Прочность, ресурс и безопасность технических систем
Рассматривается эволюция подходов к решению проблем динамики и прочности машин на основе определения статических и динамических номинальных и локальных напряжений от эксплуатационных нагрузок. Показано, как в качестве основополагающих критериальных параметров деформативности и прочности конструкц...
Збережено в:
| Дата: | 2000 |
|---|---|
| Автори: | , , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Russian |
| Опубліковано: |
Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України
2000
|
| Назва видання: | Проблемы прочности |
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/46313 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Прочность, ресурс и безопасность технических систем / К.В. Фролов, Н.А. Махутов, Г.Х. Хуршудов, М.М. Гаденин // Проблемы прочности. — 2000. — № 5. — С. 8-18. — Бібліогр.: 18 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-46313 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-463132013-06-29T16:05:20Z Прочность, ресурс и безопасность технических систем Фролов, К.В. Махутов, Н.А. Хуршудов, Г.Х. Гаденин, М.М. Научно-технический раздел Рассматривается эволюция подходов к решению проблем динамики и прочности машин на основе определения статических и динамических номинальных и локальных напряжений от эксплуатационных нагрузок. Показано, как в качестве основополагающих критериальных параметров деформативности и прочности конструкционных материалов последовательно использовались характеристики прочности и пластичности материала, характеристики циклической прочности в области обычной и малоцикловой усталости, характеристики высокотемпературной длительной прочности и ползучести, а также характеристики линейной и нелинейной механики разрушения. Особое внимание уделено результатам исследований по безопасности машин и механике катастроф. При этом рассматриваются комплексные подходы к решению проблем прочности и безопасности потенциально опасных объектов (атомные электростанции, ракетно- космические комплексы, летательные аппараты, химические производства и др.) на основе анализа всех стадий их жизненного цикла, включая проектирование, изготовление, испытания и эксплуатацию. Розглядається еволюція підходів до вирішення проблем динаміки і міцності машин на основі визначення статичних і динамічних номінальних та локальних напружень від експлуатаційних навантажень. Показано, як в якості обгрунтованих критерійних параметрів деформаційності та міцності конструкційних матеріалів послідовно використовувались характеристики міцності й пластичності матеріалу, характеристики циклічної міцності в області звичайної і малоциклової втоми, характеристики високотемпературної тривалої міцності та повзучесті, а також характеристики лінійної і нелінійної механіки руйнування. Особливу увагу приділено результатам досліджень безпеки машин і механіки руйнувань. При цьому розглядаються комплексні підходи до вирішення проблем міцності та безпеки потенційно небезпечних об’єктів (атомні електростанції, ракетно-космічні комплекси, літальні апарати, хімічні виробництва та ін.) на основі аналізу всіх стадій їх життєвого циклу, включаючи проектування, виготовлення, випробовування й експлуатацію. We examine the evolution of the approaches to solution of problems of dynamics and strength of machines based on the determination of static and dynamic nominal and local stresses induced by operational loads. We show how the characteristics of strength and plasticity of a material, high-cycle and low-cycle fatigue resistance characteristics, characteristics of high-temperature long-term strength and creep, and characteristics of linear and nonlinear fracture mechanics are successively applied as basic criteria of deformability and strength of structural materials. Special attention is given to the results of investigations on engineering safety of machines and the mechanics of catastrophes. Here we consider comprehensive approaches to solving problems of strength and safety for objects of potential hazard (nuclear power stations, spacecraft complexes, aircraft, chemical manufactures, etc.), based on the analysis of all their life-cycle stages including stages of design and manufacture, testing and operation. 2000 Article Прочность, ресурс и безопасность технических систем / К.В. Фролов, Н.А. Махутов, Г.Х. Хуршудов, М.М. Гаденин // Проблемы прочности. — 2000. — № 5. — С. 8-18. — Бібліогр.: 18 назв. — рос. 0556-171X http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/46313 539.4 ru Проблемы прочности Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| topic |
Научно-технический раздел Научно-технический раздел |
| spellingShingle |
Научно-технический раздел Научно-технический раздел Фролов, К.В. Махутов, Н.А. Хуршудов, Г.Х. Гаденин, М.М. Прочность, ресурс и безопасность технических систем Проблемы прочности |
| description |
Рассматривается эволюция подходов к решению проблем динамики и прочности машин на
основе определения статических и динамических номинальных и локальных напряжений от
эксплуатационных нагрузок. Показано, как в качестве основополагающих критериальных
параметров деформативности и прочности конструкционных материалов последовательно
использовались характеристики прочности и пластичности материала, характеристики
циклической прочности в области обычной и малоцикловой усталости, характеристики
высокотемпературной длительной прочности и ползучести, а также характеристики
линейной и нелинейной механики разрушения.
