Расчетно-экспериментальные исследования воздействий стохастических термопульсаций на усталостную прочность конструкционных материалов

Автор: Дмитрий Евгеньевич Бесчеров

Соавторы: М.Н. Ереев, А.С. Марков, В.А. Панов, Д.Н. Свешников

Организация: АО «ОКБМ Африкантов»

Для РУ транспортного назначения, характеризующихся высокими тепловыми нагрузками на оборудование в связи с необходимостью обеспечения повышенной мощности при минимальных габаритах и массе, вопрос оценки влияния стохастических термопульсаций на ресурс играет особую роль. Существующие методы проектирования и оптимизации новой конструкции являются эволюционными, основываясь на опыте предшествующей эксплуатации и тщательной экспериментальной отработке новых решений. Но в отношении оборудования РУ, предназначенного для длительной эксплуатации, данный подход, вследствие чрезвычайной сложности, высокой стоимости и продолжительности таких испытаний, практически не пригоден [1].

В АО «ОКБМ Африкантов» разработана технология, позволяющая проводить оценку влияния стохастических термоциклических нагрузок на ресурсные характеристики оборудования РУ. Численными методами с применением суперЭВМ последовательно решаются задачи: «теплогидравлика – теплопроводность – напряженно-деформирование состояние (НДС) – ресурс».

Математические модели, применяемые в методах оценки усталостной долговечности, базируются на использовании усталостных характеристик конструкционных материалов, полученных при простом напряженном состоянии [2]. Экспериментальные данные об усталостных характеристиках материалов при термических напряжениях, локализованных на малых площадках, отсутствуют. В связи с этим, наибольший интерес представляют экспериментальные исследования кинетики накопления усталостных повреждений при максимально возможных градиентах температур теплоносителей, соответствующих штатным параметрам РУ. Для решения данной задачи АО «ОКБМ Африкантов» совместно с НГТУ им. Р.Е. Алексеева проведены исследования кинетики накопления усталостных повреждений в материале моделей в результате нагружения температурными пульсациями случайного характера, обусловленными смешением теплоносителей с различной температурой, на уникальном, специально сконструированном стенде (см. рисунок).

Для сравнения результатов эксперимента с результатами расчета была построена 3D модель экспериментального образца. Проведены теплогидравлические расчеты 3D модели, а по их результатам – расчеты НДС в условно-упругой и упругопластической постановках. По результатам расчетов НДС проведена оценка долговечности экспериментального образца при воздействии стохастических термопульсаций.

Учитывая результаты расчетов и контроля кинетики накопления усталостных повреждений в материале экспериментальной модели, были проведены её металлографические исследования, которые подтвердили достоверность результатов расчетов долговечности.

1. Отчет. Расчетно-экспериментальные исследования по развитию и верификации технологии анализа долговечности конструкций при воздействии стохастических термопульсаций. Этап 2017 года. -130 с. Н. Новгород, АО «ОКБМ Африкантов», 2017 г.

2. Методы обоснования ресурса оборудования ЯЭУ. – М.: Машиностроение, 2008. -445 с.