WWW.KONF.X-PDF.RU
БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА - Авторефераты, диссертации, конференции
 

Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |

«РАСЧЕТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ПРОЧНОСТИ ВНУТРИОБЪЕКТОВЫХ ТРАНСПОРТНЫХ КОНТЕЙНЕРОВ РЕАКТОРОВ ТИПА БН В АВАРИЯХ С ПАДЕНИЕМ ...»

-- [ Страница 1 ] --

АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО

«ОПЫТНОЕ КОНСТРУКТОРСКОЕ БЮРО МАШИНОСТРОЕНИЯ ИМ. И.И.

АФРИКАНТОВА»

На правах рукописи

ЛАПШИН ДЕНИС АЛЕКСАНДРОВИЧ

РАСЧЕТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ПРОЧНОСТИ

ВНУТРИОБЪЕКТОВЫХ ТРАНСПОРТНЫХ КОНТЕЙНЕРОВ



РЕАКТОРОВ ТИПА БН В АВАРИЯХ С ПАДЕНИЕМ

01.02.06 – Динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

доктор технических наук Кайдалов Виктор Борисович Нижний Новгород - 20

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ………………………………………………………………………………..

Глава 1. Состояние вопроса.

………….………….………….…..…….………….…..…….…… Основные результаты динамических испытаний металлов и сплавов ОИАЭ………..

1.1 Математические модели нестационарного деформирования конструкций………….

1.2 Численные методы и программные комплексы решения нелинейных задач 1.

нестационарной динамики конструкций………………………………………………..

Экспериментальные и теоретические исследования прочности и безопасности 1.

контейнеров для транспортировки и хранения радиоактивных материалов………… Выводы из обзора. Структура диссертационной работы……………………………….

1.5 Глава 2. Конечно-элементная модель упругопластического деформирования конструкций Определяющая система уравнения …..………………………………………………….

2.1 Методика численного решения задачи…………………………………………………..

2.2 2.2.1 Конечные элементы для решения трехмерных нелинейных задач динамики………...

2.2.2 Конечные элементы для решения двумерных нелинейных задач динамики………… Результаты верификационных расчетов………………………………………………… 2.3 Валидация ПК ANSYS/LS-DYNA на результатах экспериментально-теоретического 2.4 анализа деформирования макетов ТВС и гильз СУЗ при падении……………...…….. 5 Выводы к главе 2…………………………………………………………………………..

2.5 Глава 3. Экспериментальное исследование и моделирование поведения материалов в условиях, соответствующих динамическим нагрузкам при падении исследуемых транспортных контейнеров………………………………………………….…………………...

Экспериментальное определение динамических диаграмм деформирования 3.

конструкционных материалов методом Кольского……………………………………. 6 Результаты экспериментального исследования деформирова

–  –  –

ВВЕДЕНИЕ

Современный этап развития атомной энергетики характеризуется повышенными требованиями безопасности, предъявляемыми к объектам использования атомной энергии (ОИАЭ).

Особое место на ОИАЭ занимают системы хранения и транспортирования ядерного топлива (СХТЯТ). Особенностью СХТЯТ является потенциальная возможность (в детерминистской постановке) возникновения аварийных ситуаций, связанных с падением оборудования при проведении транспортно-технологических операций (ТТО), что может привести к серьёзным радиационным последствиям.

Для транспортировки радиоактивных материалов применяют специально разработанные для этого контейнеры, которые входят в состав внутриобъектового транспортного упаковочного комплекта (ВТУК). ВТУК - комплекс технических средств, используемых для размещения свежего или отработавшего ЯТ, обеспечивающий ядерную и радиационную безопасность, а также сохранность ЯТ при хранении и транспортировании ЯТ по территории ОИАЭ.

В соответствии с требованиями НП-061-05 «Правила безопасности при хранении и транспортировании ядерного топлива на объектах использования атомной энергии» [80], СХТЯТ должна быть способна выполнять свои функции в установленном проектом объеме с учетом всех внутренних и внешних воздействий природного и техногенного происхождения, учитываемых в проекте. В перечень воздействий должны входить все нагрузки, возникающие при нормальной эксплуатации (НЭ) оборудования, в режимах нарушений нормальной эксплуатации (ННЭ) и при проектных авариях (ПА). Отдельно выделяется группа режимов, в которой анализируются последствия аварий, связанных с падением оборудования в процессе выполнения транспортно-технологических операций с радиоактивными материалами.





В качестве исходных событий проектных аварий НП-061-05 рекомендовано учитывать следующие ситуации, реализация которых постулируется:

- падение предметов, которые могут изменить шаг размещения ТВС (тепловыделяющих сборок) и твэлов (тепловыделяющих элементов), нарушение целостности оболочек твэлов и ТВС;

- падение отдельных ТВС, ВТУК, пеналов и чехлов с ОТВС при транспортнотехнологических операциях.

В соответствии с требованиями НП-018-05 «Требования к содержанию отчета по обоснованию безопасности атомных станций с реакторами на быстрых нейтронах» [78] предусматривается выполнение оценки безопасности АЭУ при постулировании падения перемещаемого оборудования (транспортные контейнеры, тепловыделяющие сборки, чехлы, пеналы) с радиоактивными материалами.

В конструктивном исполнении контейнер является сложным и дорогостоящим изделием, к которому предъявляются повышенные требования безопасности. Например, контейнер должен отвечать требованиям динамической прочности при воздействии ударных нагрузок высокой интенсивности, обладать при этом определенными демпфирующими качествами, снижающими внешние динамические перегрузки. В соответствии с требованиями НП-061-05 [80] при проведении технологических и транспортных операций должна исключаться как возможность выпадения ядерного топлива из контейнера, так и любое нарушение в положении располагающегося в нём ядерного топлива. Выполнение подобных требований, возможно, прежде всего, в случае сохранения целостности (герметичности) контейнера и отсутствия недопустимого формоизменения.