Особое внимание уделено результатам исследований по безопасности машин и механике
катастроф. При этом рассматриваются комплексные подходы к решению проблем прочности
и безопасности потенциально опасных объектов (атомные электростанции, ракетно-
космические комплексы, летательные аппараты, химические производства и др.) на
основе анализа всех стадий их жизненного цикла, включая проектирование, изготовление,
испытания и эксплуатацию. |
| format |
Article |
| author |
Фролов, К.В. Махутов, Н.А. Хуршудов, Г.Х. Гаденин, М.М. |
| author_facet |
Фролов, К.В. Махутов, Н.А. Хуршудов, Г.Х. Гаденин, М.М. |
| author_sort |
Фролов, К.В. |
| title |
Прочность, ресурс и безопасность технических систем |
| title_short |
Прочность, ресурс и безопасность технических систем |
| title_full |
Прочность, ресурс и безопасность технических систем |
| title_fullStr |
Прочность, ресурс и безопасность технических систем |
| title_full_unstemmed |
Прочность, ресурс и безопасность технических систем |
| title_sort |
прочность, ресурс и безопасность технических систем |
| publisher |
Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України |
| publishDate |
2000 |
| topic_facet |
Научно-технический раздел |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/46313 |
| citation_txt |
Прочность, ресурс и безопасность технических систем / К.В. Фролов, Н.А. Махутов, Г.Х. Хуршудов, М.М. Гаденин // Проблемы прочности. — 2000. — № 5. — С. 8-18. — Бібліогр.: 18 назв. — рос. |
| series |
Проблемы прочности |
| work_keys_str_mv |
AT frolovkv pročnostʹresursibezopasnostʹtehničeskihsistem AT mahutovna pročnostʹresursibezopasnostʹtehničeskihsistem AT huršudovgh pročnostʹresursibezopasnostʹtehničeskihsistem AT gadeninmm pročnostʹresursibezopasnostʹtehničeskihsistem |
| first_indexed |
2025-07-04T05:32:36Z |
| last_indexed |
2025-07-04T05:32:36Z |
| _version_ |
1836693226225926144 |
| fulltext |
НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЙ
РАЗДЕЛ
УДК 539.4
Прочность, ресурс и безопасность технических систем
К. В. Ф ролов, Н. А. М ахутов, Г. Х. Хуршудов, М. М. Гаденин
Институт машиноведения РАН, Москва, Россия
Рассматривается эволюция подходов к решению проблем динамики и прочности машин на
основе определения статических и динамических номинальных и локальных напряжений от
эксплуатационных нагрузок. Показано, как в качестве основополагающих критериальных
параметров деформативности и прочности конструкционных материалов последовательно
использовались характеристики прочности и пластичности материала, характеристики
циклической прочности в области обычной и малоцикловой усталости, характеристики
высокотемпературной длительной прочности и ползучести, а также характеристики
линейной и нелинейной механики разрушения.
Особое внимание уделено результатам исследований по безопасности машин и механике
катастроф. При этом рассматриваются комплексные подходы к решению проблем проч
ности и безопасности потенциально опасных объектов (атомные электростанции, ракет
но-космические комплексы, летательные аппараты, химические производства и др.) на
основе анализа всех стадий их жизненного цикла, включая проектирование, изготовление,
испытания и эксплуатацию.
К л ю ч е в ы е сл о ва : прочность, ресурс, инженерная безопасность, напряжение,
деформация, повреждение, усталость, ползучесть, механика разрушения
Институт машиноведения (ИМАШ) РАН и Институт проблем проч
ности (ИПП) НАН Украины на протяжении многих десятилетий вели фунда
ментальные и прикладные исследования в рамках проблемных академи
ческих планов, государственных научно-технических программ и крупных
проектов. Основная задача этих исследований - получение фазовых законо
мерностей процессов деформирования и разрушения материалов и элемен
тов конструкций при экстремальных штатных и аварийных режимах [1-3].
