Исследовательская работа «Моделирование нагрева, неупругого деформирования и термоусталостного разрушения монокристаллических никелевых сплавов»

Циклическая прочность материалов, характеризующаяся необратимым накоплением упругопластических деформаций за малое число циклов, которое приводит к разрушению за малое число циклов (10²-10⁵), называется малоцикловой усталостью. Одним из типичных и самых опасных повреждений рабочих лопаток являются термоусталостные трещины, появляющиеся в результате многократной смены температуры лопатки. Для исследования термоусталостной прочности материалов в НПО ЦКТИ была разработана установка для проведения экспериментов на плоских корсетных образцах. На этой установке  в ЦКТИ проведено большое число испытаний материалов для разных температурных режимов, но систематический анализ влияния времени в ы д е р ж к и на термическую усталость не проводился.

Объект данного исследования: термоусталостная прочность монокристаллических никелевых сплавов при различных температурных режимах и варьируемых временах выдержки при максимальной температуре.

Цели и задачи исследования:

1. Смоделировать нагрев корсетного образца электрическим током и сравнить расчетные распределения температуры вдоль образца и во времени с имеющимися в НПО ЦКТИ экспериментальными данными.
2. В целях минимизации расчетного времени найти фиктивную длину образца без учета оснастки на основе сравнения пластических деформаций в центре образца и перемещений в контрольных точках в задачах без оснастки и с ее учетом.
3. Решение проблемы влияния времени выдержки на термоусталостную прочность при различных режимах температур монокристаллических материалов на основе деформационного критерия и сравнение с экспериментальными данными.

Методы исследования: при решении указанных задач применялись методы математической физики, теории упругости, теории пластичности и ползучести. Для численного моделирования обозначенных физических процессов использовался метод конечных элементов. Для программной реализации использовался конечно-элементный пакет ANSYS, а также пакет PANTOCRATOR, который использовался для задания различных усложненных  моделей пластичности и ползучести.

Основные результаты:

1. В результате выполненных исследований было впервые сделано моделирование нагрева корсетного образца электрическим током для экспериментов на термоусталость. В результате  было получено расчетное распределение температуры вдоль образца и распределения температуры во времени, которые хорошо коррелируют с экспериментальными данными.
2. После установления распределений температуры вдоль корсетного образца, была решена вспомогательная задача по обоснованию эквивалентной длины образца в упрощенной постановке. При  варьировании длины образца для сплавов ВЖМ4, ЖС32, ВИН3 была установлена эквивалентная длина в упрощенной постановке.
3. Была принята одна эффективная длина в 40 мм в термоусталостной задаче для всех монокристаллических сплавов. В результате для сплавов ВЖМ4, ЖС32, ВИН3 расчетные кривые влияния времени выдержки в большинстве случаев накладываются на экспериментальные точки.