Упомянутые выше требования по обеспечению безопасности ВТУК предусматривают подтверждение его показателей безопасности путём проведения испытаний на ударные воздействия по регламентируемым нормативным требованиям, в частности, при падении контейнера на жёсткую плиту с определенной высоты в различных положениях, падение плиты на контейнер и т.п. Однако натурные испытания контейнеров в процессе отработки его конструкции затруднены, прежде всего, в силу их значительной стоимости.

Получение достоверных оценок поведения ВТУК возможно также на основе проведения численных виртуальных (вычислительных) экспериментов. В подобных обстоятельствах особую актуальность приобретает возможность отработки конструктивных решений на стадии проектирования ВТУК путём проведения многовариантных расчётных исследований с применением современных программных комплексов. Реализуемое в них полномасштабное компьютерное деформационного процесса, позволяет выполнить 3D-моделирование достаточно глубокий и детальный анализ динамических процессов, сократить сроки проектирования и снизить стоимость проекта.

Математическое описание динамических процессов пластического деформирования конструкций сводится к решению трехмерных нестационарных задач механики деформируемого твердого тела. Сложность решения подобных задач определяется следующими факторами:

а) спецификой реального образа конструкций, сочетающего в себе различные геометрические элементы: балки, пластины, оболочки и массивные тела;

б) реализацией при динамическом нагружении волновых процессов, соответствующих высокоскоростным процессам деформирования материала;

в) возможным появлением и эволюцией в конструкции зон значительного пластического деформирования и разрушения;

г) образованием в процессе деформирования зон контактного взаимодействия конструктивных элементов в пределах как собственно конструкции, так и с внешними окружающими телами.

д) сложностью прогнозирования зон взаимных контактов отдельных конструктивных элементов в областях значительных пластических деформаций;

е) большими перемещениями, формоизменениями и другими нелинейными эффектами при деформировании материалов;

ж) необходимостью учета как динамики процесса высокоскоростного упругопластического деформирования материалов, так и зависимости их свойств от скорости деформации, температуры и дозы облучения;

и) отсутствием полноценных баз экспериментальных данных по деформационным и прочностным характеристикам конструкционных материалов.

Диссертационная работа посвящена исследованию безопасности ВТУК в условиях их падения в процессе транспортно-технологических операций, оценке целостности, степени повреждения и разгерметизации транспортируемого оборудования и собственно контейнеров с целью оценки ожидаемых доз облучения населения за аварию.

Актуальность темы исследования определяется следующими факторами:

1. Необходимостью выполнения требований нормативных документов по обеспечению безопасности объектов использования атомной энергии, содержащихся в следующих документах:

а) ОПБ-88/97(НП-001-97) «Основные положения обеспечения безопасности атомных станций» [86] в части обеспечения эффективной защиты от воздействия ионизирующего излучения, основанной на системе физических барьеров на пути его распространения;

б) НП-061-05 «Правила безопасности при хранении и транспортировании ядерного топлива на объектах использования атомной энергии» [80];

в) НП-018-05 «Требования к содержанию отчета по обоснованию безопасности атомных станций с реакторами на быстрых нейтронах» [78];

2. Сложностью и дороговизной проведения представительных натурных испытаний конструкций ввиду значительных материальных затрат или невозможности постановки подобных исследований по соображениям безопасности;

3. Необходимостью создания значительных по величине ударных нагрузок на исследуемую конструкцию, воспроизводящих требуемые значительные пластические деформации;

4. Отсутствием в нормативных документах прочности требований и критериев по обеспечению прочности и целостности конструкций в условиях больших пластических деформаций, что обуславливает необходимость развития, обоснования и применения как расчётных методов оценки прочности изделий, так и адекватных математических моделей деформирования конструкционных материалов;

5. Недостаточной обеспеченностью экспериментальными данными применяемых математических моделей деформирования материалов, привлекаемых для обоснования прочности металлических конструкций в условиях воздействия ударных нагрузок высокой интенсивности.

Степень разработанности темы диссертации Современные нормативные документы определяют требования к условиям прочности реакторного оборудования, работающего в области упругого деформирования материала.

Пластическое деформирование допускается лишь в локальных зонах конструкции.

Интенсивные ударные воздействия, возникающие при падении ВТУК, могут сопровождаться большими упруго-пластическими деформациями материала и развитием повреждений.

Существующая нормативная база прочности не содержит в настоящее время каких-либо количественных критериев оценки допустимости повреждения в авариях подобного типа.

Цели и задачи Целью данной работы является расчётно-экспериментальный анализ процессов деформирования конструкций транспортных контейнеров и находящемся в них наполнением в условиях ударного воздействия и оптимизация их конструкций на стадии проектирования с учетом нормативных требований по ударостойкости и нормативных параметров радиационных последствий.

Для достижения указанной цели решаются следующие задачи:

1 Проведение расчетных и экспериментальных исследований по получению динамических характеристик конструкционных материалов и разработка на их основе параметров математических моделей, описывающих нелинейное деформирование материалов ВТУК;

2 Разработка и верификация основанных на МКЭ компьютерных моделей для расчётов НДС конструкций при их ударном нагружении;

3 Формулирование критериев динамической прочности и целостности конструкций с учетом требований нормативных документов безопасности;

4 Численное исследование кинетики напряженно-деформированного состояния ВТУК и ТВС в условиях больших деформаций и ударного контактного взаимодействия поверхностей;

5 Выполнение расчетных оценок целостности и степени разгерметизации ВТУК с учётом сформулированных критериев повреждений применительно к случаям постулированного аварийного падения в процессе транспортно-технологических операций.

Научная новизна работы заключается:

а) в расчетно-экспериментальном определении физико-механических свойств деформирования конструкционных материалов и параметров математической модели их высокоскоростного деформирования и разрушения;

б) в определении сценариев постулируемых аварий на основе анализа транспортнотехнологического тракта (ТТТ) и нормативных требований безопасности, предъявляемых к ОИАЭ;

в) в разработке и обосновании компьютерных моделей деформирования ВТУК в условиях ударных нагружений;

г) в получении новых расчетно-экспериментальных данных о прочности и безопасности ВТУК при аварийном падении на жесткое основание.