ИМАШ РАН и ИПП НАН Украины во взаимодействии с ведущими инсти
тутами и конструкторскими бюро использовали полученные результаты при
обосновании прочности, ресурса и безопасности сложных технических сис
тем в энергетике, ракетно-космической и авиационной технике, в транспорт
ных комплексах. Существенная роль в организации и координации этих
исследований принадлежала и принадлежит руководителям и ведущим спе
циалистам ИПП НАН Украины (академики Г. С. Писаренко, В. Т. Тро
щенко, А. А. Лебедев и Н. В. Новиков) и ИМАШ РАН (академики А. А.
Благонравов, К. В. Фролов и С. В. Серенсен).
Прочность и безопасность машин и конструкций стали одним из акту
альных направлений технического развития по мере роста их рабочих пара-
© К. В. ФРОЛОВ, Н. А. МАХУТОВ, Г. X. ХУРШУДОВ, М. М. ГАДЕНИН, 2000
8 Й'ОТ 0556-171Х. Проблемы прочности, 2000, N 5
Прочность, ресурс и безопасность технических систем
метров и повышения потенциальном опасности высокорисковых систем
“человек - машина - среда”.
Основополагающим разделом указанных выше проблем были и оста
ются вопросы динамики и прочности машин [1-7]. При этом решение задач
теории упругости, теории колебаний, теории пластин и оболочек сводилось
к определению статических и динамических номинальных и локальных
напряжений о э от эксплуатационных нагрузок Р э. В качестве критери
альных параметров деформативности и прочности конструкционных мате
риалов использовались модуль упругости Е, пределы текучести о т и
прочности о ь
о э = / ( р э) , ° 4 , ( 1)
I п т п Ь
где п т , Пь - соответствующие запасы текучести и прочности.
Уравнение (1) получило и получает приложения при создании авто
мобилей, сельскохозяйственной техники, энергетического и технологичес
кого оборудования широкого применения.
В годы Великой Отечественной войны и первые послевоенные годы
были поставлены исследования по усталости и долговечности материалов. К
основным параметрам эксплуатационной нагруженности машин были от
несены напряжения о э и число циклов нагружения N э. В дополнение к
уравнению (1) сформулированы условия циклической прочности:
а I = / (Р э , N э ) :
о -1
<( К о о а )^о + ^ с
О э (2)
где о а , о эт - амплитуды и среднее напряжение цикла (о = о / о -1 ); о -1 -
предел выносливости конструкционного материала; К о , е о , ір о - харак
теристики чувствительности материала к концентрации напряжений, абсо
лютным размерам и асимметрии цикла.
По уравнениям (1) и (2) рассчитывались прочность и долговечность
несущих узлов в авиации, на транспорте, в гидроэнергетике. Для анализа
местных напряжений были развиты методы фотоупругости и тензометрии.
С освоением районов Сибири и Севера и созданием объектов крио
генной техники в 50-60-е годы возникла задача об исследовании низко
температурной прочности с определением характеристик хладноломкости.
В анализ прочности дополнительно были введены [1-4] характеристики
низкотемпературного локального сопротивления отрыву Б от:
о Эа = Д Р > , N Э, ! = ) < Ц ° 4 , (3)
[п о К о
ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2000, № 5 9
К. В. Фролов, Н. А. Махутов, Г. Х. Хуршудов, М. М. Гаденин
где К а - коэффициент концентрации напряжений с учетом перераспре
деления напряжений за счет местных пластических деформаций.
Важное значение при этом имели исследования по локальным струк
турным физико-механическим процессам формирования микродеформаций
и микроповреждений в материале с использованием методов рентгено
графии и микроскопии.
Для интенсивно развивавшихся в 60-е годы отраслей авиационного,
энергетического и нефтехимического машиностроения были поставлены
систематические исследования по малоцикловой усталости [1, 2, 4, 5].
Создание в зонах действия концентрации и температурных напряжений
областей неупругого циклического деформирования потребовало перехода
от расчетов в локальных напряжениях к расчетам в локальных деформациях:
{аэ ,е э , N э } = / (Р э , N э ,гэ ,т ) <
\ п а Л п е Л
/ \
п
N с
п
/ (а т , к ,т р , т еЖ (4)
где а с , е с , N c - предельные напряжения, деформации и число циклов,
а = 9 = 1 ■а с 9 от, е с , ■
1 - ^ к
т - характеристика упрочнения в упругопластической области; к - суже
ние при однократном разрушении; тр , т е - характеристики кривой мало
циклового разрушения.
