Методология и особенности вычислительного эксперимента по оценке ресурса ответственных инженерных объектов

Рассматривается проблема получения оценок прочностных и ресурсных характеристик объектов критической инженерной инфраструктуры при эксплуатационных многопараметрических нестационарных термомеханических воздействиях. Выделены базовые деградационные механизмы в конструкционных материалах (металлах, сплавах) при данных воздействиях. Обосновывается методология оценки ресурса ответственных инженерных объектов на основе сквозного моделирования всего жизненного цикла объекта. Сквозное моделирование образует набор вычислительных экспериментов разного уровня сложности, каждый из которых имеет свои характерные признаки и семантику. С позиции механики деградируемого континуума развита математическая модель поврежденной среды, в которой процессы термопластичности и накопления повреждений порождаются термической усталостью. Модель описывает эффекты циклического термопластического деформирования, кинетику накопления повреждений, условия макроскопического разрушения материала. В модели постулируется представление поверхности текучести и принцип градиентальности вектора скорости пластических деформаций в точке нагружения. Вариант уравнений термопластичности описывает основные эффекты при пропорциональных и непропорциональных режимах. Модель термопластичности построена как система «вложенных» моделей и содержит формы уравнений теории пластического течения при малых деформациях: различные варианты изотропного упрочнения (идеально пластический материал с постоянной поверхностью текучести, линейное изотропное упрочнение, вариант изотропного нелинейного упрочнения), различные случаи кинематического упрочнения (линейное кинематическое упрочнение, случай чисто нелинейного кинематического упрочнения) и общий случай трансляционно-изотропного упрочнения. Кинетика накопления усталостных повреждений описывается путем введения скалярного параметра поврежденности и на базе энергетических принципов учета основных эффектов процесса накопления повреждений для произвольных сложных режимов нагружения. Условие достижения критического значения поврежденности используется в качестве критерия макроскопического разрушения. Взаимосвязь составных частей модели осуществляется за счет введения эффективных напряжений. В работе представлен численный анализ термической усталостной долговечности компактного образца с концентраторами напряжений, имитирующего работу деталей в сопловой коробке паровой турбины атомной электростанции. В ходе анализа изучены характерные особенности термической усталости в деталях энергооборудования. Показано, что технология сквозного моделирования может эффективно применяться для оценки ресурсных характеристик деталей энергооборудования при эксплуатационных режимах нагружения.