Теоретическая значимость работы обусловлена:

- расчетно-экспериментальным исследованием влияния скорости нагружения на деформирование конструкционных материалов;

- разработкой, верификацией и валидацией компьютерных моделей, позволяющих обосновывать прочность и герметичность контейнеров в аварийных ситуациях, связанных с их постулированным падением в процессе проведения транспортно-технологических операций.

Разработанный в диссертационной работе подход экспериментально-теоретического исследования прочности ВТУК носит комплексный характер и охватывает технические, физико-механические, математические, вычислительные и нормативные аспекты проблемы.

Его применение позволило аттестовать ПК ANSYS/LS-DYNA в НТЦ ЯРБ Ростехнадзора РФ (аттестационный паспорт № 327 от 18.04.13 г.), получить достоверные результаты оценки динамической прочности ВТУК и обеспечить выполнение нормативных требований безопасности.

Практическая значимость работы заключается в использовании результатов расчетного и экспериментального анализа динамической прочности транспортных контейнеров с радиоактивными материалами в аварийных ситуациях при разработке и корректировке технического проекта реакторной установки типа БН, что позволило сократить дорогостоящие натурные испытания и способствовало повышению конкурентоспособность изделий.

Методология и методы исследования Принятая в диссертационной работе методология исследования основана на комплексном применении средств компьютерного моделирования и натурных испытаний и предполагает:

а) анализ, обоснование и применение математических моделей и численных методов, описывающих нелинейные процессы деформирования конструкций в условиях воздействия на них ударных нагрузок;

б) установление критериев динамической прочности и целостности конструкций ВТУК с учетом требований нормативных документов безопасности;

в) постановку и проведение экспериментальных исследований для определения деформационных и прочностных характеристик конструкционных материалов, а также получения исходных данных для верификации (валидации) применяемых вычислительных моделей;

г) численный анализ процесса деформирования ВТУК при ударном нагружении на стадии проектирования конструкций, отвечающих требованиям ударостойкости, минимизации последствий аварийных ситуаций и обеспечению радиационной безопасности при проведении транспортно-технологических операций.

Для компьютерного моделирования применяется программный комплекс конечноэлементного анализа нелинейных задач динамики конструкций ANSYS/LS-DYNA.

Экспериментальные исследования свойств конструкционных материалов проводились на основе метода Кольского.

На защиту выносятся следующие основные положения 1 Результаты расчетно-экспериментального исследования динамического поведения конструкционных материалов, идентификации и верификации математических моделей упругопластического деформирования, применительно к аварийным ситуациям.

2 Результаты верификации и валидации применяемой вычислительной модели в рамках программного комплекса ANSYS/LS-DYNA.

3 Результаты решения прикладных задач, исследования особенностей динамических процессов деформирования ВТУК.

4. Рекомендации по корректировке технического проекта реакторной установки типа БН.

Степень достоверности результатов Обоснованность положений, сформулированных в диссертации, подтверждена комплексом представительных экспериментальных исследований и соответствующим теоретическим анализом результатов, накопленным мировым опытом проектирования, изготовления и эксплуатации объектов атомной энергетики, использованием современных достижений в области расчетного и экспериментального исследования работоспособности оборудования в условиях проектного нагружения и несущей способности в аварийных ситуациях. Достоверность результатов также подтверждена их хорошим соответствием с имеющимся теоретическими и экспериментальными данными других авторов о поведении многокомпонентных конструкций в условиях воздействия на них ударных нагрузок, отвечающих области значительных пластических деформаций.

Апробация результатов работы Основные результаты исследований по теме диссертации обсуждались на НТС АО «ОКБМ Африкантов» Н.Новгород), XXVI Международной конференции (г.

«Математическое и компьютерное моделирование в механике деформируемых сред и конструкций» Санкт-Петербург, 2015), Международной конференции по (г. XIX вычислительной механике и современным прикладным программным системам (г.Алушта, 2015), Международной конференции «Новые материалы для инновационного развития атомной энергетики» (г. Димитровград, 2014г.), Всероссийской конференции «Проблемы прочности, динамики и ресурса» (г. Н. Новгород, 2014), XII Международной конференции «Проблемы материаловедения при проектировании, изготовлении и эксплуатации оборудования АЭС» (г.

Санкт-Петербург, 2012), отраслевой научно-технической конференции «Развитие технологии реакторов на быстрых нейтронах с натриевым теплоносителем» (г. Н.Новгород, 2011), III международной научно-технической конференции «Инновационные проекты и технологии ядерной энергетики» (г. Москва, 2014г.), VIII и IX научно-технической конференции «Молодежь в науке» (Нижегородская область, г. Саров, 2009,2010), 17-ой Нижегородской сессии молодых ученых» (г. Н.Новгород, 2010), XIV Нижегородской сессии молодых ученых «Технические науки» (г. Н.Новгород,2009г.).

Выпущен верификационный отчет «Верификация программного комплекса ANSYS (включая модуль ANSYS/LS-DYNA)», по результатам которого получен аттестационный паспорт № 327 от 18.04.13 г., в НТЦ ЯРБ Ростехнадзора РФ.

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в работах [252-259].

Работы [252-254] опубликованы в сборнике из списка ВАК.

Личный вклад автора Автор выполнил лично или принимал непосредственное участие в постановке и проведении всех работ, отмеченных в настоящей диссертации:

а) разработка программы и участие в проведении экспериментальных исследований динамических свойств конструкционных материалов, используемых во ВТУК [257,258];

б) разработка программы и участие в проведении испытаний макетов тепловыделяющих сборок (ТВС) и гильзы системы управления и защиты (СУЗ) активной зоны реактора БН-800 при ударном нагружении [259];

в) верификация и валидация программного комплекса ANSYS/LS-DYNA применительно к исследуемому классу задач [253,254,256];

Загрузка...