Для определения а э , е э были развиты методы фотоупругих наклеек,
муара, малобазных сеток и малобазной тензометрии [1, 2, 5, 6].
Применительно к новым задачам сверхзвуковой авиации, теплоэнер
гетики, нефтехимии, металлургии были поставлены исследования по ползу
чести, высокотемпературной кратковременной длительной и циклической
(500...3000оС) прочности, в том числе при программных и двухчастотных
режимах нагружения [1, 2, 4-9]. К уравнениям (1), (2) и (4) при расчетах
деталей машин были добавлены уравнения длительной (по времени экс
плуатации т э) прочности а ^ п
Ж (5){аэ , е э , т э , N э } = / ( Р э , т э , N э , гэ ) < Ч п ес 1 с
п т ■ / ( т т
п а
где п т - запас по времени т; т т - характеристика кривой длительной
прочности.
Измерения локальных напряжений и деформаций выполнялись высоко
температурными методами тензометрии и муара на технических объектах в
нашей стране и за рубежом [6, 9, 10].
10 0556-171Х. Проблемы прочности, 2000, N 5
Прочность, ресурс и безопасность технических систем
Развитие и обобщение большого цикла работ по прочности и долго
вечности в 60-70-е годы привело к формированию одного из важных раз
делов проектирования, изготовления и эксплуатации машин - разделу обес
печения их надежности и ресурса [1, 2, 4, 5]. Это, в первую очередь,
относилось к изделиям общего машиностроения, работающим при пере
менных режимах термоциклического нагружения. Для развития уравнений
(1) и (2) в расчет по кривым усталости о — N были введены коэффициенты
вариации эксплуатационной нагруженности Vо , пределов выносливости
Vо , а также конструкторско-технологических факторов (К о , е о , ~фо). Эти
подходы распространились и на малоцикловую усталость.
В конце 60-х и начале 70-х годов большое внимание уделялось раз
витию линейной и нелинейной механики статического, циклического и
динамического разрушений [1, 2, 5, 8]. При этом расчеты трещиностойкости
машин стали базироваться на местных напряжениях о э и деформациях е э,
на учете размеров дефектов I э, коэффициентов интенсивности напряжений
К э и деформаций К \е, температурных условий нагружения гэ :
где и к , и ке - запасы по коэффициентам интенсивности напряжений и де
формаций.
Уравнение (6) получило нормативное применение в расчетах прочности
атомных реакторов, сосудов давления, трубопроводов [1, 2, 5, 11, 12].
В 80-е годы на базе ранее выполненных комплексных исследований с
учетом новых задач в области ракетостроения, атомной и термоядерной
энергетики получили развитие методы анализа прочности, ресурса, трещи
ностойкости и живучести машин с учетом повреждений технологического и
эксплуатационного происхождения [1, 2, 5, 11, 12].
К уравнениям (1)-(6) были добавлены уравнения для оценки ресурса с
учетом длительного и циклического развития трещин:
где с - индекс для критических характеристик; п N , п т , п { - запасы по числу
циклов, времени и температурам.
Расчетные характеристики Шс и т с определяются интегрированием
кинетических диаграмм разрушения
(6)
где А К 1Є - размах коэффициентов интенсивности деформаций.
ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2000, № 5 11
К. В. Фролов, Н. А. Махутов, Г. Х. Хуршудов, М. М. Гаденин
Для анализа процессов повреждения использовались методы импульс
ной голографии, термовидения, тензочувствительных покрытий, рентгено
графии, микроструктурного анализа виброметрии [1, 4, 5, 9, 10].
В последнее десятилетие были поставлены и начаты исследования по
безопасности машин и механике катастроф [13-15]. Применительно к по
тенциально опасным объектам эти разработки включают комплексные ис
следования по всем перечисленным выше направлениям с использованием
аналитических, численных и экспериментальных методов анализа напря
женно-деформированных и предельных состояний.
На основе уравнений (1)-(8) был внесен большой вклад в реализацию
крупнейших проектов страны - уникальные гидравлические и тепловые
турбины мощностью 200-1200 МВт, атомные энергетические реакторы (на
тепловых ВВЭР, РБМК, ACT и быстрых нейтронах ВН) мощностью
210-1000 МВт (для АЭС в бывших СССР и Чехословакии, Финляндии,
Германии, Болгарии, Венгрии), термоядерные установки T-14, T-15, Анга
ра-5, крупнейшие аэродинамические трубы T-128 и T-1110, авиационные и
ракетные двигатели НК и АЛ, головные образцы летательных аппаратов
авиационной (TY, МИ) и космической (Р-7, Н-1) техники. Важнейшие ра
боты были проведены при создании космической системы “Энергия-
Буран”, объектов оборонной техники, ядерного над- и подводного флотов.
