Вопросы нелинейной механики конструкций, взаимодействующих с агрессивными средами и физическими полями

Многие конструкции во время эксплуатации подвергаются воздействию различных агрессивных сред и физических полей: аппараты химической промышленности и конструкции водородных двигателей - воздействию водорода, элементы конструкций атомных станций - воздействию водородного и радиационного охрупчивания, влиянию жидкометаллических сред; армированные бетонные конструкции - воздействию карбонизации, хлоридной коррозии, тонкостенные конструкции - коррозионному износу. В подавляющем большинстве исследований моделируется поведение конструкций при действии агрессивных сред и физических полей без детальной конкретизации и учета особенностей их воздействий, и не рассматривается интенсифицирующее влияние уровня и вида напряженно-деформированного состояния на кинетику процессов взаимодействия агрессивных сред и физических полей с материалом конструкций. В работе выполнено решение актуальной научно-технической проблемы – разработки основ механики армированных и неармированных конструкций, взаимодействующих с агрессивными средами и физическими полями с учетом влияния уровня и вида напряженно-деформированного состояния на кинетику процессов взаимодействия агрессивных сред с материалом конструкций, а также с учетом совместного влияния ряда факторов (нагрузки, температуры, нескольких агрессивных сред: водородсодержащих (при низких и высоких температурах), жидкометаллических, хлоридсодержащих средах, а также средах, вызывающих коррозионное растрескивание и коррозионный износ). Цель работы: развитие механики конструкций, взаимодействующих с агрессивными средами и физическими полями с учетом влияния уровня и вида напряженно-деформированного состояния на кинетику процессов взаимодействия агрессивных сред с материалом конструкций, а также с учетом совместного влияния ряда факторов (нагрузки, температуры, нескольких агрессивных сред). В процессе решения сформулированной проблемы было проанализировано влияние различных агрессивных сред и физических полей на материалы и конструкции с учетом интенсифицирующего действия напряженно-деформированного состояния на кинетику воздействия агрессивных сред и выявлены основные эффекты, а также поставлены следующие задачи: - развить общий подход к построению моделей деформирования и разрушения конструкций, взаимодействующих с агрессивными средами и физическими полями с учетом интенсифицирующего действия напряженно-деформированного состояния на кинетику их взаимодействия; - построить модель коррозионного растрескивания конструкций в условиях низкотемпературного наводороживания, с использованием которой исследовать влияние схемы нагружения на характер напряженного состояния толстостенных труб при совместном воздействии нагрузки и наводороживания; - построить конечно-элементную модель деформирования и разрушения толстостенных труб, подвергающихся высокотемпературной водородной коррозии при локальном прогреве. С применением данной модели провести анализ напряженно-деформированного состояния и долговечности труб, подвергающихся совместному воздействию нагрузки, неоднородного температурного поля и водородной коррозии; - построить модель деформирования и разрушения металлических конструкций, взаимодействующих с жидкометаллическими средами, с помощью которой провести исследование поведения трубопровода, подвергающегося обезуглероживанию в жидком натрии; - построить модель деформирования и разрушения материала, подвергающегося облучению, выполнить ее идентификацию и верификацию; - построить модель деформирования дискретно армированного материала в условиях совместного воздействия нагрузки, хлоридсодержащей среды и карбонизации с использованием которой исследовать эффект совместного действия карбонизации и хлоридсодержащей среды на армированные конструкции; - построить расчетные модели коррозионного растрескивания с использованием различных теорий накопления повреждений, произвести их идентификацию и верификацию; - построить модели коррозионного разрушения пластинчатых и оболочечных элементов конструкций, учитывающих влияние напряженного состояния, температуры, агрессивной среды на скорость коррозии; произвести идентификацию и верификацию этих моделей по экспериментальным данным; с использованием моделей коррозионного износа исследовать поведение составных оболочек вращения, подвергающихся неравномерному нагреву и коррозионному износу; - сформулировать постановки задач оптимального проектирования пластинчатых конструкций, подверженных