Моделирование напряженного состояния трубопроводов, подвергающихся высокотемпературной водородной коррозии в неоднородном поле температур (стр. 1 )

На правах рукописи

БУБНОВ Алексей Алексеевич

МОДЕЛИРОВАНИЕ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ ТРУБОПРОВОДОВ, ПОДВЕРГАЮЩИХСЯ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ВОДОРОДНОЙ КОРРОЗИИ В НЕОДНОРОДНОМ ПОЛЕ ТЕМПЕРАТУР

01.02.04 Механика деформируемого твердого тела

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата физико-математических наук

Саратов 2007

Работа выполнена на кафедре математической теории упругости и биомеханики в ГОУ ВПО «Саратовский государственный университет им. »

Научный руководитель: кандидат технических наук,

доцент

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор

кандидат физико-математических наук, доцент

Ведущая организация: Самарский государственный технический университет

Защита состоится 24 апреля 2007 г. в 15.30 на заседании диссертационного совета Д 212.243.10 в Саратовском государственном университете им. 3, корп IX, ауд. 218.

С диссертацией можно ознакомиться в Зональной научной библиотеке Саратовского государственного университета им. .

Автореферат разослан _______ марта 2007 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета,

кандидат физ.-мат. наук, доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Практически все детали машин и аппаратов, элементы конструкций различного назначения в процессе эксплуатации подвергаются совместному действию внешних нагрузок, температурных полей и агрессивных сред. Задачи моделирования поведения конструктивных элементов под действием нагрузок и температур изучаются уже более 150 лет, наработаны методологии построения моделей процессов их деформирования, методики идентификации моделей по имеющимся экспериментальным данным, методики верификации, однако проблема моделирования поведения конструктивных элементов с учетом воздействия агрессивных сред находится в стадии своего формулирования и поиска путей решения. Среди агрессивных сред довольно широко используемой в технологических процессах является водородосодержащая среда, причем нередко эта среда действует при высоких давлениях и высоких температурах. В таких условиях водород, проникая в материал конструкций, химически взаимодействует с ним, приводя к изменению, чаще ухудшению его механических характеристик. Этот процесс сопровождается процессами ползучести и накопления повреждений. Кроме того, из-за локального прогрева отдельных зон конструкций или неравномерного прогрева сечения конструктивного элемента физико-химическое взаимодействие водорода с материалом протекает неоднородно по объему конструкций, приводя к значительному градиенту и механических характеристик и температурного поля, и поля повреждений и поля деформаций. При этом изменяющееся внешнее тепловое воздействие приводит к еще большему изменению во времени всех выше перечисленных характеристик, а в случае воздействия изменяющейся нагрузки наблюдается изменение характера деформирования и разрушения материала конструктивного элемента по сравнению с неизменной во времени нагрузкой. Задача прогнозирования поведения конструкций во времени с определением их долговечности в заданных или изменяющихся условиях эксплуатации превращается в весьма сложную проблему моделирования протекания совокупности различных процессов, идущих с разной скоростью в разных точках объема конструкции. Модели этих процессов представляют собой дифференциальные, интегро-дифференциальные уравнения с начальными и граничными условиями, описывающие разноскоростные процессы и потому задача их корректного численного решения весьма сложна из-за их жесткости в математическом смысле и требует разработки специальных алгоритмов их решения.

Целью диссертационной работы является:

- построение модели деформирования трубчатых элементов конструкций в условиях физико-химического взаимодействия материала этих конструкций с высокотемпературной водородосодержащей средой при наличии неравномерного и изменяющегося температурного поля, а также в условиях изменяющегося давления водорода;

- проведение идентификации этой составной (состоящей из нескольких подмоделей) модели по известным экспериментальным данным;

- разработка методики и алгоритма численного исследования этой модели;

- разработка программного комплекса для численного исследования модели и выполнение ряда исследований по моделированию поведения трубопроводной конструкции при различных режимах нагружения и прогрева с определением характера процессов деформирования и разрушения.

