МЕТОДОЛОГИЯ ПРОДЛЕНИЯ НАЗНАЧЕННОГО РЕСУРСА ДЕТАЛЕЙ И НОРМАТИВНЫЕ ДОКУМЕНТЫ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ДЛЯ КОНТРОЛЯ ИХ СОСТОЯНИЯ
Запасы прочности
Согласно ГОСТ 27.002-89 надежность детали (изделия) является понятием, обеспечивающим такие ее (его) свойства как безотказность, долговечность, ремонтопригодность и сохраняемость. Одним из определяющих параметров надежности детали является обеспечение условия достаточности запасов прочности при различных режимах нагружения, т. е. требования, чтобы расчетные значения запасов прочности применительно к заданному ресурсу были больше регламентируемых Нормами прочности.
Сделаем некоторые обобщения. Запасы прочности могут оцениваться исходя из двух концепций:
- традиционной — запас прочности определяется как отношение напряжения, вызывающего разрушение материала при соответствующей температуре и времени эксплуатации (образования недопустимых в эксплуатации необратимых деформаций), к расчетному напряжению (в том числе с их учетом перераспределения во время эксплуатации);
- концепции запаса по предельным состояниям, согласно которой запас прочности определяется как отношение опасных для детали в целом нагрузок к фактическим нагрузкам.
При традиционном подходе в качестве разрушающего напряжения принимаются предел прочности, сопротивление отрыву, предел текучести, предел длительной прочности, предел выносливости, размах деформаций в цикле, вызывающий разрушение за заданное число циклов малоциклового нагружения, критическое значение коэффициента интенсивности напряжений (или некоторая эквивалентная величина при изменении режимов).
В случаях запасов по предельному состоянию в качестве разрушающей нагрузки используют разрушающее число оборотов, предельное состояние приспособляемости при прогрессирующем деформировании.
Нормативный запас прочности должен перекрывать “ошибки” в определении значений как числителя, так и знаменателя. Такие “ошибки” определяются недостаточностью наших знаний о характеристиках материала, используемого для изготовления детали, неточностью определения напряженного состояния детали из-за недостаточных сведений об условиях ее эксплуатации и допущений, использованных в принятой методике расчета, неточностью принятой модели разрушения детали (критериев прочности).
Допустимый запас прочности должен учитывать степень опасности разрушения. Выбор оптимального значения коэффициента запаса определяется и условиями данного производства, и особенностями работы смежников, и комплексом задач, возложенных на конструкцию, и “местным опытом”.
Распространение получили также статистические методы определения надежности конструкций и запасов прочности деталей.
В случае высокого уровня различных нагрузок, действующих на деталь, используют также понятие единого запаса прочности как коэффициента, на который должны быть умножены все виды нагрузок, чтобы сумма повреждений равнялась единице.
В настоящее время в России имеется целый ряд нормативных документов, содержащих величины запасов прочности разных деталей энергооборудования, которые должны быть обеспечены при проектировании изделия и при продлении назначенного ресурса его деталей. Наиболее совершенными являются системы “Норм прочности” для деталей авиадвигателей, деталей атомных реакторов и элементов паровых котлов и трубопроводов. По мере совершенствования методов расчета прочности, в частности внедрения расчетов с помощью метода конечных элементов, методов расчета в рамках теории приспособляемости, методик определения хрупкой прочности и оценок скорости роста трещин, а также получения новых экспериментальных данных и внедрения новых материалов и новых технологических процессов, “Нормы прочности” подвергаются пересмотру. Таким образом, существующая в РФ система нормирования запасов прочности постоянно совершенствуется, обеспечивая повышение надежности элементов конструкций. Следует также отметить, что в последнее время интенсифицировался обмен информацией с передовыми зарубежными странами, позволяющий производить пересмотр “Нормы прочности” с учетом зарубежного опыта.
При нормировании прочности конструкций следует предусматривать необходимость наличия определенных запасов, как для свойств материала, так и для параметров нагруженности конструкции. В обоих случаях существует вероятность использования недостоверных значений. Статистический подход к решению этой задачи рассматривался Биргером И.А. Однако отсутствие достаточно большого объема информации порой затрудняет его использование. Поэтому ниже рассматривается детерминированный подход к определению внешних нагрузок.
При рассмотрении прочности хрупких материалов анализ результатов требует использования распределения Вейбулла или Бат- дорфа и оценок по механизму слабого звена. Подробнее этот вопрос рассмотрен в энциклопедическом двухтомнике “Ceramic gas turbine design and test development, V 1. Progress in ceramic gas turbine development, ASME PRESS 2002.
