Разработка теоретических и экспериментальных основ метода акустоповрежденности для оценки прочности и долговечности элементов конструкций в процессе их изготовления и эксплуатации в условиях экстремальных термомеханических воздействий

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 18-19-00413

НазваниеРазработка теоретических и экспериментальных основ метода акустоповрежденности для оценки прочности и долговечности элементов конструкций в процессе их изготовления и эксплуатации в условиях экстремальных термомеханических воздействий

Руководитель Беляев Александр Константинович, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого" , г Санкт-Петербург

Конкурс №28 - Конкурс 2018 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-101 - Прочность, живучесть и разрушение материалов и конструкций

Ключевые слова Акустоупругость, акустопластичность, акустоповрежденность, акустическая анизотропия, усталость, долговечность, индуцированное водородом разрушение, анизотропная поврежденность, микроструктурная неоднородность, конечно-элементное моделирование, прогнозирование сроков эксплуатации, техническая диагностика

Код ГРНТИ52.13.05

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Разработка теоретических и экспериментальных основ методов неразрушающего акустического контроля для оценки прочности и долговечности элементов конструкций в процессе их изготовления и эксплуатации в условиях экстремальных термомеханических воздействий является важной, актуальной и современной проблемой при разработке новых материалов, разработке и эксплуатации деталей машин и конструкций в атомной и нефтегазовой промышленности, в авиации и на транспорте, а также в строительстве. В настоящий момент не существует количественных методов неразрушающего контроля микроповреждений и микродефектов, связанных с усталостью и накоплением критических для прочности концентраций водорода в деталях машин и конструкций. Ультразвуковая диагностика не обладает нужной разрешающей способностью. Она не обнаруживает микроповреждений, в том числе: вызванных усталостью металла, локальным изменением микроструктуры, локальным накоплением водорода, образованием микроскопических зон усталостного повреждения и наклепа. Все другие методы неразрушающего контроля, обладающие высокой разрешающей способностью (акустическая эмиссия, магнитострикционная, объемная рентгеновская томография), требуют тщательной калибровки результатов измерений на образах из того же материала и той же структуры, что и исследуемые. Это позволяет отнести их, скорее, к качественным методам технического контроля, чем к количественным. Предлагаемый метод акустоповрежденности рассматривает в качестве теоретического обоснования исследуемого эффекта акустической анизотропии влияние анизотропной поврежденности, вызванной микрорастрескиванием и дефектообразованием в поверхностном слое и в объеме материала, на упругие и пластические модули. Это влияние, более сильное, чем у нелинейной упругости, так как эффекты нелинейной упругости имеют второй порядок малости. Таким образом, метод акустоповрежденности основан на действии более грубых факторов, чем метод акустоупругости. Будут разрабатываться фундаментальные основы для методов оценки изменений микроструктуры, напряженного и деформированного состояния и прогнозирования ресурса на основе данных о фазовом сдвиге высокочастотных акустических волн различной поляризации для анализа поврежденности широкого класса материалов от металлов до нанокерамики, композитов и геоматериалов. Будут проведены исследования влияния на взаимный сдвиг фаз акустических волн зарождения и эволюции дефектов и повреждений, остаточных деформаций и напряжений, возникающих, как в результате пластических деформаций, так и в результате постепенного накопления повреждений при эксплуатации. Уникальность проекта заключается в том, что для обоснования метода технической диагностики будут использованы различные микро и мезомодели неупругого деформирования с учетом накопления повреждений, возможного роста трещин с учетом наличия зон неупругого состояния, ползучести и длительной прочности при термоциклировании. Одновременно будут проведены механические испытания, акустические исследования и измерения пространственно-энергетического распределения водорода. В результате выполнения проекта предлагается разработать фундаментальные основы и произвести верификацию нового метода неразрушающего контроля - метода акустоповрежденности материала. Этот метод предполагается сделать количественным в части диагностики и оценки влияния накопленных вследствие усталости пластической деформации, и водородной деградации повреждений на прочность металлов. Для этого планируется провести комплекс теоретических и экспериментальных исследований с использованием отечественных уникальных приборов ИН-5101А-00 и ИН-5101А-01 для измерения акустической анизотропии, отечественного, высокочувствительного промышленного анализатора водорода АВ-1, оборудования для проведения механических испытаний. Предлагаемый проект, является фундаментальным, находится на стыке технологий промышленного контроля и механики деформируемого твердого тела, позволит разработать новые уникальные методики измерений для разработки материалов с особыми свойствами, предупреждения аварий и катастроф, связанных с усталостью, пластическими деформациями, зарождением и ростом микротрещин, накоплением и перераспределением водорода в металлах.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Полянский А.М., Полянский В.А., Беляев А.К., Яковлев Ю.А. Relation of elastic properties, yield stress and ultimate strength of polycrystalline metals to their melting and evaporation parameters with account for nano and micro structure Acta Mechanica, Volume 229, Issue 12, pp. 4863–4873 (год публикации - 2018)
10.1007/s00707-018-2262-8

