МОДЕЛЮВАННЯ ПРОЦЕСІВ НАКОПИЧЕННЯ ПОШКОДЖЕНЬ ПРИ ПЛОСКОМУ НАПРУЖЕНОМУ СТАНІ
DOI:
https://doi.org/10.20998/2078-9130.2024.2.316243Ключові слова:
чисельне моделювання, плоский напружений стан, метод скінченних елементів, довготривала міцність, повзучість, пошкоджуваність, пластина з надрізамиАнотація
Запропоновано підхід до моделювання процесів накопичення пошкоджень при повзучості, коли напружений стан у конструктивному елементі характеризується наявністю областей з різним рівнем напружень. Внаслідок процесів старіння, оксидації та інших високотемпературних деградаційних процесів у зонах з малими рівнями напружень швидкість накопичення прихованих пошкоджень може збільшуватись, що не відображається у класичних формулюваннях механіки пошкоджуваності. Надано опис еволюційного рівняння для скалярного параметру пошкоджуваності, в якому параметри, що до нього входять, є функціями величин напружень, які при даному часі до припинення прихованого руйнування є руйнівними. Математичну постановку задачі та її скінченноелементне формулювання виконано для випадку плоского напруженого стану. Проведено чисельне моделювання процесів накопичення пошкоджень у пластинах з коловими надрізами, виготовлених з жароміцного сплаву CMSX-4. Порівнюються розподіли параметру пошкоджуваності за пластиною, отримані при використанні класичного рівняння для параметру пошкоджуваності Качанова-Работнова та запропонованого у даній роботі для широкого діапазону напружень. Показано, що врахування іншої, підвищеної швидкості накопичення пошкоджень в областях з малим рівнем напружень в аналізі довготривалої міцності призводить до істотного скорочення часу до завершення прихованого руйнування. Продемонстровано, що у випадку застосування модифікованого еволюційного рівняння зони з високим рівнем пошкоджуваності розповсюджується по всьому об’єму пластини, що може свідчити про подальше швидке руйнування. Запропонований підхід до модифікації еволюційного рівняння для параметру пошкоджуваності можливо використати у разі, коли є інформація щодо реального значення часу до руйнування в експлуатаційних умовах з подальшим виконанням циклу чисельних експериментів для отримання характеристик кривої довготривалої міцності, які будуть закладені у модифіковане еволюційне рівняння.
Посилання
Öchsner, A. Continuum Damage Mechanics. Springer Singapore, 2016, pp. 65–84. https://doi.org/10.1007/978-981-287-865-6_4
Lemaitre, J., and J. L. Chaboche. Mechanics of Solid Materials.Cambridge University Press, 1994. 556 pp.
Penny, R. K., and D. L. Marriott. Design for Creep. Chapman and Hall, 1995. 430 pp. https://doi.org/10.1007/978-94-011-0561-3
Naumenko, K., and H. Altenbach. Modeling High Temperature Materials Behavior for Structural Analysis, Part I: Continuum Me-chanics Foundations and Constitutive Models. Advanced Structured Materials, vol. 28, Springer, 2016. DOI: 10.1007/978-3-319-31629-1.
Holdsworth, S. Creep-Fatigue Failure Diagnosis. Materials, vol. 8, no. 11, 2015, pp. 7757–7769. https://doi.org/10.3390/ma8115418
Obert, S., A. Kauffmann, and M. Heilmaier. Characterisation of the Oxidation and Creep Behaviour of Novel Mo-Si-Ti Alloys. Acta Materialia, vol. 184, 2020, pp. 132–142. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2019.11.045
Berthod, P., and E. Conrath. Creep and Oxidation Kinetics at 1100°C of Nickel-Base Alloys Reinforced by Hafnium Carbides. Materials & Design, vol. 104, 2016, pp. 27–36. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2016.04.079.
Haque, M. S., and C. M. Stewart. The Stress-Sensitivity, Mesh-Dependence, and Convergence of Continuum Damage Mechanics Models for Creep. Journal of Pressure Vessel Technology, vol. 139, no. 4, 2017, p. 041403. https://doi.org/10.1115/1.4036142.
