Разработка и экспериментальное обоснование методов исследования развития трещин при термо-механической усталости с привлечением мульти-физического численного моделирования и количественной фрактографии

Актуальность проекта состоит в создании теоретических и методических основ проектирования безопасных и эффективных в эксплуатации турбомашин для авиации и тепловой энергетики при совместном воздействии высоких температур и нагрузок. Особое внимание к реализации комплексной системы работ по обеспечению несущей способности элементов конструкций обусловлено существующими проблемами теоретического, вычислительного и экспериментального характера при обосновании эксплуатации в экстремальных условиях термомеханической усталости. Научная значимость проекта состоит в формировании фундаментальных основ и реализации стратегии расчетно-экспериментальных исследований и приложений в области нелинейной механики деформирования и разрушения для комплексного взаимосвязанного воздействия циклического нагружения и неизотермической температуры с учетом кинетики свойств жаропрочных конструкционных материалов. Теоретической новизной проекта является синтез уравнений Maxwell для электромагнетизма, усредненной по Рейнольдсу системы уравнений Navier–Stokes для газодинамики и теплопередачи, а также уравнений Chaboche для малоцикловой усталости, для целей исследования кинетики полей напряжений и деформаций в вершине трещины при синфазном и несинфазном изотермическом и неизотермическом циклическом деформировании. Научную новизну проекта составят предложенная структура полей напряжений в вершине трещины и введенный на этой основе параметр сопротивления разрушению для термомеханической усталости в форме амплитудных коэффициентов интенсивности напряжений. Новизна экспериментальной части проекта будет состоять в разработке и реализации новой методики проведения и интерпретации результатов экспериментов по развитию трещин в жаропрочных сплавах при синфазном и несинфазном изменении нагрузки и температуры, а также установленных обобщающих закономерностях поведения материала при нелинейном деформировании в условиях термомеханической усталости. Научное содержание вычислительной части проекта относится к разработке и реализации нового алгоритма мульти-физических расчетов параметров напряженно-деформированного состояния (НДС) и собственно результатам кинетики полей параметров НДС в вершине трещины по стадиям и видам термомеханической усталости. Предложенный алгоритм будет воспроизводить последовательность стадий воздействия магнитной индукции, теплового потока, струйного охлаждения и механического деформирования в различных комбинациях фаз изменения нагрузки и температуры при испытаниях образцов. Конституционные уравнения магнитной индукции, газодинамики, теплопередачи и нелинейной механики твердого тела в порядке пользовательской процедуры будут объединены в вычислительном комплексе метода конечных элементов (МКЭ) ANSYS для проведения развернутой серии параметрических исследований с вариацией управляющих параметров воздействия на испытательный образец. Новизна обобщающей части проекта будет включать фрактографические исследования поверхностей разрушения образцов с использованием сканирующего электронного и оптического микроскопов. В результате каждому сочетанию нагрузки и температуры при циклическом деформировании будут поставлены в соответствие доминирующие механизмы разрушения и кинетика шага усталостных бороздок по длине трещины. В результате анализа и обобщений будет представлен ранг склонности к ускоренному разрушению с позиций скорости развития трещин рассмотренных сочетаний изотермического и неизотермического термомеханического, гармонического, синфазного и несинфазного циклического деформирования. На основе состоявшихся теоретических, экспериментальных и численных исследований будут сформулированы рекомендации по применению разработанной методологии в порядке оценки и обоснования несущей способности элементов конструкций при их эксплуатации по индивидуальному техническому состоянию в условиях термо-механической усталости.