С использованием численных и экспериментальных методов решена мультидисциплинарная задача определения напряженного состояния стальной оболочки вращения в условиях механического нагружения и температурного воздействия с учетом ее контакта с водородсодержащей средой. В работе используется разработанный математический аппарат решения задач теплопроводности для решения задачи диффузии водорода в металл. Дей-ствующие напряжения и их инварианты определяются решением нелинейной краевой задачи термопластичности толстостенной оболочки вращения в трехмерной постановке. В работе учитывается экспериментально зафиксированный эффект изменения механических свойств стали под воздействием водорода. Даны количественные оценки правильности предлагаемо-го метода и выполненных расчетов путем сравнения с известной задачей, имеющей аналитическое решение. Показана возможность и необходимость учитывать изменение механических свойств при определении напряженного состояния стальных конструкций, работающих в условиях контакта с водородсодержащей средой.
Идентификаторы и классификаторы
Различные металлические конструкции часто эксплуатируются при контакте с агрессивными водородсодержащими средами. Известно, что под влиянием агрессивных сред изменяются механические свойства металлов [1–7]. Этот факт необходимо учитывать при оценке прочности длительно эксплуатируемых элементов конструкций, например трубопроводов и резервуаров, предназначенных для транспортировки и хранения водородсодержащих сред, которые рассматриваются как объекты повышенной опасности. Нестационарное термомеханическое воздействие на трубопровод и контакт с агрессивной средой способствуют образованию дефектов в металле при длительной эксплуатации, которые могут привести к аварийным ситуациям. Требования к эксплуатационной надежности устройств для хранения и транспортировки водородсодержащих сред определяют особый интерес исследователей к задачам прочности и безопасности конструкций в условиях наводороженного металла.
Список литературы
1. Карпенко Г. В., Крипякевич Р. И. Влияние водорода на свойства стали. – М. : Метал-лургиздат, 1962. – 192 с.
2. Шрейдер А. В., Шпарбер И. С., Арчаков Ю. И. Влияние водорода на нефтяное и хи-мическое оборудование. – М. : Машиностроение,1976. – 144 с.
3. Арчаков Ю. И. Водородная коррозия стали. – М. : Металлургия, 1985. – 192 с.
4. Ребяков Ю. Н., Чернявский А. О., Чернявский О. Ф. Деформирование и разрушение материалов и конструкций в условиях диффузии // Вестник ЮУрГУ. – 2010. – № 10. – С. 4–16.
5. Овчинников И. И., Овчинников И. Г. Влияние водородосодержащей среды при высоких температурах и давлениях на поведение металлов и конструкций из них // Интернет-журнал «НАУКОВЕДЕНИЕ». – 2012. – № 4. – URL: https://naukovedenie.ru/PDF/60tvn412.pdf
6. Tehranchi A., Curtin W. A. The role of atomistic simulations in probing hydrogen effects on plasticity and embrittlement in metals // Engineering Fracture Mechanics. – 2019. – Vol. 216. – P. 106502. – DOI: 10.1016/j.engfracmech.2019.106502.
7. Hydrogen embrittlement of 3-D printing manufactured austenitic stainless-steel part for hy-drogen service / S.-W. Baek, E. J. Song, J. H. Kim, M. Jung, U. B. Baek, S. H. Nahm // Scripta Ma-terialia. – 2017. – Vol. 130. – P. 87–90. – DOI: 10.1016/j.scriptamat.2016.11.020.
8. Evaluation of material susceptibility to hydrogen embrittlement (HE): an approach based on experimental and finite element (FE) analyses / T. Dasa, E. Legranda, S. V. Brahim-ia, J. Songa, S. Yue // Engineering Fracture Mechanics. – 2020. – Vol. 224. – P. 106714. – DOI: 10.1016/j.engfracmech.2019.106714.
9. Shishvana S. S., Csányi G., Deshpande V. S. Hydrogen induced fast-fracture // Journal of the Me-chanics and Physics of Solids. – 2020. – Vol. 134. – P. 103740. – DOI: 10.1016/j.jmps.2019.103740.
10. The roles of internal and external hydrogen in the deformation and fracture processes at the fatigue crack tip zone of metastable austenitic stainless steels / Y. Ogawa, S. Okazaki, O. Takakuwa, H. Matsuna-ga // Scripta Materialia. – 2018. – Vol. 157. – P. 95–99. – DOI: 10.1016/j.scriptamat.2018.08.003.
11. Effect of fracture mode on acoustic emission behavior in the hydrogen embrittled low-alloy steel / E. D. Merson, P. N. Myagkikh, G. V. Klevtsov, D. L. Merson, A. Vinogradov // Engineering Fracture Mechanics. – 2019. – Vol. 210. – P. 342–357. – DOI: 10.1016/j.engfracmech.2018.05.026.
12. Anand L., Mao Y., Talamini B. L. On modeling fracture of ferritic steels due to hydrogen embrittlement // Journal of the Mechanics and Physics of Solids. – 2019. – Vol. 122. – P. 280–314. – DOI: 10.1016/j.jmps.2018.09.012.
