трещины; влияние микроструктуры; критерий усталостной прочности

Код ГРНТИ30.19.57

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Разрушение в эксплуатации ответственных элементов газотурбинных двигателей (ГТД) современных летательных аппаратов показывает, что в подавляющем большинстве случаев причиной выхода из строя ГТД является усталостное разрушение дисков или лопаток, входящих в состав его конструкции. При этом анализ действующих в эксплуатации режимов нагружения дисков и лопаток, а также быстро вращающихся зубчатых передач редукторов дополнительных приводов показывает, что наряду с циклическими нагрузками, связанными с полетными циклами, существенное влияние на усталостную долговечность лопаток, дисков и иных элементов конструкций оказывают высокочастотные вибрации низкой амплитуды. Эти вибрации возникают на переходных режимах работы валов ГТД, а также вследствие нестационарности воздушного потока в компрессорной части двигателя и отработанных газов в турбине. Такие высокочастотные режимы нагружения (до нескольких кГц) приводят к большим циклическим наработкам изделий (до 10^9 – 10^10 циклов) за характерное время эксплуатации изделия. Зарубежными исследователями (лаборатории Франции, Австрии, США) было показано, что при таких циклических наработках усталостное разрушение в металлах может происходить под действием нагрузок, существенно меньших классического предела усталости (режим сверхмногоцикловой усталости - СВМУ). Более того, при таких режимах нагружения происходит качественная смена механизма зарождения усталостной трещины. Под действием низкочастотного нагружения с амплитудами больше предела усталости (многоцикловая усталость - МНЦУ) трещина зарождается с поверхности образца или элемента конструкции. Под действием длительного высокочастотного нагружения с амплитудами ниже классического предела усталости зарождение трещины происходит под поверхностью образца. Стоит отметить, что высокочастотное или вибрационное нагружение формирует стоячую волну в пределах элемента (например, лопатки ГТД), что приводит к особому напряженно-деформированному состоянию со значительными градиентами деформации. Однако, при проектировании элементов авиационных конструкций механические свойства материала оцениваются по стандартным усталостным испытаниям с низкой частотой.При этом частота нагружения во время испытания далека от собственных частот образца. Таким образом, в рабочей части образца формируется квазиоднородное напряженное состояние без заметных градиентов деформации. Следовательно, режимы нагружения материалов при определении их механических свойств и в условиях эксплуатации принципиально отличаются. В частности, дефекты микроструктуры, устойчивые к квазиоднородным полям напряжений, могут оказаться крайне чувствительными к нагружению с большими градиентами деформации. При этом механизмы усталостного разрушения в области накопления усталостной повреждаемости могут оказаться различными для указанных режимов нагружения. С целью изучения механизмов и построения физико-математической модели усталостного разрушения конструкционных материалов в проекте планируется проведение усталостных испытаний титанового сплава ВТ3-1 и сравнительный анализ при двух различных режимах: низкочастотные испытания с квазиоднородным полем напряжений в рабочей части образца при частотах до 100 Гц и высокочастотные испытания при резонансном режиме нагружения с частотами порядка 20 кГц. Для высокочастотного режима планируется разработать и впервые в РФ реализовать сложные режимы нагружения (двухосный изгиб, кручение с положительной асимметрией цикла, растяжение-сжатие с ненулевой асимметрией цикла). В настоящее время оценка свойств конструкционных материалов и построение моделей их разрушения в условиях СВМУ являются необходимыми этапами для определения условий безопасной эксплуатации ответственных элементов конструкций газотурбинного двигателя. Следует отметить, что основной исполнитель проекта А.Д. Никитин проходил 5-летнюю стажировку в лаборатории I2M Университета Бордо-1 (Бордо, Франция) и защитил докторскую диссертацию PhD в Парижском Университете 10, по теме связанной с усталостными разрушением конструкционных материалов при высокочастотном (до 20 кГц) нагружении. Он имеет опыт монтажа и эксплуатации соответствующего прецизионного оборудования, который необходимо развить и в дальнейшем применить для создания отечественной лаборатории и проведения экспериментов в области СВМУ. В настоящее время в РФ уделяется мало внимания исследованию этого режима усталостного разрушения. В то же время эта проблема является общепризнанной для обеспечения безопасности эксплуатации многих элементов конструкций современной техники. Исследования в этой области ведутся во многих странах Европы (Франция, Австрия, Германия, Англия, Швеция, Чехия), в США и Японии. С учетом результатов лабораторных СВМУ испытаний необходимо разработать комплексные методы моделирования СВМУ разрушения различных элементов конструкций с учетом сложного многоосного нагружения в эксплуатации. Важным этапом построения модели СВМУ разрушения является изучение особенностей микроструктуры титанового сплава, поверхностей изломов образов и областей зарождения усталостных трещин. Будет проведен анализ морфологии областей зарождения усталостных трещин при каждом из режимов нагружения, исследованы виды разрушенных микроструктурных элементов в зоне зарождения трещины и выявленные особенности будут сопоставлены с микроструктурой титанового сплава. Основной исполнитель проекта А.А. Шанявский является ведущим российским и признанным мировым специалистом-экспертом в области металлофизических и фрактографических исследований различных режимов усталостного разрушения, автором нескольких значимых монографий в этой области. Как заведующий отделом металлофизических исследований ГосЦентра безопасности полетов Авиарегистра РФ, он принимал участие в исследованиях многих летных происшествий и обладает уникальными данными о причинах, механизмах зарождения и развития усталостных повреждений реальных элементов авиационных конструкций, в частности, в режиме СВМУ. На основании данных, полученных в ходе лабораторных испытаний и в реальных условиях эксплуатации, будет построена физико-математическая модель накопления усталостной повреждаемости в материалах с характерной микроструктурой. Для верификации модели будет проведено математическое моделирование процессов зарождения усталостных микротрещин на внутренних дефектах микроструктуры с использованием вычислительных средств Института автоматизации проектирования РАН. У исполнителей проекта имеется опыт разработки вычислительных методов и проведения расчетов высокочастотных макронагружений элементов авиационных конструкций, который будет использован для численного моделирования на микроструктурном уровне. Один из основных исполнителей проекта Н.Г. Бураго является признанным специалистом в области математического моделирования и решения динамических контактных задач в МДТТ, а также, наряду с другими участниками проекта, главным разработчиком универсального программного конечно-элементного комплекса Астра.Руководитель проекта И.С. Никитин является организатором исследований в области СВМУ разрушения в Институте автоматизации проектирования РАН и является крупным специалистом в области математического моделирования динамических процессов в деформируемых телах со сложной микроструктурой.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. А.Д. Никитин, И.С. Никитин, Б.А. Стратула МОДЕЛИРОВАНИЕ РОСТА КРАЕВОЙ УСТАЛОСТНОЙ ТРЕЩИНЫ ПРИ ВЫСОКОЧАСТОТНОМ НАГРУЖЕНИИ Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика, Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. 2019. № 3. С. 65-74. (год публикации - 2019)
10.15593/perm.mech/2019.3.07