2. Семенов А.С., Полянский В.А., Штукин Л.В., Третьяков Д.А. Влияние поврежденности поверхностного слоя на акустическую анизотропию Прикладная механика и техническая физика, Tом 59, №6, C. 1-10 (год публикации - 2018)
10.15372/PMTF20180600

3. Беляев А.К., Полянский В.А., Порубов А.В. Nonlinear dynamics of hydrogen concentration in high-strength and high-entropy alloys Continuum Mechanics and Thermodynamics, P.1-10 (год публикации - 2018)
10.1007/s00161-018-0734-7

4. Беляев А.К., Грищенко А.И., Лобачев А.М., Полянский В.А., Третьяков Д.А. Discrete and continual approaches to the description of random microstructure of materials AIP Conference Proceedings (год публикации - 2018)

5. Галяутдинова А.Р., Третьяков Д.А. Эволюция угловых диаграмм акустической анизотропии при неупругом деформировании металлов Неделя науки СПбПУ: материалы научной конференции c международным участием. Институт прикладной математики и механики (год публикации - 2018)

6. Галяутдинова А.Р., Третьяков Д.А. Исследование акустической анизотропии при циклическом нагружении металлов методом угловых диаграмм Неделя науки СПбПУ: материалы научной конференции c международным участием. Институт прикладной математики и механики (год публикации - 2018)

7. Смирнов С.А., Галяутдинова А.Р., Матвиенко А.Н., Третьяков Д.А. Неразрушающий ультразвуковой контроль композитных конструкций из наноструктурированного карбида кремния Неделя науки СПбПУ: материалы научной конференции c международным участием. Институт прикладной математики и механики (год публикации - 2018)

8. Галяутдинова А.Р., Беляев А.К., Смирнов С.А., Третьяков Д.А. Неразрушающий контроль ответственных конструкций в атомной и термоядерной энергетике методом акустоповрежденности Актуальные проблемы прикладной математики, информатики и механики: сборник трудов Международной научно-технической конференции (год публикации - 2018)

9. Грищенко А.И., Семенов А.С., Смирнов С.А., Третьяков Д.А. Влияние системы поверхностных микротрещин на эффективные упругие свойства Актуальные проблемы прикладной математики, информатики и механики: сборник трудов Международной научно-технической конференции (год публикации - 2018)

10. Семенов А.С., Третьяков Д.А., Беляев А.К., Матвиенко А.Н., Полянский В.А. Акустическая анизотропия монокристаллических никелевых суперсплавов Актуальные проблемы прикладной математики, информатики и механики: сборник трудов Международной научно-технической конференции (год публикации - 2018)

11. Лобанов C.М., Семенов А.С. Конечно-элементное моделирование гистерезисного поведения бессвинцовых сегнетоэлектроупругих материалов с учетом тетрагональной, ромбоэдрической и орторомбической фаз Неделя науки СПбПУ: материалы научной конференции c международным участием. Институт прикладной математики и механики (год публикации - 2018)

12. Беляев А.К., Полянский А.М., Полянский В.А., Яковлев Ю.А. An approach to modeling structural materials with low hydrogen concentration Advanced Structured Materials. Dynamical Processes in Generalized Continua and Structures (collective monograph) (год публикации - 2019)

13. Гецов Л.Б., Семенов А.С., Грудинин А.Н., Рыбников А.И. Моды разрушения монокристаллических сплавов при термоциклическом нагружении Проблемы прочности (год публикации - 2018)

14. Семенов А.С., Грищенко А.И., Колотников М.Е., Гецов Л.Б. Конечно-элементный анализ термоциклической прочности лопаток газовых турбин. Часть 1. Модели материала, критерии разрушения, идентификация параметров Вестник уфимского государственного авиационного технического университета (год публикации - 2019)