Проведение фундаментальных и прикладных исследований по нели
нейной механике деформирования и разрушения позволяет реализовать ба
зовую схему определения и регулирования безопасности на всех этапах их
жизненного цикла [1, 2, 13-15].
На рисунке приведена комплексная блок-схема решения проблем проч
ности и базопасности таких потенциально опасных объектов, как атомные
электростанции (АЭС), ракетно-космические комплексы (РКК), летательные
аппараты (ЛА), атомные подводные лодки (АПЛ), теплоэлектростанции
^ Э С ), химические производства (ХП). Эти проблемы охватывают все ста
дии жизненного цикла объектов: проектирование, изготовление, испытание
и эксплуатацию.
Проектирование включает в себя разработку и согласование техни
ческого задания (T3) с введением базовых требований по прочности, ре
сурсу и безопасности. Сама разработка проекта состоит из ряда стадий
(принципиальные схемы, предэскизный, технический и рабочий проекты).
На этой стадии разрабатываются физические и математические модели с
применением ЭВМ и систем автоматизированного проектирования (САПР).
На стадии проектирования анализируется прочность на основании норма
тивных и дополнительных расчетов и обосновывается исходный ресурс.
Основными критериями и характеристиками таких расчетов являются: экс
плуатационные нагрузки P э, температуры T ( t), числа циклов N, частоты f ,
характеристики сопротивления материалов R ( о т , о ъ , о д п ), деформации е,
дефекты l. В качестве допустимых с использованием уравнений (1)-(8)
обосновываются параметры [N], [P], [l] с соответствующими заданными
запасами п. По комплексу расчетных и эксплуатационных исследований
составляется заключение о прочности, долговечности, ресурсе, живучести и
безопасности.
12 ISSN 0556-171X. Проблемы прочности, 2000, № 5
Прочность, ресурс и безопасность технических систем
Блок-схема анализа прочности и безопасности машин и конструкций.
На стадии изготовления решаются вопросы выбора, обоснования и
развития технологий материалов и контроля. Для изготовленных элементов,
систем и объектов в целом устанавливаются исходные состояния: факти
ческие механические свойства и их отклонения от технических требований,
уровень реальной дефектности несущих узлов, геометрические формы и их
отклонения. Уточненные данные контроля заносятся в паспорта и память
0556-171Х. Проблемы прочности, 2000, № 5 13
К. В. Фролов, П. А. Махутов, Г. Х. Хуршудов, М. М. Гаденин
ЭВМ. Все эти данные являются исходной информацией о характеристиках
прочности Я т (о ъ), (Б от), деформативности А (удлинении б), 2 (суже
нии 1р), деформациях е, температуре t, скорости роста трещин Ш / ШЖ (или
Ш / Шт). На их основе уточняются проектные параметры прочности, долго
вечности, ресурса, живучести и безопасности.
Стадия испытаний включает их различные виды и комбинации: авто
номное испытание (АН) узлов, стендовые испытания узлов, агрегатов и
изделий, огневые и имитационные испытания. Завершающими оказываются
штатные испытания головных образцов с воспроизведением реальных экс
плуатационных и экстремальных режимов.
С использованием тех же критериев, что и для стадий проектирования и
изготовления, дополнительно уточняются допустимые предельные нагрузки
[Р] и долговечность [Ж] или [т]. На этой основе составляется заключение о
ресурсе, методах последующего контроля и назначаются уточненные ре
жимы эксплуатации.
Для стадии ввода в эксплуатацию осуществляются предпусковые и
пусковые испытания (холодная и горячая обкатка), физический пуск (с
корректировкой всех систем поддержания эксплуатации) и ввод в экс
плуатацию. При этом назначается и уточняется система штатной диагнос
тики основных параметров: нагрузок Р, температур Т, циклов N частот / ,
дефектов I (с использованием преимущественно штатных систем ультра
звуковой диагностики (УЗД)). Для объектов высокой потенциальной опас
ности разрабатываются, создаются и применяются методы и системы опера
тивной диагностики аварийных ситуаций (с использованием тензотермо-
метрии, акустической эмиссии (АЭ), термовидения (ТВ), импульсной голо
графии (НМГОЛ)). Получаемые при этом данные могут давать исходную
информацию для включения систем автоматической защиты (САЗ) и систем
автоматической оперативной защиты (САОЗ).
