CC BY
17
электростанции для удовлетворения постоянно повышающегося спроса на электроэнергию, но и в ядерной энергетике не обошлось без недостатков. К концу 1970-х годов, сейсмическая безопасность стала достаточно важным вопросом для калифорнийцев, что повлекло за собой мораторий на строительство новых атомных электростанций, и катастрофа на атомной станции «Three Mile Island» в 1979 году в Пенсильвании возбудила противников атомной энергетики. Эти инциденты в сочетании с нерешенной проблемой захоронения радиоактивных ядерных отходов, а также с увеличение времени строительства эффективных и безопасных объектов положили конец дальнейшему развитию АЭС в Соединенных Штатах. В 1986 году авария на Чернобыльской АЭС в Украине и последующее распространение радиационного отравления, направила Италию, Германию и другие страны по пути к прекращению зависимости от ядерной энергетики. Хотя атомная
энергетика не исчезла и по-прежнему рассматривается многими людьми как одно из лучших решений для удовлетворения человеческих потребностей в энергии, использование других ресурсов, таких как энергия солнца, ветра и биомассы, выглядит также достаточно многообещающе.
Список литературы
1. Горбачев В. В. КСЕ. - М.: ОНИКС 21 век, 2010.- 69 с.
2. Карпенков С. X. Концепции современного естествознания. - М., 2004. - 98 с.
3. Садохин А. П. Концепции современного естествознания. - М., 2007- 76 с.
4. Быстрицкий Г.В. Основы энергетики. - М., 2013.102 с.
РАСЧЕТНАЯ ОЦЕНКА ПОКАЗАТЕЛЕЙ ТРЕЩИНОСТОИКОСТИ КОНСТРУКЦИОННЫХ СТАЛЕЙ
Матохин Геннадий Владимирович
д.т.н., профессор, генеральный директор ООО «РЦ ДИС», г. Владивосток
Игуменов Александр Анатольевич заместитель директора ООО «Тихоокеанский ГАЦ», г. Владивосток
Лютарь Виталий Станиславович
зав. отделом экспертизы объектов угольной горнорудной промышленности, ООО «РЦ ДИС», г. Владивосток
При ремонте тяжело-нагруженных металлоконструкций технических устройств часто возникает необходимость подобрать материал, который бы по своим свойствам был не хуже того, из которого изготовлен ремонтируемый элемент конструкции. Как показывает опыт, подбор материала только по химическому составу и механическим свойствам недостаточно адекватно отражает его эксплуатационную надежность. Это связано с тем обстоятельством, что разрушению большинства нагруженных элементов металлоконструкций предшествует появление усталостных или хрупких трещин. Поэтому целесообразно подбирать такие материалы, которые бы имели характеристики трещиностойкости не хуже чем материалы, использованные при изготовлении. Для практики важно, чтобы характеристики трещиностойко-сти определялись без больших трудозатрат и в тоже время всесторонне отражали свойства материалов элементов конструкции при работе в эксплуатационных условиях. Наиболее подходящими для этих целей являются критерии механики разрушения (К1с,51с), которые оценивают способность металла элементов конструкции сопротивляться разрушению в наиболее неблагоприятных, с точки зрения напряженно-деформированного состояния (плоская деформация), условиях.
Критерии (К1с, 51с) являются критическими характеристиками, которые определяют начало нестабильного, неуправляемого, самопроизвольного развития разрушения. Расчетную оценку указанных критериев возможно произвести на основе структурно-механической модели развития трещин [3]. Модель предполагает дискретное развитие трещины (это подтверждается многочисленными экспериментальными результатами исследования кинетики разрушения), которое реализуется в пластичных металлах. Дискретный рост трещины определяется процессами пластической деформации, протекающими в зоне
предразрушения и приводящими к образованию несплош-ностей на некотором расстоянии от вершины макротрещины. Одномоментный разрыв перемычки между вершиной макротрещины и образовавшейся микронес-плошности и является "шагом" трещины. Для того чтобы трещина дальше развивалась, необходимо следующая порция накачки энергии в зону предразрушения.
Критическая ситуация наступает тогда, когда в процессе разрыва перемычки выделяется достаточно энергии для последующего шага, иначе достижение критического состояния определяется величиной такого расстояния между вершиной макротрещины и местом впереди вершины трещины, где достигается критическая плотность энергии деформации. Таким образом, для расчетной оценки (К1с) необходимо определить условия образования микронесплошностей в зоне предразрушения и определить размер "критического" шага трещины.