г) определение сценариев постулируемых аварий на основе анализа транспортнотехнологического тракта и нормативных требований безопасности, предъявляемых к ОИАЭ [259];

д) разработка и обоснование компьютерных моделей деформирования ВТУК в условиях ударных нагружений [252-254];

е) расчетно-экспериментальные исследования прочности и безопасности ВТУК при аварийном падении на жесткое основание [253,254 ].

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы из 259 наименований и 4 приложений.

Работа содержит 222 страницы основного текста, включая 159 рисунков и 29 таблиц Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы и сформулированы основные направления исследований.

В первой главе приведен обзор математических моделей, численных методов и программных кодов, которые используются для исследования нестационарного деформирования сложных составных конструкций, формулируются цели диссертационной работы.

Во второй главе приводится определяющая система уравнений для описания процессов деформирования упругопластических элементов конструкций, конечно-элементная методика ее решения, а также результаты верификационных расчетов.

В третьей главе приводятся результаты экспериментального исследования поведения конструкционных материалов ВТУК в зависимости от скорости деформации и температуры и проверки адекватности модели пластичности Джонсона-Кука.

В четвертой главе представлены результаты численного анализа аварийного падения ВТУК при транспортно-технологических операциях.

В заключении сформулированы основные результаты и выводы по работе.

ГЛАВА 1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА

1.1 ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИНАМИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЙ

МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ ОИАЭ

Исследование поведения металлов и сплавов при высокоскоростном деформировании представляет большой научный и практический интерес в связи с развитием ряда областей техники, с разработкой и внедрением в промышленность новых технологических приемов обработки материалов, а так же с развитием численного моделирования динамических задач механики деформируемого твердого тела. Разрабатываемые вычислительные модели позволяют описывать сложное поведение материалов с учетом деформационного упрочнения, скорости деформации, эффекта Баушингера, температурных условий и т.д. Однако, для задания параметров таких моделей и их верификации необходимы прямые экспериментальные данные испытаний материалов в широких диапазонах скоростей деформации и температур. В работах [143, 194, 197, 211, 19, 28, 73] представлены обзоры методов и результатов испытаний металлов и сплавов.

Ниже приведены некоторые примеры, характеризующие общие динамические свойства различных материалов и влияние на эти свойства скорости деформации, температуры и других нагружающих факторов.

Алюминий и сплавы Алюминий и его сплавы широко используются в авиационной, космической технике, судостроении и многих других отраслях промышленности. В настоящее время динамические свойства алюминия и его сплавов достаточно хорошо изучены. Известны обзорные работы [158, 159, 232, 73], в которых обобщены данные разных авторов и делаются общие выводы о влиянии скорости деформации на поведение алюминия и его сплавов. Тем не менее, результаты, полученные разными авторами, не всегда согласуются друг с другом, а иногда выводы работ являются прямо противоположными друг другу. Это можно объяснить влиянием ряда факторов. С одной стороны получаемые результаты могут быть искажены неучтенными погрешностями методик проведения экспериментов (силы инерции, трения, адиабатический разогрев и т.д.). С другой стороны скорость деформации во время испытаний, особенно в случае больших деформаций, при использовании разных методик не является постоянной.

Авторы же обычно приводят среднее значение скорости, хотя ее мгновенные значения могут отличаться в несколько раз. Для материалов, чувствительных к истории по скорости деформации, это может привести к значительному искажению истинного поведения материала.

И, наконец, динамические свойства даже единой марки материала в разных работах могут отличаться ввиду разброса химического состава и микроструктурного состояния, определяемого термомеханической историей изготовления образца (режимы прокатки, ковки, электролитического осаждения и т.д., а также отжига). В качестве примера такого разброса в работе [182] приведен график (рис. А.1) сравнения данных разных авторов для алюминия высокой чистоты в виде зависимости коэффициента динамичности от логарифма скорости деформации д ст Kд 100%, ст д и ст - значения динамического и статического напряжений при фиксированной где деформации (=2%). Перечисленные факторы влияют на отдельные аспекты поведения, вызывая количественное расхождение результатов испытаний, однако, главные характеристики материалов в большинстве работ совпадают.

Результаты испытания алюминия различной чистоты и его сплавов при деформировании сжатием, растяжением или кручением с разными уровнями скорости деформации можно найти в работах [142, 150, 151, 197, 216, 229, 26, 36, 68, 115, 122]. Известны обзорные работы [158, 159, 196, 194, 73, 91, 116], в которых обобщены данные разных авторов и делаются общие выводы о влиянии скорости деформации на поведение алюминия и сплавов.

В большинстве работ результаты приведены в виде семейства динамических диаграмм ~, полученных при разных уровнях скорости деформации. Эти зависимости представляют собой веер расходящихся кривых с началом в точке, соответствующей пределу упругости, на который скорость деформации оказывает незначительное влияние. Однако более наглядное представление о чувствительности металлов к скорости деформации дают графики в полулогарифмических координатах ~ lg при определенных степенях деформации. Пример такого графика для алюминия по данным работ [154, 196] приведен на рис. А.2.

В работе [232] предложено при описании чувствительности материалов к скорости деформации (отдельно от температуры) на приводимых графиках ~ lg выделять три хорошо обозначенные области. В области I наблюдается отсутствие такой чувствительности (по крайней мере, при не очень больших степенях деформации). В области II материал проявляет умеренную чувствительность, зависимость напряжения от логарифма скорости деформации линейна и учет влияния скорости деформация становится необходимым, особенно для малых деформаций (предел текучести). И, наконец, в наиболее интересной области IV эффект скорости деформации очень ярко выражен. Наблюдается линейное изменение уровня напряжений от скорости деформации, которое на графике ~ lg приобретает характер резкого нарастания. Границы областей даже для одного и того же материала могут меняться в зависимости от уровней деформации и вида напряженно-деформированного состояния. В качестве примера приведен рис. А.3 [197], на котором обозначены границы областей II и IV для алюминия 1100-0 при сжатии и растяжении до различных степеней деформации. Как видно,

–  –  –

д и ст - динамическая и статическая величины напряжений при заданной степени где деформации (=6%);

д и ст - соответствующие скорости деформации, т.е. K представляет собой относительный прирост напряжения (при заданной деформации) на единицу логарифма скорости деформации.