Kowalewski, Z. L., D. R. Hayhurst, and B. F. Dyson. Mechanisms-Based Creep Constitutive Equations for an Aluminium Alloy. The Journal of Strain Analysis for Engineering Design, vol. 29, no. 4, 1994, pp. 309–316. DOI: 10.1243/03093247V294309.
Altenbach, H. "A Nonclassical Model for Creep-Damage Process-es. Materials Physics and Mechanics, vol. 3, 2001, pp. 25–35.
Altenbach, H., and K. Knape. On the Main Directions in Creep Mechanics of Metallic Materials. Proceedings of the National Academy of Sciences of Armenia. Mechanics, vol. 73, no. 3, 2020. https://doi.org/10.33018/73.3.2.
Meng, Q., and Z. Wang. Creep Damage Models and Their Appli-cations for Crack Growth Analysis in Pipes: A Review. Engineer-ing Fracture Mechanics, vol. 205, 2019, pp. 547–576. https://doi.org/10.1016/j.engfracmech.2015.09.055
Barbera, D., H. Chen, and Y. Liu. Advances on Creep–Fatigue Damage Assessment in Notched Components. Fatigue & Fracture of Engineering Materials & Structures, vol. 40, no. 11, 2017, pp. 1854–1867. https://doi.org/10.1111/ffe.12603.
Luo, Y., et al. "Notch Effect on Creep Damage for Hastelloy C276-BNi2 Brazing Joint. Materials & Design, vol. 84, 2015, pp. 212–222. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2015.06.111
Breslavsky, D. V. Deformuvannia ta Dovhotryvala Mitsnist Kon-struktyvnykh Elementiv Yadernykh Reaktoriv [Deformation and Long-Term Strength of Structural Elements of Nuclear Reactors]. Drukarnia Madryd, 2020. 249 p.
Zienkiewicz, O. C., R. L. Taylor, and D. D. Wood. The Finite Ele-ment Method for Solid and Structural Mechanics. Butterworth-Heinemann, 2014.
Breslavsky, D. V., Yu. M. Korytko, and O. A. Tatarinova. Proektuvannia ta Rozrobka Skinchennoelementnoho Prohramnoho Zabezpechennia [Design and Development of Finite Element Soft-ware]. Pidruchnyk NTU "KhPI", 2017. 232 p.
Breslavsky, D., A. Khoroshun, A. Senko, and O. Tatarinova. Prohramnyi Zasib dlia Obrobky Danykh z Dovhotryvaloi Mitsnosti Materialiv z Vykorystanniam Kryvykh Edvardsa [Software for Processing Long-Term Strength Data Using Edwards Curves]. Visnyk NTU "KhPI": Seriia "Dynamika ta Mitsnist Mashyn" [Bulle-tin of the Kharkov Polytechnic Institute. Series Dynamics and strength of machines], no. 2, 2023, pp. 28–33. https://doi.org/10.20998/2078-9130.2023.2.292955
Hiraguchi, H. A Novel Simulation Method for Phase Transition of Single Crystal Ni-Based Superalloys in Elevated Temperature Creep Regions via Discrete Cosine Transform and Maximum En-tropy Method. In Creep in Structures VI, edited by H. Altenbach and K. Naumenko, Advanced Structured Materials, vol. 194, Springer, 2023, pp. 151–160. https://doi.org/10.1007/978-3-031-39070-8_10
Breslavsky, D. V., M. O. Hroshevyi, O. A. Tatarinova, and A. V. Senko. Alhorytmy ta Prohramnyi Zasib dlia Obrobky Zobra-zhen Struktury Metalovykh Materialiv z Metoiu Vyznachennia Kharakterystyk Povzuchosti [Algorithms and Software for Pro-cessing Images of Metallic Materials Structures to Determine Creep Characteristics]. Visnyk NTU "KhPI": Seriia "Dynamika ta Mitsnist Mashyn" [Bulletin of the Kharkov Polytechnic Institute. Se-ries Dynamics and strength of machines], no. 2, 2023, pp. 95-101. https://doi.org/10.20998/2078-9130.2023.1.293427
