Рис. 2. Результаты оптимизации параллелепипеда, подверженного растягивающим нагрузкам
Данный программный модуль предполагается использовать в составе интегрированной
системы компьютерного проектирования и инжиниринга (ИСКПИ), разработанной при
финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ (ФЦП «Исследования и
разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса
России на 2014–2020 годы», уникальный идентификатор ПНИЭР RFMEFI58114X0005).
ЛИТЕРАТУРА:
1. Bendsoe M.P., Sigmund O. Topology Optimization. Theory, Methods and Applications.- Springer, 2003.
2. Svanberg K. The method of moving assimptotes – a new method of structural optimization. –International
journal for numerical methods in engineering, vol. 24, 359-3731987.
3. Eschenauer H., Olhoff N. Topology optimization of continuum structures: A review. – ASME, Applied
Mechanics Reviews, vol. 54, no 4, July 2001.
УДК 539.374, 548.55
А.В. Савиковский1, А.С. Семенов1, Л.Б. Гецов2
1
Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого,
2
ОАО «НПО ЦКТИ»
АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ ВЫДЕРЖКИ НА ТЕРМОУСТАЛОСТНУЮ ПРОЧНОСТЬ
МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ СПЛАВОВ НА ОСНОВЕ
КОНЕЧНО-ЭЛЕМЕНТНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ НАТУРНЫХ ЭКСПЕРИМЕНТОВ
Жаропрочные монокристаллические сплавы на никелевой основе [1] применяются для
изготовления рабочих и направляющих лопаток современных авиационных и стационарных
газотурбинных установок (ГТУ). Термоусталостная прочность подобных материалов с ярко
выраженной анизотропией и чувствительностью механических свойств к температуре
является в настоящее время не до конца изученной. Целью данной работы является
исследование влияние выдержки при максимальной температуре на основе деформационного
критерия [2,3] термоусталостного разрушения монокристаллов с использованием результатов
конечно-элементного (КЭ) моделирования натурных экспериментов.
Для исследования числа циклов до разрушения при переменных температурах с
выдержкой проводятся эксперименты на различных видах образцов, в том числе и на
135
корсетных (плоских) на установке, разработанной в НПО ЦКТИ (рис. 1) [4].
Зафиксированный двумя болтами в массивной оснастке корсетный образец (рис. 2)
периодически нагревается путем пропускания через него электрического тока.
Температурный режим от цикла к циклу автоматически поддерживается постоянным.
Рис. 1. Установка для проведения экспериментов
на термическую усталость
Рис. 2. Геометрия корсетного образца для
термоусталостных испытаний
Моделирование процессов неупругого циклического деформирования корсетных образцов
выполнялось с использованием КЭ программного комплекса PANTOCRATOR [5] на основе
применения микромеханических (физических) моделей пластичности и ползучести
монокристаллов [6, 7]. КЭ расчеты проводились для части корсетного образца (расчетная длина
образца составляла 40 мм, рис. 3) без учета контакта с оснасткой и фиксирующими болтами.
Задачи решались в квазистатической трехмерной постановке.
Исследовалось влияние выдержки от 1 до 5 мин. на число циклов до образования
макротрещины в цикле с максимальной температурой 1050оС и размахом температур 350оС
(рис. 4). Время нагрева в цикле составляло 24 с, время охлаждения – 15 с. Механические
свойства у образца соответствовали сплаву ВЖМ4 [8].
В качестве граничных условий задавались нулевые перемещения в направлении оси x
на двух боковых гранях образца с нормалью вдоль оси x. Для исключения твердотельных
движений также фиксировался ряд точек на этих гранях в направлении осей y и z.
z
y
x
Рис. 3. КЭ-модель корсетного образца для
термоусталостных испытаний
Рис. 4. Максимальная и минимальная
температура цикла в центральной точке образца
Полученные в КЭ расчетах распределения полей интенсивностей деформации
ползучести, пластической деформации и интенсивности напряжений по Мизесу после 25го
цикла при 1050оС в задаче с использованием модели ползучести по Нортону с упрочнением в
случаях, когда время выдержки равно 0, представлены на рис. 5, 6, 7 соответственно.
136
Рис. 5. Интенсивность деформации ползучести после 25го цикла без выдержки
Рис. 6. Интенсивность пластических деформаций после 25го цикла без выдержки
Рис. 7. Поле эквивалентных напряжений по Мизесу после 25го цикла, Па, без выдержки
Расчет поврежденности и оценка числа циклов до образования макротрещины
производился на основе деформационного четырехчленного критерия [2, 3, 9]:
N
D
i 1
p
eqi
k
С1 T
N
i 1
с
eqi
m
С2 T
max
0t tmax
eqp
rp T
max
0t tmax
eqc
rc T
,
(1)
где первый член учитывает изменение пластической деформации в пределах цикла, второй
член – изменение деформации ползучести в пределах цикла, третий член – односторонне
накопленную пластическую деформацию (рэтчеттинг), четвёртый член – односторонне
накопленную деформацию ползучести. Число циклов до образования макротрещины N
определяется из условия D = 1. В качестве эквивалентной деформации рассматривается
максимальная сдвиговая деформация eq n l. в системе скольжения с нормалью к
плоскости скольжения n и направлением скольжения l.
137
Рис. 8. Сравнение расчета с использованием 2 моделей ползучести с экспериментом
Результаты расчета показали качественное сходство с данными опытов, однако более
слабое влияние выдержки на долговечность, наблюдаемое в расчетах, по сравнению с
экспериментом указывает на необходимость уточнения свойств материала.
Исследование выполнено при поддержке стипендиальной программы Siemens.
ЛИТЕРАТУРА:
1. Шалин Р.Е., Светлов И.Л., Качалов Е.Б. и др. Монокристаллы никелевых жаропрочных сплавов – М.:
Машиностроение, 1997. – 336 с.
2. Гецов Л.Б., Семенов А.С. Критерии разрушения поликристаллических и монокристаллических
материалов при термоциклическом нагружении // Труды ЦКТИ. Вып. 296, 2009, C. 83-91.
3. Семенов А.С., Гецов Л.Б. Критерии термоусталостного разрушения монокристаллических жаропрочных сплавов и методы определения их параметров // Проблемы прочности. 2014, № 1. С. 50-62.
4. Гецов Л.Б. Материалы и прочность деталей газовых турбин.-М.:Недра, 1996.- с.189-193
5. Семёнов А.С. PANTOCRATOR - конечно-элементный программный комплекс, ориентированный на
решение нелинейных задач механики / Труды V-ой Межд. конф. "Научно-технические проблемы
прогнозирования надежности и долговечности конструкций". СПб.: Изд-во СПбГПУ, 2003. С. 466-480.
6. Cailletaud G.A. Micromechanical approach to inelastic behaviour of metals // Int. J. Plast., 1991, 8, P. 55-73.
7. Семенов А.С. Идентификация параметров анизотропии феноменологического критерия пластичности
для монокристаллов на основе микромеханической модели // Научно-технические ведомости СПбГПУ.
Физико-математические науки. 2014. № 2 (194). С. 15-29.
8. Каблов Е.Н., Петрушин Н.В., Светлов И.Л., Демонис И.М. Никелевые литейные жаропрочные сплавы
нового поколения. Юбилейный науч.-техн. сб. Авиационные материалы и технологии. М:Труды ВИАМ
2012, С.36-52.
9. Getsov L.B., Semenov A.S., Staroselsky A. A failure criterion for single-crystal superalloys during
thermocyclic loading // Materials and technology. 2008. Vol. 42, P. 3–12.
138
Отзывы:
Авторизуйтесь, чтобы оставить отзыв