Применение этого параметра оправдано лишь в области II, где зависимость ~ lg линейна.

Из рис. А.4 следует, что для большинства алюминиевых сплавов степень чувствительности к скорости деформации возрастает с уменьшением предела текучести и повышением чистоты сплава.

Во многих работах [14, 68, 191, 197, 196] отмечено отсутствие чувствительности к скорости деформации прочных алюминиевых сплавов 6061-Т6 и 7075-Т6 (подобно отечественному сплаву Д16Т) вплоть до скоростей деформации ~103 с-1. Однако в литературе имеются отдельные данные о положительной чувствительности к скорости деформации этих сплавов в диапазоне скоростей деформации 102 - 104 с-1 [44]. Подробно этот вопрос рассмотрен в [216]. Отмечено, что большинство экспериментов, в которых наблюдалось отсутствие чувствительности к скорости деформации, было выполнено по методу РСГ на сжатие (кроме [38]), в то время как при испытании на растяжение наблюдается увеличение предела текучести и временного сопротивления разрыву на 1220% при 102-103 с-1 по сравнению со статическими значениями. В работах Г.В.Степанова [109, 110] отмечено отсутствие чувствительности сплава Д16 к скорости деформации при нормальных температурах в =10-2-103 с-1. При более высоких скоростях деформации сплав проявляет диапазоне небольшую чувствительность, однако, более интенсивно его сопротивление возрастает при малых деформациях.

Известно, что некоторые алюминиевые сплавы (например, магниево-алюминиевые сплавы) в определенных температурно-скоростных диапазонах проявляют отрицательную чувствительность к скорости деформации [193]. Довольно специфично ведет себя отечественный сплав АМг6, широко применяющийся в различных конструкциях.

С.А. Новиков с сотрудниками [20], используя метод Кольского, провел испытания этого сплава на сжатие в состоянии поставки и на растяжение в отожженном состоянии. Оказалось, что диаграммы деформирования в отожженном состоянии для скоростей деформации 210-3 с-1 и 1,7103 с-1 совпадают друг с другом, а диаграмма для 8102 с-1 располагается немного ниже их. При испытании на сжатие в состоянии поставки наблюдается небольшой подъем диаграммы при = 2103 с-1.

В работе Н.Н.Попова [92] также представлены результаты испытаний сплава АМг6, выполненные с использованием модифицированного копрового метода. Было получено снижение прочностных характеристик вплоть до скоростей деформации 5102 с-1.

Поведение железа и сталей при динамическом нагружении К этой категории относится чистое железо (армко-железо) и его многочисленные сплавы. Поведение армко-железа при больших скоростях деформации можно найти в работах [19, 30, 72, 109, 139, 164, 194, 211, 217], разного рода сталей - в работах [27, 38, 69, 117, 122, 128, 144, 154, 159, 164, 232, 233, 245].

Армко–железо Железо является основой для различных конструкционных сталей и сплавов, поэтому исследование его свойств в широком диапазоне скоростей деформации и температур представляет большой научный и практический интерес. Этим обусловлено значительное количество работ по исследованию технически чистого (армко) железа с использованием различных методов статических и динамических испытаний.

В работе [129] получены результаты испытаний армко-железа на растяжение и сдвиг с использованием тензометра Наунсфилда при низких скоростях деформации (~10 -3 с-1), гидропневматической установки при средних скоростях деформации (~1с-1) и модификации метода разрезного стержня Гопкинсона при высоких (~103c-1). На рис. А.5 и А.6 приведены диаграммы деформирования при сдвиге и растяжении при различных скоростях деформирования.

Испытания на растяжение при низких и средних скоростях деформации характеризовались деформационным упрочнением до момента развития шейки, которая образовывалась при низких значениях деформации, что не позволило использовать данный вид испытаний для исследования свойств армко-железа при больших деформациях. При больших скоростях деформации разрушение образца происходило без предварительного деформационного упрочнения. Отличие диаграмм деформирования при сдвиге и растяжении объясняется различным влиянием на структуру материала сдвига и растяжения [180], а также влиянием истории скорости деформации на характер деформационного упрочнения. Сравнение диаграмм деформирования при растяжении с диаграммами, полученными из зависимостей напряжение – деформация при сдвиге с помощью соотношения для эквивалентного напряжения в форме Мизеса, показало расхождение с концепцией единой кривой пластического течения.

Это расхождение обусловлено тем, что критерий Мизеса предполагает единый механизм микродеформаций для каждого вида деформирования.

Следует отметить, что на диаграммах деформирования при сдвиге, полученных Клепачко [188], имеется ярко выраженный “зуб текучести” (рис. А.7), величина которого растет с ростом скорости сдвиговой деформации, в отличие от диаграмм представленных в работе [129], где “зуб текучести” слабо проявляется только при скорости деформации 3·104 с-1.

Результаты, полученные в работе [188], показали, что испытания на кручение позволяют корректно исследовать деформационное упрочнение в условиях динамического деформирования, поскольку можно пренебречь поперечной инерцией. Отмечено, что с ростом скорости деформации значение верхнего предела текучести увеличивается быстрее, чем нижнего. Сравнение результатов, полученных различными авторами при испытаниях образцов армко-железа на растяжение и сжатие, с данными, полученными в работе [188] при чистом сдвиге, показывает, что армко-железо более чувствительно к скорости деформации при сдвиге, чем при растяжении и сжатии. Это предполагает, вслед за работой [129], не точное соответствие предположению об изотропном влиянии скорости деформации.

Систематическое исследование чистого железа на сжатие в диапазоне скоростей деформирования 5·102 – 104 c-1 и при температуре от 20 до 5000С проведено Мюллером [212, 211] с использованием метода разрезного стержня Гопкинсона [196]. Автором отмечено существенное влияние температуры на прочностные свойства и уменьшение чувствительности к скорости деформации с ростом температуры.