13. Pradhan A., Vishwakarma M., Dwivedi S. K. A review: The impact of hydrogen embrittle-ment on the fatigue strength of high strength steel // Materials Today: Proceedings. – 2020. – Vol. 26, part 2. – P. 3015–3019. – DOI: 10.1016/j.matpr.2020.02.627.
14. Tehranchi A., Curtin W. A. Atomistic study of hydrogen embrittlement of grain boundaries in nickel: I. Fracture // Journal of the Mechanics and Physics of Solids. – 2017. – Vol. 101. – P. 150–165. – DOI: 10.1016/j.jmps.2017.01.020.
15. Yu H., Cocks A. C. F., Tarleton E. The influence of hydrogen on Lomer junctions // Scripta Materialia. – 2019. – Vol. 166. – P. 173–177. – DOI: 10.1016/j.scriptamat.2019.03.022.
16. Effect of hydrogenation temperature and tensile stress on the parameters of the complete de-formation diagram for steel 09G2S / V. I. Mironov, I. G. Emelyanov, D. I. Vichuzhanin, L. M. Za-maraev, D. A. Ogorelkov, V. V. Yakovlev // Diagnostics, Resource and Mechanics of materials and structures. – 2020. – Iss. 1. – P. 24–33. – DOI: 10.17804/2410-9908.2020.1.024-033. – URL: http://dream-journal.org/issues/2020-1/2020-1_279.html
17. A Method for experimental investigation of degradation processes in materials / V. I. Mironov, I. G. Emelyanov, D. I. Vichuzhanin, I. S. Kamantsev, V. V. Yakovlev, D. A. Ogorelkov, L. M. Zamaraev // Diagnostics, Resource and Mechanics of materials and structures. – 2019. – Iss. 2. – P. 16–27. – DOI: 10.17804/2410-9908.2019.2.016-027. –URL: http://dream-journal.org/issues/2019-2/2019-2_246.html
18. Методы расчета оболочек : в 5 т. / отв. ред. А. Н. Гузь. Т. 3 : Шевченко Ю. Н., Прохо-ренко И. В. Теория упругопластических оболочек при неизотермических процессах нагру-жения. – Киев : Наукова думка, 1981. – 296 с.
19. Методы расчета оболочек : в 5 т. / отв. ред. А. Н. Гузь. Т. 4 : Григоренко Я. М., Васи-ленко А. Т. Теория оболочек переменной жесткости. – Киев : Наукова думка, 1981. – 544 с.
20. Лыков А. В. Тепломассообмен : справочник. – М. : Энергия, 1978. – 480 с.
21. Араманович И. Г., Левин В. И. Уравнения математической физики. – М. : Наука, 1969. – 288 с.
22. Воробьев А. Х. Диффузионные задачи в химической кинетике : учебное пособие. − М. : МГУ, 2003. – 98 с.
23. Черданцев Ю. П., Чернов И. П., Тюрин Ю. И. Методы исследования систем металл–водород : учебное пособие. – Томск : Изд-во ТПУ, 2008. – 286 с.
24. Галактионова Н. А. Водород в металлах. – М. : Металлургиздат, 1959. – 255 с.
25. Решение осесимметричной задачи термопластичности для тонкостенных и толсто-стенных тел вращения на ЕС ЭВМ / Ю. Н. Шевченко, М. Е. Бабешко, В. В. Пискун, И. В. Прохоренко, В. Г. Савченко. – Киев : Наукова думка, 1980. – 196 с.
26. Шевченко Ю. Н. Термопластичность при переменных нагружениях. – Киев : Наукова думка, 1970. – 288 c.
27. Илюшин А. А. Пластичность. Основы общей математической теории. – М. : Изд-во АН СССР, 1963. – 271 с.
28. Емельянов И. Г., Миронов В. И. Термодиффузионная задача наводороживания сталь-ной оболочечной конструкции // Вестник ПНИПУ. Механика. – 2018. – № 3. – С. 27–35. – DOI: 10.15593/perm.mech/2018.3.03.
29. Emelyanov I. G., Mironov V. I. The method for estimation of shell hydrogenation with vari-able geometrical and physics-mechanicals parameters // AIP Conference Proceedings. – 2018. – Vol. 2053. – P. 030012. – DOI: 10.1063/1.5084373.
30. Emelyanov I. G., Mironov V.I., Hodak A. S. The boundary value problem of determining hydrogen concentration and the stress state in a titanium shell // AIP Conference Proceedings. – 2019. – Vol. 2176. – P. 030005. – DOI: 10.1063/1.5135129.
31. Syrotyuk А. М., Leshchak R. L., Dorosh М. І. Experimental and analytic investigation of the hydrogenation of pipe steels // Materials Science. – 2018. – Vol. 53. – P. 811–817. – DOI: 10.1007/s11003-018-0140-0.
32. Ivanytskyi Ya. L., Hembara O. V., Chepil Ya. O. Determination of the durability of ele-ments of power-generating equipment with regard for the influence of working media // Materials Science. – 2015. – Vol. 51. – P. 104–113. – DOI: 10.1007/s11003-015-9815-y.
