Safety in TechnosphereSafety in TechnosphereБезопасность в техносфере1998-071X298810.12737/4939Промышленная безопасностьIndustrial safetyПромышленная безопасностьReliability Computation of Heat-power Engine Structures Based on Finite Element ModelingРасчет характеристик надежности корпусов теплоэнергетических двигательных установок на основе конечно-элементного моделированияПрозоровскийА. А.ProzorovskiyA. А.Корецкий С. А.Koretskiy S. А.ШиверскийЕ. А.ShiverskiyE. А.ЕвропинС. В.EvropinS. В.ЮринЮ. В.YurinYu. В.Димитриенко Ю. И.Dimitrienko Yu. И.dimit.bmstu@gmail.com0807201408072014332836https://naukaru.ru/en/nauka/article/2988/view
Предложен метод расчета надежности конструкций теплоэнергетических двигательных установок при случайных нагрузках, длительно воздействующих в процессе эксплуатации. Метод основан на численном статистическом моделировании напряженно-деформированного состояния (НДС) конструкции со случайными характеристиками конструкционных материалов в процессе эксплуатации и расчете накопления повреждений и долговечности конструкции при случайных стационарных нагружениях. Для расчета накопления повреждений использован «химический критерий» длительной прочности, для численного расчета НДС конструкций с учетом ползучести применен итерационный метод решения трехмерной задачи термомеханики с использованием конечно-элементного метода. В качестве примера применения разработанного метода проведен численный расчет долговечности и надежности двухслойной охлаждаемой конструкции корпуса теплоэнергетической двигательной установки.
The computational method was suggested for reliability of heat-power engine structures under continuous random in-process loads. The method is based on numerical statistical modeling of an in-process stress-strain state (SSS) of a structure with random characteristics of structural materials and computation of damage accumulation and durability of the structure under random stationary loadings. The chemical criterion of durable strength has been applied to calculate damage accumulation. The iteration method for a three-dimensional thermo-mechanics problem and the finite-element method have been used to compute the SSS of structures regarding creep. As an example of application of the developed method, computations for durability and reliability of two-layer cooled structure of a thermo-energetic power plant case have been conducted.
прогнозирование долговечности и надежностинакопление поврежденийусталостьползучестьчисленное моделированиестатистическое моделированиеконечно-элементное моделированиеконструкции высокого давления.durability and reliability forecastingdamage accumulationfatiguecreepnumerical modelingstatistical simulationfinite-element modelinghigh-pressure structures
1. ВведениеНадежность и безопасность эксплуатации уни- кальных теплоэнергетических двигательных установок, к которым относятся ядерные энергетические установки, выступает одним из основных технических требований, предъявляемых к конструкциям данного типа. В отличие от массовых изделий, для которых существует возможность применения прямых статистических методов расчета их надежности, для уникальных изделий необходимы специализированные методы оценки долговечности, надежности и безопасности. Обосновать показатели долговечности уникальных конструкций типа корпусов теплоэнергетических двигательных установок, изготавливаемых в единичном экземпляре, возможно на основе методов математического и численного моделирования [1-11], с использованием экспериментальной информации о вероятностных характеристиках отдельных составных частей установки, конструкционных материалов и их соединений при различных воздействующих нагрузках, температуре и других факторах эксплуатации.В работе предложен новый метод расчета характеристик надежности уникальных конструкций корпусов теплоэнергетических двигательных установок (ТЭДУ), основанный на комплексе математических мо-
Beck A.T., Edison da Rosa. Structural reliability analysis using deterministic finite element Programs // Latin American Journal of Solids and Structures. - 2006. - N 3. - Р. 197-222.Beck A.T., Edison da Rosa. Structural reliability analysis using deterministic finite element Programs. Latin American Journal of Solids and Structures. - 2006. - N 3. - R. 197-222.Anantha Ramu S., Ganesan R. Stability analysis of a stochastic column subjected to stochastically distributed loadings using the finite element method // Finite Elements in Analysis and Design. - 1992. - N 11 - Р. 105-115.Anantha Ramu S., Ganesan R. Stability analysis of a stochastic column subjected to stochastically distributed loadings using the finite element method. Finite Elements in Analysis and Design. - 1992. - N 11 - R. 105-115.Adhikari S., Manohar C.S. Dynamical analysis of framed structures with statistical uncertainties // International Journal of Numerical Methods in Engineering. - 1999. - V. 44. - Р. 1157-1178.Adhikari S., Manohar C.S. Dynamical analysis of framed structures with statistical uncertainties. International Journal of Numerical Methods in Engineering. - 1999. - V. 44. - R. 1157-1178.Wang D., Chowdhury M.R., Haldar A. System reliability evaluation considering strength and serviceability requirements // Computers and Structures. - 1997. - V. 62. - N 5. - Р. 883-896.Wang D., Chowdhury M.R., Haldar A. System reliability evaluation considering strength and serviceability requirements. Computers and Structures. - 1997. - V. 62. - N 5. - R. 883-896.Takada T. Weighted integral method in multidimensional stochastic finite element analysis // Probabilistic Engineering Mechanics. 