Развитие и широкое распространение в расчетной практике проектирования турбинных конструкций коммерческих конечноэлементных пакетов позволило существенно уточнить напряженно-деформированное состояние (НДС) их деталей, и, соответственно поставило ряд вопросов, связанных с нормированием запасов прочности. Одним из таких вопросов является вопрос о возможности снижения величин коэффициентов запасов при более точном знании НДС конструкции. Снижение величин коэффициентов запаса приводит к снижению металлоемкости конструкции, что особенно важно для авиационных ГТД, однако приводит к увеличению риска появления дефектов во время эксплуатации.
Как было показано в главе 3 из-за неадекватной оценки местной прочности при эксплуатации турбин наблюдаются случаи повреждения их деталей. В качестве таких случаев можно в частности отнести: сетку трещин, обнаруживаемую на расточке роторов паровых турбин (возможно от имеющихся металлургических дефектов поковки) после длительной наработки; трещины на ободе дисков турбины, трещины термической усталости на кромках и спинке охлаждаемых рабочих и направляющих лопаток, в элементах камер сгорания ГТД и др.
Ниже рассматривается вариант решения задачи о методах нормирования местной прочности. При этом широко используется опыт нормирования запасов прочности не только в газотурбостроении, но и в реакторостроении, в том числе при проектировании отечественного и зарубежного оборудования и трубопроводов атомных энергоустановок. Основные принципы нормирования запасов местной прочности деталей ГТД, рассматриваемые в настоящем разделе, имеют обоснование, которое читатель может найти в ряде публикаций.
Достоверность оценки НДС при использовании МКЭ
МКЭ позволяют существенно упростить технологию выполнения расчетов и уточнить НДС в местах резкого изменения формы детали (местах концентрации напряжений). Для массивных теплоинерционных деталей горячей части энергетических установок (ЭУ) МКЭ позволяет уточнить напряженное состояние детали в процессе её прогрева. Часто МКЭ является единственным расчетным методом, позволяющим достаточно точно оценить НДС детали, и альтернативу ему могут составить только сложные экспериментальные методы типа фотоупругости. Однако использование метода требует высокой квалификации расчетчика, т. к. результаты расчетов существенно зависят от методов разбиений детали сеткой конечных элементов (КЭ) и выбора типа КЭ.
Повышение достоверности расчетов МКЭ может быть достигнуто путем тестирования расчетной схемы по результатам экспериментального исследования подобных конструкций с дальнейшей экстраполяцией на расчет конкретной детали. Оценка необходимой плотности КЭ сетки в местах концентрации напряжений может быть проведена путем выполнения нескольких расчетов с последовательным сгущением сетки до получения сходимости результатов.
Для описания свойств материала при определении НДС конструкций МКЭ в условиях вязко-упруго-пластичности обычно используется метод “среднее значение минус три средних квадратичных отклонений” или “среднее значение минус два средних квадратичных отклонений”. Однако в ряде случаев, например для деформаций ползучести, необходимо использовать “среднее значение плюс три средних квадратичных отклонений” или “среднее значение плюс два средних квадратичных отклонений”. Для облегчения адекватного использования имеющихся экспериментальных данных в дальнейшем в ряде случаев будем использовать достаточно распространенные представления о “верхней и нижней огибающей”.
Метод использования этих представлений основан на определении положения средней линии (50%-ная вероятность нормального распределения), учете расчетным способом зависимости прочностных параметров от температуры, времени, числа циклов или деформации и нахождения верхней и нижней огибающих, отвечающих вероятности 95 или 99 %. Однако в этом случае для авиационных ГТД в ряде случаев могут быть получены неоправданно высокие фактические запасы прочности. Поэтому для таких расчетов необходимо иметь в распоряжении достаточно представительные экспериментальные данные, позволяющие учитывать влияние температуры, времени, деформации и числа циклов в статистическом аспекте.
Сравнение результатов расчетов напряженно-деформированного состояния элементов конструкций, выполненный МКЭ и методами теории упругости на основе теорий оболочек или стержневых моделей показывает, что в местах, где нет резких изменений формы, результаты расчетов практически совпадают. В качестве примера на рис. 11.1 приведены результаты расчета НДС лопатки турбины, выполненные по теории закрученных стержней (см. таблицу) и МКЭ (см. рисунки). Как следует из приведенных данных, в средней части пера результаты расчета по обоим методам практически совпадают. Существенное различие наблюдается в местах концентрации напряжений около бандажной полки. Аналогичные выводы можно сделать и по результатам расчета дисков и тонких оболочек.
Таким образом, можно считать, что МКЭ существенно уточняют НДС в местах концентрации напряжений, а для массивных теплоинерционных деталей горячей части турбин при переменных режимах работы.