Таким образом, на начальной стадии эксплуатации получаем важней
шую информацию для подтверждения или корректировки проектных реше
ний о прочности, долговечности, ресурсе живучести и безопасности. По
мере исчерпания уточненного проектного ресурса оценивается остаточный
ресурс безопасной эксплуатации. С целью согласования всей информации
для всех стадий жизненного цикла объекта должны использоваться унифи
цированные критерии и компьютерные программы. При этом данные о
ресурсе могут выводиться на блочные щиты управления (БЩУ) и бортовые
счетчики ресурса (БСР) - П1 / N.
Применительно к стадии эксплуатации важным научно-техническим и
экономическим вопросам становится вопрос о безопасном выводе объектов
из эксплуатации (особенно в случаях накопленных остаточных радиоактив
ных излучений Ф, химических воздействий, рабочих и аварийных воздей
ствий на объекты, персонал и окружающую среду).
Одной из важнейших задач при решении проблем обеспечения проч
ности, ресурса и безопасности современных мощных установок и машин
всегда являлось определение напряженно-деформированных состояний
(НДС) несущих элементов конструкций при эксплуатации [1, 6, 9-12,
16-18].
14 0556-171Х. Проблемы прочности, 2000, № 5
Прочность, ресурс и безопасность технических систем
Для решения указанных задач наряду с современными расчетными
методами с использованием ЭВМ успешно применяются эффективные ме
тоды экспериментальной механики на всех основных этапах создания ма
шин (рисунок), включая стадии проектирования, доводки опытных образ
цов, и, особенно, в реальных условиях эксплуатации. В ряде случаев при
сложностях в проведении прямых экспериментальных исследований уни
кальных конструкций применяются комбинированные расчетно-экспери
ментальные методы, сочетающие преимущества каждого из используемых
методов на различных этапах исследований, что обеспечивает получение
необходимой информации по НДС, в том числе в зонах, недоступных для
измерений [10]. Проведение экспериментальных исследований НДС конст
рукций атомного, термоядерного, теплоэнергетического, химического и
другого оборудования потребовало значительного развития существовав
ших методов измерений и создания новых, обеспечивающих выполнение
модельных, стендовых и натурных исследований на всех этапах создания
машин и конструкций (таблица).
Для этого были созданы методы и средства высокотемпературной на
турной тензо-, термо- и виброметрии для исследований напряженного со
стояния высокорисковых объектов с применением разработанных специ
альных информационно-измерительных комплексов и проведены впервые в
отечественной практике исследования при стендовых, заводских и пусковых
испытаниях, а также при длительных испытаниях в экстремальных условиях
эксплуатации. При этом основные возможности и достижения применя
емого метода натурной тензометрии атомного, термоядерного, теплоэнерге
тического и ракетно-космического оборудования обеспечивают:
возможность тензометрических исследований статических, квазистати-
ческих, динамических деформаций (напряжений) в условиях высоких (до
550оС) и низких (до -2960С) температур;
в режиме стационарного и резконестационарного изменения темпера
тур (со скоростью Vt = 5-10°C-c-1 );
при установке первичных преобразователей на внутренней поверхности
корпусных узлов с выводом коммуникационных линий через специальные
гермовыводы, при внутреннем давлении (20-30 МПа) и пульсации давления
(p min = 0,002 МПа);
при потоках теплоносителя (газового, пароводяного, жидкометалли
ческого) со скоростью 50-300 м/с и более;
19 _2
при воздействии радиации до флюенса Ф th = 7,7 -10 нейтрон/см
(реакторы ВВЭР-440; ВВЭР-1000) и сильных магнитных полей с магнитной
индукцией до 20 Тл (термоядерные установки Т-10 и Т-15).
Длительность исследований во многом зависит от реального ресурса
стабильной работы первичных преобразователей в условиях эксплуатации
и, например, при исследованиях ВВЭР-1000 в условиях эксплуатации на
АЭС при t = 300-350°C составила около 1 года при общей длительности ис
следования одного объекта до 7 лет.