воздействию агрессивных сред; - рассмотреть примеры моделирования конструкций в агрессивной среде (армированные конструкции на упругом основании, многослойные конструкции при одновременном воздействии нагрузок, температур и агрессивной среды, водопропускные трубы и шлюзовые камеры). В работе получены следующие основные выводы: 1. Вид и уровень напряженно-деформированного и поврежденного состояния конструкций оказывают значительное, чаще всего интенсифицирующее воздействие на кинетику взаимодействия конструкций с агрессивными средами и этот эффект оказывает значительное влияние на прочность и особенно долговечность конструкций, работающих в агрессивных условиях эксплуатации. 2. Водород при обычных температурах оказывает избирательное воздействие на материал конструкций так, что механические свойства не изменяются в сжатых зонах, но изменяются в растянутых, причем величина изменения зависит и от концентрации водорода, и от вида напряженного состояния в конкретной точке. Для одного и того же напряженного состояния большая концентрация водорода приводит к более сильному изменению механических свойств, а в случае одинаковой концентрации водорода более высокий уровень напряженного состояния вызывает более сильные изменения механических свойств. Водород в условиях высокой температуры и давления в процессе взаимодействия с материалом конструкций вызывает водородную коррозию, при которой происходит обезуглероживание части сечения, приводящее к снижению и кратковременных (предел прочности, модуль упругости, диаграмма деформирования, коэффициент поперечной деформации) и длительных (кривые ползучести, длительной прочности, предел пластичности, предельная деформация) характеристик в обезуглероженной зоне. На кинетику изменения механических характеристик значительное влияние оказывают температура и уровень поврежденности материала. Жидкометаллические среды (натрий, литий, сурьма) оказывают деструктирующее воздействие на материал контактирующих с ними конструкций. В данном случае степень изменения как кратковременных, так и длительных механических характеристик материала совпадает с изменением концентрации углерода в конструкции. Воздействие на конструктивные элементы радиационных сред дополнительно приводит к радиационному распуханию. Основополагающим фактором при этом является доза (интегральный поток) нейтронов. На уровень воздействия радиационного облучения влияют и уровень, и вид напряжённого состояния. Коррозионное разрушение (коррозионный износ) вызывает значительное изменение геометрических параметров металлических конструктивных элементов, причем скорость коррозионного разрушения зависит от ряда факторов: вида и уровня напряженно-деформированного состояния, температуры, концентрации агрессивной среды, ориентации конструктивного элемента, наличия или отсутствия защитного покрытия на нем. 3. Развитый в работе подход к построению моделей деформирования и разрушения конструкций, опирающийся на теорию структурных параметров, оказался инвариантным к различным видам агрессивных сред (как физически, так и химически активных) и физических полей: с его помощью построены модели деформирования конструкций, подвергающихся коррозионному износу, низкотемпературному наводороживанию, высокотемпературной водородной коррозии, действию жидкометаллических сред, радиационных полей, а также модели деформирования армированных конструкций, подвергающихся хлоридной коррозии, совместному действию карбонизации и хлоридной коррозии. 4. Построенная модель деформирования материалов в водородосодержащей среде учитывает избирательное действие низкотемпературного водорода на механические характеристики материалов, приводящее к появлению наведенной и изменяющейся анизотропии по мере насыщения материала водородом. Избирательность выражается в зависимости величины наведенной анизотропии не только от концентрации водорода, но и от жесткости схемы напряженного состояния. В модели учитывается влияние вида и уровня напряженного состояния материала на кинетику проникания в него водородсодержащей среды. Приведенные соотношения достаточно корректно описывают поведение толстостенного трубопровода в условиях совместного действия нагрузки и наводороживания с учетом деструктирующего действия водорода и позволяют учесть основные эффекты, сопровождающие взаимодействие трубопровода с водородом. Анализ экспериментальных данных показал, что следует в обязательном порядке учитывать эффекты накопления повреждений, ползучести, влияния температуры на механические свойства материала при построении моделей деформирования и разрушения элементов конструкций, которые подвергаются действию высокотемпературной водородной коррозии в неоднородном тепловом поле. При моделировании поведения конструкций в водороде высоких параметров необходимо учитывать неоднородность и локальность действия поля температур. 