2. Н.Г. Бураго, И.С. Никитин, А.Д. Никитин, Б.А. Стратула ОЦЕНКА УСТАЛОСТНОЙ ДОЛГОВЕЧНОСТИ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ КРИТИЧЕСКОЙ ПЛОСКОСТИ ПРИ МНОГООСНОМ ЦИКЛИЧЕСКОМ НАГРУЖЕНИИ С ПРОИЗВОЛЬНЫМ СДВИГОМ ФАЗ Вестник Пермского национального исследо- вательского политехнического университета. Механика., 2019. № 3. С. 27-36 (год публикации - 2019)
10.15593/perm.mech/2019.3.03

3. Бураго Н.Г.,Никитин И.С., Никитин А.Д.,Стратула Б.А. Algorithms for calculation damage processes Frattura ed Integrita Strutturale, 49, pp. 212-224 (год публикации - 2019)
10.3221/IGF-ESIS.49.22

4. А.А. Шанявский, А.П. Солдатенков Evolution from Micro- to Meso- and Macroscale Level in Metal Fatigue AIP Conference Proceedings, 2167, 020324 (2019) (год публикации - 2019)
10.1063/1.5132191

5. Гулин В.В., Никитин А.Д. On the inherent polycrystal stress concentration under external loading on example of single-phase α-Fe samples IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng. 927 012009 (год публикации - 2020)
10.1088/1757-899X/927/1/012009

6. Никитин А., Стратула Б., Волков Б. Modern and future schemes of very-high cycle fatigue tests Journal of Physics: Conference Series, J. Phys.: Conf. Ser. 1479 012074 (год публикации - 2020)
10.1088/1742-6596/1479/1/012074