15. Семенов А.С., Грищенко А.И., Колотников М.Е., Гецов Л.Б. Конечно-элементный анализ термоциклической прочности лопаток газовых турбин. Часть 2. Результаты расчетов Вестник уфимского государственного авиационного технического университета (год публикации - 2019)

16. Савиковский А.В., Семенов А.С., Гецов Л.Б. Thermo-electro-mechanical numerical modeling with an analytical approximation of coupled thermal fatigue failure process of corset samples from single-crystal nickel-based superalloys Materials Physics and Mechanics (год публикации - 2018)

17. Гецов Л.Б., Рыбников А.И., Мошников А.В., Семенов А.С., Антипин Н.А., Шлянников В.Н. Конечно-элементный анализ трещиностойкости колес центробежных компрессоров LXV научно-техническая сессия по проблемам газовых турбин и парогазовых установок “Фундаментальные проблемы исследований, разработок и реализации научных достижений в области газовых турбин в российской экономике”: сборник докладов, С.123-136 (год публикации - 2018)

18. Семенов А.С., Лобанов С.М. The simulation of rate-dependent behavior of ferroelectroelastic materials under cyclic loading Technical Physics, Vol. 63, No. 10, pp. 1479–1485 (год публикации - 2018)
10.1134/S1063784218100201

19. Семенов А.С., Лобанов С.М. Моделирование реономного поведения сегнетоэлектроупругих материалов при циклическом нагружении Журнал технической физики, том 88, вып. 10, с.1526-1532 (год публикации - 2018)
10.21883/JTF.2018.10.46496.2286

20. Альхименко А.А., Беляев А.К., Грищенко А.И., Семенов А.С., Третьяков Д.А., Полянский В.А., Яковлев Ю.А. Propagation of acoustic waves during the control of hydrogen-induced destruction of metals by the acoustoelastic effect Proceedings of the International Conference Days on Diffraction (DD), 2018, P.11-16 (год публикации - 2018)

21. Беляев А.К., Полянский В.А. Some approaches to harmonic wave propagation in elastic solids with random microstructure Proceedings of the International Conference Days on Diffraction (DD), 2018, P.38-43 (год публикации - 2018)

22. Лобанов С.М., Семенов А.С. Finite-element modeling of ferroelectric material behavior at morphotropic phase boundaries between tetragonal, rhombohedric and orthorhombic phases Journal of Physics: Conference Series, Vol.1236, pp. 012062-1 - 012062-6 (год публикации - 2019)
10.1088/1742-6596/1236/1/012062

23. Семенов А.С. Микромеханическая модель поликристаллического сегнетоэлектроупругого материала с учетом дефектов Прикладная механика и техническая физика, Том 60, №6, С. 1-19. (год публикации - 2019)
10.15372/PMTF20190600

24. Гецов Л.Б., Рыбников А.И., Мошников А.В., Семенов А.С., Антипин Н.А., Шлянников В.Н. Конечно-элементный анализ трещиностойкости колес центробежных компрессоров Газотурбинные технологии, № 1 (160), С. 38-46 (год публикации - 2019)

25. Беляев А.К. Дискретная и континуальная аналогия в распространении высокочастотной вибрации в сложных системах XII Всероссийский съезд по фундаментальным проблемам теоретической и прикладной механики: сборник трудов в 4 томах. Т. 1: Общая и прикладная механика, С.439-440 (год публикации - 2019)
10.22226/2410-3535-2019-congress-v1

26. Галяутдинова А.Р., Третьяков Д.А. Акустическая анизотропия на поздних стадиях пластического разрушения металлов Наука и инновации в технических университетах: материалы Тринадцатого Всероссийского форума студентов, аспирантов и молодых ученых, С.49-51 (год публикации - 2019)

27. Полянский В.А., Беляев А.К., Грищенко А.И., Лобачев А.М., Модестов В.С., Пивков А.В., Третьяков Д.А., Штукин Л.В., Семенов А.С., Яковлев Ю.А. Finite Element Simulation of Chessboard Strain Localization in View of Statistical Spreads in Polycrystal Grain Parameters Physical Mesomechanics, Vol. 22, No. 3, pp. 188-194 (год публикации - 2019)
10.1134/S1029959919030032

28. Семенов А.С., Полянский В.А., Штукин Л.В., Третьяков Д.А. Effect of Surface Layer Damage on Acoustic Anisotropy Journal of Applied Mechanics and Technical Physics, Vol. 59, No. 6, pp. 1136–1144 (год публикации - 2018)
10.1134/S0021894418060202