33. Сосуды и трубопроводы высокого давления : справочник / Хисматулин Е. Р., Королев Е. М., Лившиц В. И. и др. – М. : Машиностроение, 1990. – 384 с.
34. Писаренко Г. С., Яковлев А. П., Матвеев В. В. Справочник по сопротивлению матери-алов. – Киев : Наукова думка, 1988. – 736 c.
Выпуск
Другие статьи выпуска
В статье рассматривается влияние электронно-лучевой стерилизации на детали систем забора крови из полиэтилентерефталата. Структурное состояние и степень кристалличности полиэтилентерефталата оцениваются по анализу инфракрасных спектров. Относительная интенсивность рассчитывается по опорной полосе (общему уровню интенсивности) при 1410 см−1. Рассчитываются гауссовы интенсивности полос поглощения для транс- и гош-конформаций по отношению к опорной полосе при 1505 см–1. Определены спектральные коэффициенты D973/D795, D848/D795, D1042/D795, D895/D795, D1098/D1370 и D1255/D1370. Доза до 25 кГр не оказывает существенного влияния ни на соотношение интегральных интенсивностей, ни на соотношение транс- и гош-конформаций.
Наличие в элементах конструкций из композиционных материалов межслойных дефектов, связанных с несовершенством технологии их изготовления, сложными взаимодействиями компонентов, воздействием ударных нагрузок, приводит к снижению прочности та-ких элементов и оказывает серьезное влияние на остаточную прочность. В работе проведено численно-экспериментальное исследование поведения при ударном нагружении пластины из композиционного материала с переменным углом укладки слоев. Экспериментально определены скорости ударника до и после пробития многослойной пластины, а также размеры межслойных дефектов в виде расслоений. Для моделирования процесса разрушения пластин из композиционных материалов при ударном нагружении использовали программное обеспечение Ansys LS-DYNA в режиме двойной точности. Выявлено, что значительную роль в снижении энергии удара играют размеры расслоений в зависимости от угла укладки слоев в пакете. Получена зависимость между площадью расслоения и остаточной скоростью ударника: чем больше площадь дефекта типа «расслоение», тем больше снижение скорости ударника.
При изучении конвективных крупномасштабных течений (движение жидкости в тон-ком слое) можно для первоначальных исследований рассматривать приближение Стокса при интегрировании уравнения Обербека – Буссинеска. В этом случае конвективную производную в уравнениях переноса импульса и в уравнении теплопроводности полагают тождественно равной нулю. В статье рассмотрено несколько подходов к построению точных решений для медленных (ползущих) течений неоднородно нагретой жидкости. Для установившихся течений приведены формулы для трехмерных течений в классе Линя – Сидорова – Аристова. Гидродинамические поля описываются полиномами. Приведены точные решения для поля скоростей, нелинейно зависящего от двух пространственных координат (продольных, или горизонтальных) с коэффициентами нелинейных форм, зависящими от третьей ко-ординаты. Показано, как можно автоматизировать вычисления неизвестных коэффициентов для формирования гидродинамических полей (скоростей и температуры).
Работа посвящена проблеме построения точных решений вырождающегося уравнения теплопроводности со степенной нелинейностью в случае многих независимых переменных при наличии пространственной (например, осевой или центральной) симметрии. Предложен новый класс автомодельных решений, нахождение которых сводится к решению задачи Ко-ши для нелинейного обыкновенного дифференциального уравнения второго порядка, имею-щего особенности при старшей производной относительно искомой функции и/или незави-симой переменной. Изучение обыкновенного дифференциального уравнения проводится двумя способами: аналитическим и численным. В ходе аналитического исследования приме-няются отрезки рядов Тейлора с рекуррентно вычисляемыми коэффициентами, для которых получены явные формулы. Для численного решения задачи используется итерационный ал-горитм, основанный на методе коллокаций и радиальных базисных функциях. Проведенный численный анализ показал сходимость предложенного численного алгоритма, а также его достаточную точность, позволяющую использовать найденные автомодельные решения для верификации приближенных решений исходного уравнения теплопроводности. Также чис-ленный анализ позволил оценить радиус сходимости построенных рядов Тейлора. Вид по-строенных автомодельных решений, а именно их неограниченность вблизи центра (оси) симметрии, дал возможность исследовать поведение и точность обладающих тем же свой-ством численных решений нелинейного вырождающегося уравнения параболического типа, полученных с помощью предложенного авторами ранее пошагового метода решения.
Издательство
- Издательство
- ИМАШ УрО РАН
- Регион
- Россия, Екатеринбург
- Почтовый адрес
- 620049 г. Екатеринбург, ул.Комсомольская, 34
- Юр. адрес
- 620049 г. Екатеринбург, ул.Комсомольская, 34
- ФИО
- Швейкин Владимир Павлович (Директор)
- E-mail адрес
- ges@imach.uran.ru
- Контактный телефон
- +7 (343) 3744725