7. Никитин И.С., Бураго Н.Г., Журавлев А.Б., Никитин А.Д. МУЛЬТИРЕЖИМНАЯ МОДЕЛЬ РАЗВИТИЯ УСТАЛОСТНЫХ ПОВРЕЖДЕНИЙ ПРИКЛАДНАЯ МАТЕМАТИКА И МЕХАНИКА, том 84, № 5, с. 663–674 (год публикации - 2020)
10.31857/S0032823520050070

8. Никитин И.С., Бураго Н.Г., Никитин А.Д., Стратула Б.А. Complex model for fatigue damage development AIP Conference Proceedings, AIP, 2312, 050015 (2020) (год публикации - 2020)
10.1063/5.0035517

9. Шанявский А.А., Никитин А.Д., Палин-Люк Т. Сверхмногоцикловая усталость алюминиевого сплава Д16Т Физическая мезомеханика (год публикации - 2020)
10.24411/1683-805X-2020-13005

10. Шанявский А.А., Солдатенков А.П. Scales of Metal Fatigue Limit Physical Mesomechanics, 2020, Vol. 23, No. 2, pp. 120–127 (год публикации - 2020)
10.1134/S1029959920020034

11. Шанявский А.А., Солдатенков А.П. Physical Mesomechanics: the New Possibilities of Metal Fatigue Behavior Description AIP Conference Proceedings (год публикации - 2020)

12. Никитин И.С., Бураго Н.Г., Журавлев А.Б., Никитин А.Д. Multimode model for fatigue damage development Mechanics of Solids, 2020, V. 55, iss. 8. (год публикации - 2020)

13. Никитин И.С., Бураго Н.Г., Никитин А.Д., Стратула Б.А. Through calculation method of fatigue damage IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng. 927 012019 (год публикации - 2020)
10.1088/1757-899x/927/1/012019

14. Солдатенков А.П., Шанявский А.А. The Microscale Level of Ball-Bearing Ring Fracture in Very-High-Cycle Fatigue Regime AIP Conference Proceedings (год публикации - 2020)

15. Шанявский А.А., Солдатенков А.П., Тушенцов А.А. Foundation of damage tolerance principles in-service for the RRJ-95 aircraft structural components Fatigue and Fracture of Engineering Materials and Structures, Pp. 1–18 (год публикации - 2021)
10.1111/ffe.13478

16. Шанявский А.А., Солдатенков А.П., Никитин А.Д. Effect of Wave Process of Plastic Deformation at Forging on the Fatigue Fracture Mechanism of Titanium Compressor Disks of Gas Turbine Engine Materials, Vol. 14. No. 8. 1851 (год публикации - 2021)
10.3390/ma14081851

17. Шанявский А.А., Никитин А.Д., Палин-Люк Т. Very High Cycle Fatigue of D16T Aluminum Alloy Physical Mesomechanics, Vol. 24. No. 1. Pp. 77-84. (год публикации - 2021)
10.1134/S1029959921010112

18. Никитин И.С., Бураго Н.Г., Никитин А.Д., Стратула Б.А. Multi-mode Model and Calculation Method for Fatigue Damage Development Applied Mathematics and Computational Mechanics for Smart Applications, Smart Innovation, Systems and Technologies, Vol. 217, Pp. 157–170 (год публикации - 2021)
10.1007/978-981-33-4826-4_12

19. Никитин И.С., Никитин А.Д., Стратула Б.А. Mathematical modeling of the VHCF resonance loadings with a progressive damage accumulation IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering, 1191 (2021) 012023 (год публикации - 2021)
10.1088/1757-899X/1191/1/012023

20. Никитин И.С., Никитин А.Д., Стратула Б.А., Волков Б.В. Numerical Method for Calculating Fatigue Fracture Using a Multimode Damage Model AIP Conference Proceedings, 2448, 020016 (год публикации - 2021)
10.1063/5.0073565

21. Никитин А.Д., Гулин В.В. On the Inherent Polycrystal Stress Concentration Journal of Physics: Conference Series, 1945 012010 (год публикации - 2021)
10.1088/1742-6596/1945/1/012010

22. Никитин И.С., Бураго Н.Г., Никитин А.Д., Стратула Б.А. Mathematical Modeling of Fatigue Fracture at High-Frequency Bending Vibrations Journal of Physics: Conference Series, 1945(1), 012042 (год публикации - 2021)
10.1088/1742-6596/1945/1/012042

Публикации