В соответствии со структурно-механической моделью [3] на линии продолжения развития трещины условие, при котором образуются микронесплошности (суб-микротрещины) запишется:
R
м„т
а
а
2
а
(1)
где: - ЯМСе - сопротивление микросколу сдеформирован-ного металла; al -напряжение течения в условиях сложно-напряженного состояния (СНС); а2 - второе главное напряжение; ai - интенсивность нормальных напряжений. При СНС:
а1 =аг ! D; a2 = a (2)
где: - D - коэффициент перенапряжения; q = const. Учитывая (2) из условия (1) получим:
а -
R MCe •D
q
(3)
Следовательно, в точке на продолжении линии развития трещины, где интенсивность напряжения будет равно условию (3) возможно образование микронесплош-ностей в области зоны предразрушения микротрещины.
Для степенной аппроксимации диаграммы деформирования можно записать:
1+1
а, =
а
(4)
где: - ту - интенсивность напряжений при упругом решении задачи.
Известно, что на линии продолжения трещины:
аУ -
K
42.
'С - 2^)2
лг
(5)
где: - г - расстояние от вершины трещины, д - коэффициент Пуассона.
Подставив (5) в (4) получим: (1 , '
а -
' -Ч к2
1аГ2 J — (1 - 2М)
2
2лг
(6).
dф = d3/(2,6-2,7),
(7)
которой показано, что размеры фасеток транскристаллит-ного скола для феррито-перлитных сталей составляет (0,60,8) аз.
Подставляя в (6) гкр = (0,618-0,764)аЗ и выражая (К) в явном виде получим:
K1C -
i
(RMCu • d)¿+'J + (6,18 ^ 0,764)d3
q
i+1
а
0,2
D-
(1 + m)(1 - 2ß) _
(8)
где: RMCe = 9,2d3-l/2 (МПа);
m — 0.75 < Lff02
2
[ 10 й гт^)/С20())] 1
Если неизвестен размер аЗ, то эффективный размер зерна можно оценить следующим образом: ЯМСе = 5,7^з-1/ 2 = ств/(1-ф2); отсюда:
2\2
d -
32,5(1 -^2)
а„
Выражение (6) связывает коэффициент интенсивности (К), расстояние от вершины трещины (г) и <т. Если вместо подставить в (6) его значения из условия (3), а вместо (г) размер "критического" шага трещины, то, очевидно, что значение (К) в этом случае будет соответствовать (К1с). Оценку критического размера (гкр) можно произвести исходя из физико-механических представлений о процессах пластического деформирования металлов в вершине трещины.
Известно, что в процессе упруго-пластического деформирования, исходная структура металла фрагментиру-ется и что размеры фрагментированной структуры, которая, в конечном счете, отвечает за механические характеристики металла в момент разрушения в 2,6 ^ 2,7 раза меньше размеров исходной структуры, т.е.:
. (9)
Таким образом, зная только стандартные характеристики (бвр, 60,2, ф) конструкционной стали можно по формуле (8) легко расчетным путем оценить критический коэффициент интенсивности напряжений (К1с).
При оценке прочностных свойств материалов, либо элементов конструкций часто используют критерий 51С, критическое раскрытие трещины (КРТ). Критерий КРТ связан с K1C известной в механике разрушения зависимостью:
V2
5ХС -к
Еат
где: - аЗ - размер исходной недеформированной структуры; аф - размер фрагмента деформированной структуры.
Примем, что в момент наступления критической ситуации область с критической плотностью энергии деформации охватывает все зерно металла, которое фраг-ментировано на три фрагмента. Причем фрагментация идет в соответствии с законом "золотого сечения", т.е. сначала образуются два фрагмента размером 0,618аЗ и 0,382а3. При данной пластической деформации больший размер (0,618аЗ) еще раз делится по "золотому сечению" и образует фрагменты 0,382а3 и 0,236а3. Таким образом, зерно делится на три фрагмента, два из которых имеют размер 0,382а3 и один 0,236а3.
Учитывая тот факт, что наиболее вероятное образование микронесплошностей будет проходить по границам фрагментов, примем, что в критический момент трещина проскакивает два фрагмента. Тогда размер этого скачка может быть либо 0,618аЗ, либо 0,764аЗ.
Указанные значения критического скачка трещины соответствуют экспериментальным данным работы [2], в
(10)
Для определения 5Ю по (10) необходимо найти коэффициент X. Учитывая приведенные выше закономерности пластического деформирования, примем, что критический скачок трещины равен 0,618аЗ. Кроме того, воспользуемся выводами автора работы [1], который постулирует, что размеры зоны максимального повреждения материала в направлении раскрытия трещины и размер критически поврежденного элемента приблизительно одного порядка. Тогда для критической ситуации в точке 0,618аЗ от вершины трещины можно записать:
Ч (
m J о V m
MCe
DV m J R
q
-+i
gV m J- (1 - 2^)2 2л- 0,6185
• Клп.