5. Приведены два варианта модели деформирования материала в условиях обезуглероживания при контакте с жидкометаллическими средами, применяемыми в качестве теплоносителя в ядерных реакторах. Предложена методика идентификации построенной модели по экспериментальным данным. При помощи программного комплекса MATLAB выполнена идентификация модели и получены ее коэффициенты. Данная модель может применяться при прогнозировании поведения элементов конструкций, которые взаимодействуют с жидкометаллическими средами. Модифицированный вариант модели деформирования и разрушения материалов дает возможность достоверно описывать экспериментальные данные по длительной прочности и ползучести, а также по длительной пластичности и ползучести на всех трёх стадиях кривых деформирования. Идентификация модифицированной модели дает возможность полностью определить коэффициенты модели и по произвольному, и по некоторому минимальному набору экспериментальных данных. Верификация модифицированной модели показывает, что при найденных коэффициентах экспериментальные кривые ползучести, длительной прочности, длительной пластичности, достаточно корректно описываются как в обычных, так и в радиационных условиях. 6. Предложена модель коррозионного разрушения, учитывающая влияние напряженного состояния, температуры, агрессивной среды, разработана методика ее идентификации, по экспериментальным данным найдены коэффициенты модели. Показано, что модель достаточно корректно описывает экспериментальные данные и может использоваться для прогнозирования коррозионного износа при совместном действии указанных факторов. Получены основные соотношения, описывающие коррозионно-механическое поведение гибких нелинейно-упругих оболочек вращения в тепловом и силовом полях. Разработана методика определения напряженно-деформированного состояния в оболочках вращения, подвергающихся совместному действию нагрузки, температуры и агрессивной среды, основанная на совместном использовании метода последовательных возмущений параметров и метода начальных параметров и ортогонализацией по С.К. Годунову. Выполненные расчеты показали применимость методики для моделирования поведения составных оболочек вращения произвольной формы, подвергающихся совместному действию нагрузки, температуры и коррозионной среды. 7. Построенная модель взаимодействия нагруженной железобетонной конструкции с эксплуатационной средой, вызывающей одновременно хлоридную коррозию и карбонизацию, позволяет корректно описать деструктивные процессы в рассматриваемой конструкции. Методика расчета железобетонной стойки опоры при совместном воздействии хлоридсодержащей среды и карбонизации позволяет достаточно достоверно моделировать изменение ее напряженно-деформированного состояния. Данная методика также может быть применена для решения задач расчетного прогнозирования и других типов армированных конструкций, эксплуатируемых в средах, вызывающих и хлоридную коррозию, и карбонизацию. Выполненный расчетный анализ показал достаточно сильное разрушающее воздействие совместного влияния хлоридной коррозии и карбонизации на долговечность железобетонных конструктивных элементов. Таким образом, была доказана необходимость обязательного учета совместного воздействия хлоридсодержащих сред и сред, вызывающих карбонизацию, для прогнозирования поведения железобетонных конструкций в реальных условиях эксплуатации. 8. Предложенные постановки задач оптимального проектирования применительно к пластинчатым конструкциям, подвергающимся воздействию совокупности факторов (нагрузок, агрессивной среды), учитывают последствия воздействия агрессивной среды на конструкцию с течением времени (учет коррозионного износа). Анализ показывает, что проекты, оптимальные для конструкций без учета воздействия агрессивных сред, перестают быть таковыми при учете воздействия агрессивных сред; следовательно, при учете воздействия агрессивных сред постановки задач оптимального проектирования должны быть переформулированы вплоть до того, что на конструкцию, имеющую оптимальные характеристики в момент разрушения, следует накладывать обратное воздействие агрессивных сред в течение заданного срока эксплуатации, с тем чтобы определить характеристики конструкции в начальный момент времени.