29. Смирнов С.А., Беляев А.К. Численное решение задачи распространения ультразвуковой волны, генерируемой пьезоэлектриком, в упругом материале Неделя науки СПбПУ: материалы научной конференции c международным участием. Институт прикладной математики и механики (год публикации - 2019)

30. Галяутдинова А.Р., Третьяков Д.А. Исследование монокристаллических никелевых сплавов после высокотемпературной ползучести посредством акустической анизотропии Актуальные проблемы прикладной математики, информатики и механики: сборник трудов Международной научно-технической конференции (год публикации - 2019)

31. Третьяков Д.А., Беляев А.К., Галяутдинова А.Р., Полянский В.А., Стрекаловская Д.А. Investigation of the Corrosion Process and Destruction of Metals by Using Acoustodamage Method E3S Web of Conferences, Vol. 121, pp.01017-1 – 01017-4 (год публикации - 2019)
10.1051/e3sconf/201912101017

32. Третьяков Д.А., Беляев А.К., Полянский В.А., Степанов А.В., Яковлев Ю.А. Correlation of Acoustoelasticity with Hydrogen Saturation during Destruction E3S Web of Conferences, Vol. 121, pp. 10106-1 – 01016-5 (год публикации - 2019)
10.1051/e3sconf/201912101016

33. Третьяков Д.А., Галяутдинова А.Р. Акустическая анизотропия при высокотемпературном усталостном нагружении монокристаллических сплавов Наука и инновации в технических университетах: материалы Тринадцатого Всероссийского форума студентов, аспирантов и молодых ученых, С.63-65 (год публикации - 2019)

34. Третьяков Д.А., Беляев А.К., Галяутдинова А.Р. Нелинейное поведение скоростей ультразвуковых волн и акустической анизотропии при пластическом деформировании металлов Материалы 31-ой Международной инновационной конференции молодых учёных и студентов по современным проблемам машиноведения МИКМУС-2019 (год публикации - 2019)

35. Третьяков Д.А., Беляев А.К., Галяутдинова А.Р., Полянский В.А., Семенов А.С. Акустическая анизотропия металлов при пластической деформации и накоплении поврежденности XII Всероссийский съезд по фундаментальным проблемам теоретической и прикладной механики: сборник трудов в 4 томах. Т. 3: Механика деформируемого твердого тела, C.806-808 (год публикации - 2019)
10.22226/2410-3535-2019-congress-v3

36. Галяутдинова А.Р., Третьяков Д.А. Диагностика кернов из нефтесодержащих пород методом акустоповрежденности Неделя науки СПбПУ: материалы научной конференции c международным участием. Институт прикладной математики и механики (год публикации - 2019)

37. Порубов А.В., Беляев А.К., Полянский В.А. Nonlinear modeling of dynamics of hydrogen concentration in alloys Communications in Nonlinear Science and Numerical Simulation, Volume 90, No.105402 (год публикации - 2020)
10.1016/j.cnsns.2020.105402

38. Третьяков Д.А., Беляев А.К. Surface effect of acoustic anisotropy during plastic deformation of metals AIP Conference Proceedings, Vol. 2176, pp. 020011-1–020011-4 (год публикации - 2019)
10.1063/1.5135123

39. Третьяков Д.А., Беляев А.К., Шапошников Н.О. Acoustic anisotropy and localization of plastic deformation in aluminum alloys Materials Today: Proceedings, Vol.30, Part 3, pp. 413-416 (год публикации - 2020)
10.1016/j.matpr.2019.12.387

40. Беляев А.К., Галяутдинова А.Р., Полянский В.А., Семенов А.С., Третьяков Д.А., Яковлев Ю.А. Acoustic Anisotropy and Hydrogen Concentrations during Thermomechanical Loading of Single-Crystal Nickel-Based Superalloys Advances in Hydrogen Embrittlement Study (Springer Nature, Cham, Switzerland) (год публикации - 2020)

41. Беляев А.К., Галяутдинова А.Р., Полянский В.А., Третьяков Д.А. Skin Effect of Acoustic Anisotropy and Dissolved Hydrogen in Metals Advances in Hydrogen Embrittlement Study (Springer Nature, Cham, Switzerland) (год публикации - 2020)

42. Беляев А.К., Галяутдинова А.Р., Третьяков Д.А. Acoustoelastic Effect during Plastic Deformation of Anisotropic Metals Lecture Notes in Mechanical Engineering (Springer Nature, Cham, Switzerland) (год публикации - 2020)

Публикации