В работе [179] получены диаграммы деформирования армко-железа при испытаниях на кручение с различными скоростями деформации. С использованием полученных результатов определены коэффициенты теоретического определяющего соотношения Джонсона-Кука.

Рассмотренные результаты испытаний армко-железа позволяют оценить влияние скорости деформации, температуры, вида испытания на поведение материала. Они свидетельствуют о том что, температура испытания существенно снижает значение предела текучести, а также оказывает влияние на разницу между верхним и нижним пределами текучести, т.е. величину "зуба текучести". Обобщение результатов работ различных авторов свидетельствует как о росте значений верхнего и нижнего пределов текучести с ростом скорости деформации, так и увеличении разности между этими значениями.

Также можно отметить, что результаты некоторых авторов отличаются друг от друга.

Так на диаграммах деформирования при сдвиге полученных в работе [188] наблюдается явно выраженный "зуб текучести" в диапазоне скоростей деформации порядка 10-4-102с-1, в отличие от диаграмм деформирования, полученных в работе [129], где "зуб текучести" слабо проявляется только при скоростях сдвиговой деформации порядка 10 4с-1. Кроме того, на диаграммах деформирования полученных в работе [188] прослеживается значительное увеличение зуба текучести, что не достаточно согласуется с результатами, полученными в работе [212].

Стали Для сталей 45 и 50 кривые, характеризующие изменение со скоростью деформации величины нижнего предела текучести н и предела прочности в сходятся при =103 с-1 т [110]. В области 103 с-1 характеристики прочности армко-железа монотонно возрастают (область I практически отсутствует), а при 103 с-1 отмечается их существенный рост (область IV). Характеристики пластичности этих материалов с ростом скорости деформации также имеют тенденцию к нарастанию. Причем отмечается, что известная "критическая" скорость деформирования характеризует не пластические свойства материала, а является следствием локализации деформации вблизи нагружаемого конца образца, чрезмерная длина рабочей части которого не позволяет обеспечить достаточную однородность деформации.

При испытании высокопрочных углеродистых и легированных сталей с большими скоростями деформации отмечается гораздо меньшая чувствительность к скорости деформации, однако, большинство проведенных исследований свидетельствуют, что наиболее интенсивно нарастает предел текучести и значительно меньше - предел прочности.

В работе [117] при исследовании конструкционной и сульфидированной сталей отмечено понижение динамического напряжения при деформациях 3040%. Как и в случае высокоскоростных испытаний меди [64] авторы объясняют это явление тем, что условия эксперимента становятся адиабатическими: деформации локализуются в узких зонах, происходит местный разогрев этих зон за счет работы пластической деформации, текучесть материала еще более увеличивается и напряжения релаксируют. Далее приведена скорректированная зависимость ~ с учетом адиабатического нагрева и термического разрушения, однако, как справедливо отмечается в работе, при реальных процессах нельзя отделять температурные эффекты от эффектов деформирования, поскольку они тесно взаимосвязаны.

В работе [84] подробно исследованы механизмы такого локального адиабатического деформирования для сталей, изучены соотношения, описывающие развитие интенсивной локальной сдвиговой деформация и проведены эксперименты с целью оценки возможности использования этих соотношений в вычислительных программах расчета пластического течения при внедрении снарядов.

Ниже приведены характерные результаты испытаний некоторых марок сталей, показывающие влияние скорости деформации, температуры, направления проката, термообработки и истории нагружения на их прочностные и деформационные свойства.

Для оценки влияния направления проката на свойства углеродистой стали AISI 3 (аналог 03Х17Н14М3) в диапазоне скоростей деформации 10-3-103с-1 проведены испытания образцов, вырезанных из тонкого листа под углами к направлению проката 0 0 и 900 [223]. На рис. А.8 приведены диаграммы деформирования при растяжении. Как видно, в обоих случаях увеличение скорости деформации снижает степень деформационного упрочнения. Кроме того, при скорости деформации ~1000с-1 на диаграммах отмечается задержка текучести, которая наиболее заметно проявляется для угла вырезки 900. Влияние угла вырезки наиболее заметно сказывается при скорости деформации ~ 1с-1.

Испытания листов и прутков из коррозийностойкой стали 304L (аналог 03Х18Н11) проведены в работе [108] в диапазоне скоростей деформации 210-4-104с-1. В листовом материале, как и в [223], отмечено одинаковое упрочнение в направлениях параллельном и перпендикулярном направлению прокатки. Образцы, вырезанные под углом в 45 0 к направлению прокатки, обнаружили незначительное уменьшение предела текучести и напряжения течения при значительных деформациях. При деформациях выше ~10% скорость деформационного упрочнения у пруткового материала оказывается такой же, как у листового материала. Пересечение между кривыми деформирования при =0,1 с-1 и при более высоких скоростях деформации, указывает на переход от изотермических условий испытания в первом случае к адиабатическим во втором случае. Повышение температуры испытания в адиабатических условиях приводит к уменьшению деформационного упрочнения вследствие термического разупрочнения и ослабления склонности к образованию -мартенсита.

В работе [213] проведено исследование механических свойств высокопрочных армированных сталей Mars 190, Mars 240 и Mars 300 при скоростях деформации 10-3 и 103с-1. На рис. А.9 пунктирными линиями приведены статические диаграммы. Видно, что с увеличением прочности стали влияние скорости деформации на напряжение пластического течения уменьшается.

Г.Вульфом [245] проведена оценка влияния термообработки на прочностные свойства хромомолибденовой стали 4130 (аналог 30ХМ) при скоростях деформации ~104с-1 (рис. А.10).

Перед испытанием по методу прямого удара [166] образцы были подвержены масляной закалке и затем отпущены при 300, 420, 550, 690, и 7000С до твердости по Виккерсу 450, 400, 350, 300, 257 соответственно. Как видно из рисунка, характер деформационного разупрочнения практически не зависит от исходной твердости образцов, но при этом предварительная термообработка оказывает существенное влияние на напряжение пластического течения.

Значение деформации, при котором начинается разупрочнение, уменьшается с ростом начальной твердости.