Разработаны и применяются несколько новых типов хрупких тензо-
чувствительных покрытий, предназначенных для различных условий испы
ISSN 0556-171X. Проблемы прочности, 2000, № 5 15
К. В. Фролов, Н. А. Махутов, Г. Х. Хуршудов, М. М. Гаденин
таний конструкций: канифольные покрытия газопламенного нанесения и
наносимые без нагрева, оксидные и стеклоэмалевые покрытия с тензо-
чувствительностью по деформациям, регулируемой в пределах 0,1-0,4%,
обладающие стабильностью и обеспечивающие количественные изменения
с погрешностью 10-20%. Покрытия получили эффективное использование
при исследованиях напряженного состояния на поверхности деталей и узлов
конструкций при статической и динамической нагрузках, измерениях в
экстремальных условиях низких и высоких температур в диапазоне от -250
до +400°С, а также в различных средах (вода, масло, жидкий водород, азот и
др.) и широко используются при проектировании и испытаниях конст
рукций различного назначения (узлы самолетных и турбинных конструк
ций, реакторов, ракетных двигателей).
Схема методов и целей исследований
Этап
работы
Объект
исследования
Метод
исследования
Задача (цель)
исследований
Эскизный проект Модели из поли
мерных материа
лов
Поляризационно-оптичес
кие измерения, тензомет
рия, хрупкие лаковые по
крытия
Обоснование основных
конструктивных решений
Технический
проект
Модели метал
лические и из
полимерных ма
териалов
То же Обоснование проекта,
уточнение расчета, разра
ботка схемы для стендовой
и натурной тензометрии
Рабочий проект Модели из поли
мерных материа
лов
» » Уточнение формы и разме
ров деталей, оптимизация
конструкций
Изготовление
оборудования на
заводе
Натурные узлы,
модели из поли
мерных материа
лов
Натурная тензометрия,
хрупкие лаковые покры
тия, оптически чувстви
тельные покрытия, дефек
тоскопия
Проверка допустимости
технологических отклоне
ний с уточнением НДС в
конструкции, учет повреж
дений, накопленных при
изготовлении
Пуско-наладоч-
ные испытания
Натурный
объект
Натурная тензометрия,
термовиброметрия, дефек
тоскопия
Тензометрический конт
роль при режимах пуско
наладочных испытаний,
рекомендации по режимам
нагружения
Освоение мощ
ности, началь
ный период экс
плуатации
То же То же Определение действитель
ной нагруженности, уточ
нение истории нагруже
ния, текущего и остаточ
ного ресурсов. Рекоменда
ции по оптимизации режи
мов эксплуатации усовер
шенствованной конструк
ции
Эксплуатация,
продление ре
сурса, вывод из
эксплуатации
» » Натурная тензометрия,
термовиброметрия, образ
цовые и безобразцовые ис
пытания, дефектоскопия
Определение нагруженно-
сти и повреждаемости.
Заключение о прочности и
безопасности
16 ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2000, № 5
Прочность, ресурс и безопасность технических систем
Получили развитие и применение разработанные расчетно-эксперимен
тальные методы, позволяющие с решением обратных задач эксперимен
тальной механики расширить объем информации о действительном напря
женном состоянии натурных объектов в условиях эксплуатации, упростить
постановку и объем экспериментальных исследований, дать объективную
оценку уровня напряженности в неудобных для измерений участках по
верхности, особенно на внутренних зонах корпусов и патрубков атомного и
теплоэнергетического оборудования.
Полученные в ИМАШ РАН и ИПП НАН Украины совместно с НИИ и
КБ отраслей результаты теоретических и экспериментальных исследований
деформаций и напряжений в несущих элементах высокорисковых объектов
гражданского и оборонного комплексов явились основой для анализа проч
ности, ресурса и безопасности с применением нормативных и уточненных
методов, а также позволяли и позволяют устанавливать, определять, назна
чать и продлевать проектный, фактический, исходный и остаточный ре
сурсы безопасной эксплуатации.
Р е з ю м е
Розглядається еволюція підходів до вирішення проблем динаміки і міцності
машин на основі визначення статичних і динамічних номінальних та локаль
них напружень від експлуатаційних навантажень. Показано, як в якості
обгрунтованих критерійних параметрів деформаційності та міцності конст
рукційних матеріалів послідовно використовувались характеристики міц
ності й пластичності матеріалу, характеристики циклічної міцності в області
звичайної і малоциклової втоми, характеристики високотемпературної три
валої міцності та повзучесті, а також характеристики лінійної і нелінійної
механіки руйнування.