1990. - V. 5. - N 4. - Р. 158-166.Takada T. Weighted integral method in multidimensional stochastic finite element analysis. Probabilistic Engineering Mechanics. 1990. - V. 5. - N 4. - R. 158-166.Spanos P.D., Ghanem R. Stochastic finite element expansion for random media // Journal of Engineering Mechanics. - 1989. - V. 115. - N 5. - Р.1035-1053.Spanos P.D., Ghanem R. Stochastic finite element expansion for random media. Journal of Engineering Mechanics. - 1989. - V. 115. - N 5. - R.1035-1053.Mahadevan S., Dey A. Adaptive Monte Carlo simulation for time-variant reliability analysis of brittle structures // AIAA Journal. - 1997. - V. 35. - N 2. - Р. 321-326.Mahadevan S., Dey A. Adaptive Monte Carlo simulation for time-variant reliability analysis of brittle structures. AIAA Journal. - 1997. - V. 35. - N 2. - R. 321-326.Liu W.K., Bestereld G.H., Belytschko T. Variational approach to probabilistic finite elements // Journal of Engineering Mechanics ASCE. - 1988. - V. 114. - N 12. - Р. 2115-2133.Liu W.K., Bestereld G.H., Belytschko T. Variational approach to probabilistic finite elements. Journal of Engineering Mechanics ASCE. - 1988. - V. 114. - N 12. - R. 2115-2133.Der Kiureghian A., Ke J.B. The stochastic finite element method in structural reliability // Probabilistic Engineering Mechanics. - 1988. - V. 3. - N 2. - Р. 83-91.Der Kiureghian A., Ke J.B. The stochastic finite element method in structural reliability. Probabilistic Engineering Mechanics. - 1988. - V. 3. - N 2. - R. 83-91.Chang T.P. Dynamic finite element analysis of a beam on random foundation // Computers and Structures. - 1993. - V. 48. - N 4. - Р. 583-589.Chang T.P. Dynamic finite element analysis of a beam on random foundation. Computers and Structures. - 1993. - V. 48. - N 4. - R. 583-589.Болотин В.В. Применение методов теории вероятностей и теории надежности в расчетах сооружений. - М.: Стройиздат, 1971.Bolotin V.V. Primenenie metodov teorii veroyatnostey i teorii nadezhnosti v raschetakh sooruzheniy. - M.: Stroyizdat, 1971.Димитриенко Ю.И. Основы механики твердого тела / Механика сплошной среды.- Т.4. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2013.Dimitrienko Yu.I. Osnovy mekhaniki tverdogo tela / Mekhanika sploshnoy sredy.- T.4. - M.: Izd-vo MGTU im. N.E.Baumana, 2013.Димитриенко Ю.И. Нелинейная механика сплошной среды. - М.: Физматлит, 2009.Dimitrienko Yu.I. Nelineynaya mekhanika sploshnoy sredy. - M.: Fizmatlit, 2009.Димитриенко Ю.И. Тензорный анализ // Механика сплошной среды. - Т.1. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2011.Dimitrienko Yu.I. Tenzornyy analiz. Mekhanika sploshnoy sredy. - T.1. - M.: Izd-vo MGTU im. N.E. Baumana, 2011.Димитриенко Ю.И., Дубровина А.Ю., Соколов А.П. Конечно-элементное моделирование усталостных характеристик композиционных материалов // Вестник Московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана. Серия: Естественные науки. 2011. - № SPEC. - С. 34-49.Dimitrienko Yu.I., Dubrovina A.Yu., Sokolov A.P. Konechno-elementnoe modelirovanie ustalostnykh kharakteristik kompozitsionnykh materialov. Vestnik Moskovskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta im. N.E. Baumana. Seriya: Estestvennye nauki. 2011. - № SPEC. - S. 34-49.Малмейстер А.К., Тамуж В.П., Тетерс Г.А. Сопротивление полимерных и композитных материалов. - Рига: Зинатне, 1980.Malmeyster A.K., Tamuzh V.P., Teters G.A. Soprotivlenie polimernykh i kompozitnykh materialov. - Riga: Zinatne, 1980.Ильюшин А.А., Победря Б.Е. Основы математической теории термовязкоупругости. - М.: Наука, 1970.Il´yushin A.A., Pobedrya B.E. Osnovy matematicheskoy teorii termovyazkouprugosti. - M.: Nauka, 1970.Димитриенко Ю.И., Димитриенко И.П. Длительная прочность армированных пластиков // Механика композитных материалов. - 1989. - № 1. - С. 16-22.Dimitrienko Yu.I., Dimitrienko I.P. Dlitel´naya prochnost´ armirovannykh plastikov. Mekhanika kompozitnykh materialov. - 1989. - № 1. - S. 16-22.Димитриенко Ю.И., Димитриенко И.П. Прогнозирование долговечности полимерных элементов конструкций с помощью «химического» критерия длительной прочности // Вопросы оборонной техники. - 2002. - №1/2. - С. 15-21.Dimitrienko Yu.I., Dimitrienko I.P. Prognozirovanie dolgovechnosti polimernykh elementov konstruktsiy s pomoshch´yu «khimicheskogo» kriteriya dlitel´noy prochnosti. Voprosy oboronnoy tekhniki. - 2002. - №1/2. - S. 15-21.Димитриенко Ю.И., Димитриенко И.П. Расчет сопротивления усталости композитов на основе «химического» критерия длительной прочности // Вопросы оборонной техники. - 2002. - № 1/2. - С. 21-25.Dimitrienko Yu.I., Dimitrienko I.P. Raschet soprotivleniya ustalosti kompozitov na osnove «khimicheskogo» kriteriya dlitel´noy prochnosti. Voprosy oboronnoy tekhniki. - 2002. - № 1/2. - S. 21-25.