Оценка эффекта Баушингера при динамическом деформировании стали Ст3 проведена в работе [74]. Полученная зависимость Д 0,1 0,1 / 0,1 100% [122] от пластической деформации p убывает, т.е. эффект Баушингера возрастает с ростом предшествующей деформации и достигает максимума при p =1.5%, что согласуется с [70]. Из полученных данных следует, что эффект Баушингера при динамическом деформировании стали Ст3 значителен, и его нельзя не учитывать в прочностных расчетах.

Железо и его многочисленные сплавы (стали) очень широко применяются в различных конструкциях, работающих в условиях совместного действия экстремально высоких температур и скоростей деформации. Поэтому изучению физико-механических свойств материалов в условиях высокоскоростного нагружения уделяется достаточно большое внимание.

В работе А.М. Брагова [21] представлены результаты динамических испытаний железа и сталей. Экспериментальные данные для армко-железа (отжиг: 973К - 2 часа) и ряда конструкционных сталей: 20, 40, 45, СП28, 30ХГСА. 40Х, АК-3ГШСВ, 10ХН1М, 08Ю, 08КП, 1КП и 10СП представлены на рис. А.11 А.24.

Характерной особенностью динамического поведения армко-железа, сталей 20, 40 и 10ХН1М является наличие "зуба" текучести. Как известно, появление "зуба" наблюдается для сталей, имеющих выраженную площадку текучести на статической диаграмме. Армко-железо и вышеперечисленные стали проявили заметную чувствительность к скорости деформации.

Значительный "зуб" текучести отмечается у стали 10ХН1М (рис. А.12), статическая диаграмма которой не имеет площадки текучести. Необычный ход верхней диаграммы мог бы быть объяснен наличием некоторого "провала" на графике скорости деформации. Испытания проводились как при непосредственном ударе бойком по РСГ, так и при нагружении через прокладку из этого же материала. Последнее позволило избежать спадания уровня скорости деформации на начальном участке диаграммы деформирования, однако, "зуб" текучести наблюдался и в этом случае. На рис. А.13 приведена типичная осциллограмма испытания этой стали и соответствующие процессы развития во времени напряжения и деформации, на которых явно прослеживается "зуб" текучести.

Поведение других испытанных марок сталей носит иной характер, так стали 30ХГСА и СП28 имеют умеренную чувствительность к скорости деформации, тогда как сталь 40Х и АК-3ГШСВ проявила практически полное ее отсутствие. "Зуба" текучести у этих марок сталей не обнаружено.

Для исследования свойств реакторной стали АК-3ГШСВ из плиты были вырезаны параллелепипеды вдоль и поперек направления прокатки, из которых в дальнейшем были выточены образцы в виде таблеток высотой 4 мм и диаметром 8 мм (для испытаний на сжатие) и сплошные цилиндрические диаметром 5 мм и длиной 6 мм с резьбовыми головками (для испытаний на растяжение). В последнем случае для исключения деформации образца сжимающей нагрузкой при прохождении исходной волны сжатия, между торцами мерных стержней размещается разрезное кольцо.

На рис. А.19 представлены полученные динамические диаграммы реакторной стали при сжатии (а) и (в) и растяжении (б) и (г) для образцов с направлением вырезки вдоль направления прокатки (а) и (б) и поперек направления прокатки (в) и (г). Здесь же приводятся зависимости изменения скорости деформации в ходе испытаний. Ввиду большой пластичности материалов, деформирование образцов происходит при достаточно постоянной скорости деформации.

Этого удается достичь путем возбуждения нагружающего импульса с нарастающей амплитудой за счет удара через образец из мягкой стали. Если возбуждать нагружающий импульс традиционной трапецеидальной формы, то получить постоянный уровень скорости деформации не удается (пунктирная линия на рис. А.19в).

Варьирование скорости деформации при испытаниях осуществлялось возбуждением нагружающих импульсов различной амплитуды и длительности, что достигалось путем выстреливания ударников разной длины с различными скоростями. Диапазон изменения скорости деформации испытуемой стали ограничен сверху величиной ~5000 с-1, а снизу величиной ~1000 с-1. В исследованном диапазоне скорости деформации материал проявил слабую чувствительность к скорости деформации как при сжатии, так и при растяжении.

Величины пределов текучести при сжатии и растяжении для обоих типов вырезки приблизительно совпадают и составляют т ~ 1150 МПа. При испытаниях на растяжение после достижения степеней деформации ~ 15% явно прослеживается развитие шейки.

Кроме однократных традиционных испытаний для расширения информативности результатов при сжатии, некоторые образцы после одного цикла нагружения обмерялись, торцы смазывались и нагружались вторично с такой же или иной скоростью деформации.

Полученная при этом диаграмма пристыковывалась к первой. На рис. А.20 показаны результаты таких циклических испытаний на сжатие для образцов продольной и поперечной вырезки. Хорошо видно, что хотя скорость деформации во втором цикле превышает уровень в первом цикле в 2,5-3 раза, общий ход полученных во втором цикле диаграмм практически совпадает с первым, что является еще одним свидетельством слабой зависимости динамических диаграмм от скорости деформации.

Учет влияния скорости деформации на механическое поведение различных марок сталей имеет первостепенное значение при проектировании и расчете прокатного оборудования и оснастки (приводных электродвигателей, гидравлики и т.д.), поскольку при увеличении скорости прокатки на прокатном стана сопротивление материала деформированию как правило возрастает.

На Уралмашзаводе проводилась разработка нового шестиклетевого стана «1400»

непрерывной прокатки стальной ленты для штамповки кузовов легковых автомобилей. Расчет мощностей стана «1400» был выполнен с использованием динамических свойств сталей, определенных по результатам испытаний да кулачковом пластометре при максимальной скорости деформации ( 100 с-1). В процессе пробной эксплуатации нового стана выявилось, что при повышении скорости прокатки до номинальной (33 м/с на выходе из стана) лента в последних клетях не "выкатывалась". Это связано со скоростным упрочнением прокатываемых сталей, поскольку по расчетам скорость деформации в последней клети достигает 2000 с-1, а свойства сталей при этом существенно отличаются от свойств, при скорости 100 с-1, заложенных в расчет.