1С
Из (10) и (11) получим
(Ч 1
qV m (1 - 2ß)E
(11)
к-
R MCe ■ 1,24л-DV m
(12)
Константу X некоторые исследователи находили путем численного анализа [4]. Определим X для конкретных материалов: сталь 22К и сталь 10. Характеристики этих материалов указаны в табл. 1.
m
m
m
m
1
m
1
Таблица 1
Марка стали ств, МПа ст0,2, МПа Ф m d3 RMCе, МПа K1C, МПа^м
расчет по (2) эксперимент
Ст22К 540 310 0,69 0,16 3 10-5 1030 97 93,5 Ст20К
СтВстЗкп 450 270 0,71 0,16 3,710-5 930 101 102
Ст50 680 350 0,62 0,16 2,5 10-5 1100 78 77 Ст45
Ст10 320 190 0,73 0,17 6,610-5 690 103,6 —
37ХН3А 1014 743 0,60 0,12 610-5 1584 73,4 73,8
Значения, рассчитанные по формуле (12) для сталей 22К и 10, составили 0,22 и 0,23, соответственно. Поскольку наиболее поздние данные анализа [4] дают значения Х=0,23, следует признать соответствие результатов аналитического по (12) и численного расчетов весьма удовлетворительным.
Предложенная методика расчетной оценки критериев трещиностойкости, позволяет корректно и обоснованно с учетом условий эксплуатации, без лишних трудозатрат, определить пригодность выбранного металла для конкретного элемента конструкции.
Список литературы
1. Броек Д. Основы механики разрушения.- М.: Высшая школа, 1980.- 368 с.
2. Горицкий В.М. Критерий разрушения сталей, склонных к распространению хрупких микротрещин по границам кристаллов // Проблемы прочности,- 1987.-№4.-С.37-42.
3. Матохин Г.В. Оценка ресурса сварных конструкций из феррито-перлитных сталей.- Владивосток: Издательство ДВГТУ, 2001.- 202 с.
4. Нотт Дж. Основы механики разрушения: Пер. с англ.- М.: Металлургия, 1978.- 256 с.
МЕТОД ВИЗУАЛИЗАЦИИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ В ТРЕХМЕРНОМ
КОРРЕЛЯЦИОННОМ ПОЛЕ
Мелешкин Сергей Николаевич
Канд. техн. наук, доцент кафедры радиоприемных устройств и телевидения, г. Таганрог
Экспериментальные данные, как правило, представляют собой изменение значения некоторого параметра во времени. При этом визуально выявить информативные признаки крайне сложно. В лучшем случае можно визуально оценить статистические характеристики процесса, дисперсию и математическое ожидание.
Если исследуемый процесс обладает, какой либо закономерностью или рядом закономерностей то последние будут тесно связаны с автокорреляционной составляющей процесса. Для того чтобы автокорреляционные составляющие процесса визуализировать предельно наглядно лучше всего представить исследуемый процесс в корреляционном поле. Таким образом, различные состояния технической или биологической системы, генерирующей исследуемый процесс, будут визуально отображаться в различные геометрические фигуры. Это может упростить диагностику.
В связи с ограниченными способностями исследователя к восприятию информации необходимо создать информационную модель. Информационная модель берет на себя роль устройства согласования ограниченных способностей исследователя с огромным потоком информации поступающей от исследуемого объекта. При этом согласование потока информации происходит путем подавления шумов и случайных флюктуаций, изменения масштаба, различного вида кодирования информационного потока данных и. т. д. [1]. В процессе этого модель избавляется от малозначительных избыточных данных. В результате получается изображение более точно и наглядно отображающее важнейшие свойства исследуемого процесса.
Для этих целей при обработке данных используется определенная совокупность моделей различного уровня [3].
У ч Ф1 ч Ф 2 ч Х-> МЭ -> М1М -> М2М
Ф3 у У V
-> ...MvM ->МФ,
Где Х - исследуемый объект;
М1М = Ф1 {МЭ} - математическая модель первого уровня;
MvM - математическая модель v-го уровня;
МФ = У { MvM} - физическая модель;
МЭ = у {Х} - совокупность экспериментальных данных.
Преобразование у неизоморфно, а преобразования Ф1,Ф2,Ф3,..., Фv могут быть как изоморфными, так и неизоморфными [5]. Исследуемый процесс, как правило, представлен последовательностью цифровых отсчетов. Для выборки одного кадра достаточен размер векторов 10000 отсчетов. Для примера, из базы медицинских данных возьмем реализации векторов двух процессов ЭЭГ диагностически соответствующих двум группам пациентов, рисунок-1.
Визуально энергетические спектры почти не различимы
Очевидно, что для визуализации информативных признаков необходимо построить информационную модель. Поэтому для каждого вектора строится матрица измерений размером n x n. В нашем случае 100 х 100 отсчетов.
Человек способен визуально воспринимать объекты только в трех измерениях. Поэтому информационная модель должна включать в себя инструменты снижения