Научная новизна заключается в следующем:

- на основе анализа экспериментальных данных и ранее проводившихся исследований по взаимодействию водорода высоких параметров со сталями, а также деформированию и разрушению стальных конструкций в условиях водородной коррозии построены модели деформирования и разрушения:

- толстостенного трубопровода в условиях неоднородного изменяющегося теплового поля; неоднородного теплового поля и изменяющегося внутреннего давления водорода;

- неравномерно прогретой круглой пластинки в условиях высокотемпературной водородной коррозии;

- разработана для ряда режимов термосилового и водородного воздействия методика идентификации построенных моделей по имеющимся экспериментальным данным;

- разработана методика моделирования поведения толстостенного трубопровода в условиях неоднородного и изменяющегося во времени теплового поля, а также воздействия изменяющегося давления водорода;

- на основе численного эксперимента проведено исследование напряженного состояния и долговечности толстостенного трубопровода в выше перечисленных условиях;

- разработаны программные комплексы по решению ряда термодиффузионных задач, расчету напряженного состояния и длительной прочности толстостенного трубопровода и описаны алгоритмы их работы;

Практическая ценность работы состоит в том, что разработанные модели пригодны для определения напряженно-деформированного состояния и длительной прочности таких конструктивных элементов, как толстостенный трубопровод и круглая пластинка в условиях воздействия неоднородных тепловых полей и водорода высоких параметров. Разработанные программные комплексы могут использоваться для расчетов тепловых и концентрационных полей, напряженного состояния и длительной прочности толстостенных трубопроводов с различными геометрическими параметрами и механическими свойствами, поведение материала которых описывается заложенными в программном комплексе соотношениями и для которых известен набор необходимых коэффициентов. Разработанная методология используется аспирантами СГУ им. при построении расчетных схем конструкций, взаимодействующих с агрессивными средами, а также в учебном специальном курсе “Математическое моделирование в технических системах”, читаемом студентам 5-го курса.

Достоверность результатов работы обеспечивается сопоставлением их с соответствующими экспериментальными данными, известными из литературных источников, совпадением результатов расчета с расчетными данными, полученными другими авторами, использованием проверенных методик при построении моделей и численных методов при их расчете, устойчивостью получаемых решений при осуществлении вычислительного процесса.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались, обсуждались и были представлены в виде стендовых докладов на:

III Всероссийской конференции “Инновационные технологии в обучении и производстве” (Камышин 2005), Ежегодной научно-практической конференции БФСГУ им. (Балашов 2005), IV научно-технической конференции “Эффективные строительные конструкции: теория и практика” (Пенза 2005), Научно-практической конференции, посвященной 225-летию города Балашова, 75-летию Саратовского государственного технического университета и 35-летию филиала СГУ в г. Балашове “Проблемы развития науки и образования в малых городах России” (Балашов 2006), Международном научно-методическом межвузовском семинаре “Перспективы развития новых технологий в строительстве и подготовке инженерных кадров Республики Беларусь” (Могилев 2005), Ежегодной научно-практической конференции БФСГУ им. (Балашов 2006), Третьей Всероссийской научной конференции “Математическое моделирование и краевые задачи” (Самара 2006), VII Международной научно-практической конференции “Новые химические технологии: производство и применение” (Пенза 2006), IV Всероссийской конференции “Инновационные технологии в обучении и производстве” (Камышин 2006), 2-м Международном форуме (7-й Международной конференции) “Актуальные проблемы современной науки” (Самара 2006).

В целом диссертационная работа докладывалась на расширенном заседании кафедры “Математическая теория упругости и биомеханика” СГУ им. .

Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 печатных работ, в том числе 1 работа в издании, рекомендованном ВАК.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и общих выводов, списка использованной литературы, приложения и содержит 35 рисунков, 24 таблицы. Основное содержание диссертации изложено на 198 страницах.

На защиту выносятся:

- математические модели деформирования и разрушения толстостенного трубопровода и круглой пластинки в условиях совместного воздействия неоднородного теплового поля и водорода высоких параметров;

- методика и алгоритм расчета выше упомянутых конструктивных элементов;

- результаты расчета напряженного состояния и длительной прочности толстостенного трубопровода в условиях неоднородного и изменяющегося теплового поля; неоднородного теплового поля и изменяющегося давления водорода;

Автор выражает глубокую признательность доктору технических наук, заслуженному деятелю науки РФ профессору за консультирование и постоянное внимание к работе.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность диссертационной работы, дается краткое описание отдельных ее глав, характеристика научной новизны, достоверности и обосновывается ее практическая ценность.

В первой главе рассматриваются свойства водорода, необходимые для описания протекающих процессов взаимодействия его с материалом, анализируется состояние проблемы моделирования элементов конструкций в условиях воздействия водорода высоких параметров и других внешних воздействий. Проводится анализ некоторых экспериментальных данных по обезуглероживанию стальных конструкций, характеру их напряженного состояния и разрушения. Приведен обзор работ, посвященных моделированию поведения конструктивных элементов в условиях воздействия водорода высоких параметров с учетом ползучести и накопления повреждений. Рассмотрен ряд моделей ползучести материала, проведен их сравнительный анализ.