Для определения механических свойств при 103 с-1 были испытаны при температурах 2003000С 4 марки сталей: 08Ю, 08КП, 1КП, 10СП. На рис. А.21 представлены полученные динамические диаграммы при комнатной температуре, а на рис. А.22 - А.24 - зависимости ~ lg для этих марок сталей. Данные при 102 с-1 были получены на Уралмашзаводе с помощью кулачкового пластометра (КП).

Представленные данные подтверждают известную закономерность уменьшения влияния скорости деформации на сопротивление материалов деформированию с увеличением их степени деформации, т. е. зависимости напряжения течения от скорости деформации при величинах относительной деформации сжатия 5, 10 и 20% имеют тенденцию к сближению с зависимостью предела текучести от скорости деформации.

Более наглядное представление о характере зависимости сопротивления деформации, в том числе и предела текучести, от температуры при различных скоростях пластической деформации дают результаты испытаний на сжатие на РСГ и КП, представленные в координатах —Т. Как видно, для сталей 08Ю и 10СП наблюдается практически монотонное уменьшение сопротивления деформации с увеличением температуры испытаний. Однако для сталей 1КП и 08КП подобные зависимости уже не монотонны: если в интервале температур 293....473К напряжения течения уменьшаются, то при температурах выше 473К начинают возрастать. Очевидно, что такое повышение, так же как и аномальное поведение сталей в 100101 с-1 диапазоне скоростей деформации связано с эффектом динамического деформационного старения, который отмечен для малоуглеродистых сталей во многих работах и согласно которому с увеличением скорости деформации температура динамического деформационного старения повышается. Это обусловлено значительным ростом скорости перемещения дислокаций при увеличении скорости деформации. Поскольку в основе механизма процесса деформационного старения лежит механизм взаимодействия примесных атомов с дислокациями, которые введены деформацией, динамическое взаимодействие между дислокациями и примесными атомами при возрастании скорости перемещения дислокаций возможно лишь в случае повышения температуры, стимулирующей соответствующее увеличение скорости диффузии примесных атомов.

Таким образом, цикл испытаний сталей для автомобильной промышленности показал, что их прочностные свойства проявили положительную чувствительность к скорости деформации.



Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |
Похожие работы:

«ГРНТИ: 61.61.29 Лишевич Игорь Валерьевич СОЗДАНИЕ АНТИФРИКЦИОННЫХ ТЕПЛОСТОЙКИХ УГЛЕПЛАСТИКОВ ДЛЯ ВЫСОКОСКОРОСТНЫХ ПОДШИПНИКОВ НАСОСОВ И ПАРОВЫХ ТУРБИН Специальность: 05.16.09 – материаловедение (машиностроение) Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук Научный руководитель д.т.н., профессор В.Е....»

«Савельева Наталия Николаевна ПОДГОТОВКА БУДУЩИХ БАКАЛАВРОВ МАШИНОСТРОЕНИЯ К ПРОФЕССИОНАЛЬНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ НА ВЫСОКОТЕХНОЛОГИЧНЫХ ПРЕДПРИЯТИЯХ 13.00.08 Теория и методика профессионального образования диссертация на соискание ученой степени кандидата педагогических наук Научный руководитель – доктор педагогических наук, профессор И.Ю. Соколова Томск 2014 Содержание Введение... 3 Глава 1. Теоретическое...»

«Осколков Илья Михайлович СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ БИЗНЕС-ПЛАНИРОВАНИЯ ИНВЕСТИЦИОННЫХ РЕШЕНИЙ В УСЛОВИЯХ ГЛОБАЛИЗАЦИИ МИРОВОЙ ЭКОНОМИКИ (на примере предприятий машиностроения) Специальность 08.00.05 – Экономика и управление...»

«Рылов Михаил Андреевич Информационная система контроля качества продукции на установке каталитического риформинга бензина 05.13.06 – Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (химическая технология; нефтехимия и нефтепереработка; биотехнология)...»

«Руденко Александр Леонидович ОЦЕНКА ФАКТИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ, ОСТАТОЧНОГО РЕСУРСА И ЭФФЕКТИВНОСТИ МОДЕРНИЗАЦИИ ЛОПАТОК НАПРАВЛЯЮЩЕГО АППАРАТА ГИДРОТУРБИНЫ Специальность: 01.02.06 Динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук Научный руководитель д.т.н. Мишакин В.В. Нижний Новгород – 2015 ОГЛАВЛЕНИЕ...»

«Осколков Илья Михайлович СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ БИЗНЕС-ПЛАНИРОВАНИЯ ИНВЕСТИЦИОННЫХ РЕШЕНИЙ В УСЛОВИЯХ ГЛОБАЛИЗАЦИИ МИРОВОЙ ЭКОНОМИКИ (на примере предприятий машиностроения) Специальность 08.00.05 – Экономика и управление...»

«ТИМЕРБАЕВ Александр Сифхатович СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ КОНСТРУКЦИИ И ОБОСНОВАНИЕ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ЦЕНТРОБЕЖНОГО СЕПАРАТОРА ДЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯ ВОДОНЕФТЯНЫХ ЭМУЛЬСИЙ 05.02.13 Машины, агрегаты и процессы (машиностроение) Диссертация на соискание ученой степени кандидата...»

«АНТИПОВ ДМИТРИЙ ВЯЧЕСЛАВОВИЧ МЕТОДОЛОГИЯ И ИНСТРУМЕНТАРИЙ ОРГАНИЗАЦИИ И УПРАВЛЕНИЯ СБАЛАНСИРОВАННЫМ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕМ ЭЛЕМЕНТОВ ПРОИЗВОДСТВЕННОЙ СИСТЕМЫ МАШИНОСТРОИТЕЛЬНОГО ПРЕДПРИЯТИЯ 05.02.22 –...»









 
2016 www.konf.x-pdf.ru - «Бесплатная электронная библиотека - Авторефераты, диссертации, конференции»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.