Особливу увагу приділено результатам досліджень безпеки машин і меха
ніки руйнувань. При цьому розглядаються комплексні підходи до вирішення
проблем міцності та безпеки потенційно небезпечних об’єктів (атомні
електростанції, ракетно-космічні комплекси, літальні апарати, хімічні ви
робництва та ін.) на основі аналізу всіх стадій їх життєвого циклу, вклю
чаючи проектування, виготовлення, випробовування й експлуатацію.
1. П и с а р е н к о Г . С., К в и т к а А . Л ., К о зл о в И . А . и др. Прочность мате
риалов и элементов конструкций в экстремальных условиях. - Киев:
Наук. думка, 1980. - Т. 1. - 536 с.; Т. 2. - 772 с.
2. С ер ви сен С. В . Избранные труды. - Киев: Наук. думка, 1985. - Т. 1. -
262 с.; Т. 2. - 256 с.; Т. 3. - 232 с.
3. У ж ик Г . В . Сопротивление отрыву и прочность металлов. - М.: Изд-во
АН СССР, 1950. - 255 с.
4. С ер ен сен С. В ., К о га е в В. П ., Ш н е й д е р о ви ч В. М . Несущая способность
и расчеты деталей машин на прочность. - М.: Машиностроение, 1975.
- 488 с.
ISSN 0556-171Х. Проблемыы прочности, 2000, № 5 17
К. В. Фролов, Н. А. Махутов, Г. Х. Хуршудов, М. М. Гаденин
5. М а х у т о в Н . А . Деформационные критерии разрушения и расчет
элементов конструкций на прочность. - М.: Машиностроение, 1981. -
273 с.
6 . П р и го р о в с к и й Н . И . и др. Напряжения и деформации в деталях и узлах
машин. - М.: Машиностроение, 1961. - 563 с.
7. Р а б о т н о в Ю . Н . Ползучесть элементов конструкций. - М.: Наука,
1966. - 572 с.
8 . М а х у т о в Н . А ., В о р о б ь е в А . 3., Г а д е н и н М . М . и др. Прочность кон
струкций при малоцикловом нагружении. - М.: Наука, 1983. - 270 с.
9. П р и го р о в с к и й Н . И . и др. Напряжения и деформации в деталях и узлах
машин. - М.: Машиностроение, 1961. - 563 с.
10. П р и го р о в с к и й Н . И . Методы и средства определения полей дефор
маций и напряжений. - М.: Машиностроение, 1983. - 248 с.
11. М а х у т о в Н . А ., С т е к о ль н и к о в В. В ., Ф р о ло в К . В . и др. Конструкции и
методы расчета водо-водяных энергетических реакторов. - М.: Наука,
1987. - 231 с.
12. М а х у т о в Н . А ., С т е к о ль н и к о в В. В ., Ф р о ло в К. В. и др. Прочность и
ресурс водо-водяных энергетических реакторов. - М.: Наука, 1988. -
310 с.
13. П р о б л е м ы разрушения, ресурса и безопасности технических систем. -
Красноярс: Кодас, 1997. - 519 с.
14. Г Н Т П “Б е з о п а с н о с т ь ”. Концепция и итоги работы 1991 - 1992 гг.
Итоги науки и техники. - М.: ВИНИТИ, 1993. - Т. 1. - 350 с.; Т. 2. -
470 с.
15. Б е зо п а с н о с т ь России. Функционирование и развитие сложных народ
нохозяйственных, технических, энергетических, транспортных систем,
систем связи и коммуникаций. - М.: МГФ “Знание”, 1999. - Т. 1. -
444 с.; Т. 2. - 410 с.
16. Д а й ч и к М . Л ., П р и го р о в с к и й Н . И ., Х у р ш у д о в Г . Х . Методы и средства
натурной тензометрии: Справочник. - М.: Машиностроение, 1989. -
240 с.
17. М а х у т о в Н . А ., Ф р о ло в К . В ., С т е к о ль н и к о в В. В. и др. Экспери
ментальные исследования деформаций и напряжений в водо-водяных
энергетических реакторах. - М.: Наука, 1990. - 296 с.
18. М и т е н к о в Ф. М ., С т е к о ль н и к о в В. В ., М а х у т о в Н . А . и др. Тензо-
метрические исследования конструкций энергетического оборудова
ния // Пробл. машиностр. и автомат. - 1988. - Вып. 22. - С. 33 - 43.
Поступила 29. 06. 2000
18 ISSN 0556-171Х. Проблемыг прочности, 2000, № 5
|