Аннотация результатов, полученных в 2018 году
В результате трехмерного численного моделирования напряженно-деформированного состояния тел с трещинами определены классические параметры упругопластической механики разрушения ( J-интеграл, упругопластический коэффициент интенсивности напряжений и др.), а также перспективные параметры стеснения деформаций вдоль фронта трещин. Напряженно-деформированное состояние в окрестности вершины трещины упругопластического тела рассмотрено с позиций асимптотических трехчленных полей напряжений. В качестве параметров стеснения рассмотрены несингулярные Т-напряжения, А и А2 параметры, Q параметр, размер зоны пластической деформации у вершины трещины, ограниченный изолиниями эквивалентной пластической деформации. Аналитически и численно установлены корреляционные связи между исследованными параметрами стеснения деформаций у вершины трещины при маломасштабном и развитом пластическом течении у вершины трещины. Для реализации критериальных подходов двухпараметрической механики упругопластического разрушения применительно к проблемам управления ресурсом и живучестью поврежденных критически важных элементов технических систем как в условиях маломасштабного течения, так и развитого пластического течения, предлагается использовать теоретически обоснованный A параметр, основанный на асимптотическом трехчленном упругопластическом поле напряжений у вершины трещины. Разработан модернизированный вариант ПК, ориентированый на решение задачи оценки параметров нагруженности (напряжений) и деградации механических характеристик материала на основе математической обработки полей остаточных перемещений, возникающих при динамическом индентировании детали упругим сферическим индентором. Разработана программа (в ПК ANSYS и Mathlab, взаимодействующих в автоматическом режиме) для моделирования процесса упругопластического деформирования тела при решения обратной задачи (определения нагруженности или дефектности материала) в условиях статического или динамического индентировании детали, осуществляющая поэтапный контроль построения конечно-элементной модели, расчёт напряжённо-деформированного состояния, представление и сохранение полей деформационных откликов, а также позволяющая проводить процедуру «численного моделирования экспериментальных данных», когда величины деформационных откликов автоматически определяются на основе расчётов напряжённо-деформированного состояния. Выполнено совершенствование программного модуля формирования банка деформационных откликов, обеспечившее возможность выполнения и высокую автоматизацию процессов построения, обучения, и использования искусственной нейронной сети при решении задачи динамического индентирования. Проведено численное моделирование процесса динамического взаимодействия упругого стального индентора с элементами из упругопластических материалов (включая материалы, характеристики деформирования которых зависят от скорости нагружения) для типовых объектов (полупространство, пластина). При этом рассмотрены как линейно упрочняющиеся материалы, так и также материалы, характеристики деформирования которых зависят от скорости деформирования и описываются моделями Купера-Саймонда и Джонсона-Кука. На основе сопоставления результатов для ненагруженного и нагруженного полупространства установлено, что при наличии начальных напряжений (растягивающих) величины максимальных остаточных перемещений существенно меньше, чем при их отсутствии. На основе структурно-феноменологической концепции с применением акустико-эмиссионной диагностики разработана методика раннего выявления повреждений и оценки степени деградации структуры конструкционного материала на микро, мезо и макромасштабном уровне, позволяющая в ходе АЭ мониторинга в режиме реального времени идентифицировать основные источники разрушения элементов структурных связей, относящихся к нижнему (Н), среднему (С) и верхнему (В) энергетическим кластерам. Разработан алгоритм и программный продукт распознавания источников локационных импульсов на основании выбранных критериальных параметров, характеризующих относительную энергию сигнала, форму акустической волны и спектральное распределение плотности энергии в полосе пропускания цифрового фильтра АЭ системы. Проанализировано влияние малоцикловой усталости на эволюцию параметров механики разрушения. Для оценки раскрытия в вершине трещины, коэффициента интенсивности напряжений и Т-напряжения при увеличении узкого выреза, моделирующего трещину и исходящую из отверстий, при постоянной внешней нагрузке, используются измерения локального перемещения на поверхности образца с помощью электронной спекл-интерферометрии. Исходные экспериментальные данные представлены в виде компоненты перемещения, измеренные в окрестности вершины трещины. Переход от компонентов перемещения к значениям коэффициента интенсивности напряжений и T-напряжений основан на модифицированной версии метода наращивания трещины. В общем случае предварительная малоцикловая усталость, а, именно, размах напряжений и коэффициент асимметрии цикла нагружения, а также длина трещины оказывают сильное влияние на параметры механики разрушения. Эти данные позволяют построить зависимости параметров механики разрушения для трещин фиксированной длины от числа циклов предварительного нагружения, которые отражают процесс накопления усталостных повреждений. Результаты демонстрируют интенсификацию процесса накопления усталостных повреждений при достижении 50% общей долговечности. Также показано, что этот параметр не зависит от величины коэффициента асимметрии цикла нагружения.

Аннотация результатов, полученных в 2019 году
В рамках двухпараметрической модели упругопластической механики разрушения, основанной на J-A подходе, сформулированы условия предельного и допустимого состояний упругопластической трещины с учетом научно обоснованного параметра A стеснения деформаций в вершине трещины. Допустимое состояние обосновано посредством введения в уравнение состояния тела с трещиной коэффициента запаса по трещиностокости (J-интегралу). Допустимое значение J-интеграла соответствовует значению параметра A локального стеснения деформаций в вершине трещины, обеспечивая тем самым безопасное состояние конструкции при наличии трещины. С применением модернизированного ПК проведены расчёты серии тестовых обратных задач об определении параметров состояния (нагруженности и деформационных характеристиках материалов) исследуемых объектов путём математической обработки полей остаточных перемещений, обусловленных динамическим взаимодействием объектов с упругим сферическим индентором. На основе анализа полученных результатов установлено влияние скорости индентора, точности, зоны локализации экспериментальной информации, а также её типа (нормальные, тангенциальные компоненты вектора перемещений) на погрешность определения искомых параметров. С учётом полученных результатов установлены оптимальные параметры проведения экспериментально-расчётных исследований объектов различного типа применительно к решению задач: оценки деградации механических характеристик материала на основе математической обработки полей остаточных перемещений, полученных на основе динамического индентирования; начальных (остаточных) или активных напряжений, имеющих место на поверхности исследуемого объекта. Разработана методика, реализованная в соответствующей программе для определения искомых параметров (нагруженности объекта и характеристики деформирования материалов) в случае, когда, вследствие изменения микрорельефа в центральной части контактной зоны, погрешность исходной информации в некоторой области весьма значительна (или практически не может быть получена). На основе расчёта серии соответствующих задач, проведены оценки точности результатов и разработаны рекомендации по проведению исследований. Выполнено теоретическое обоснование оценки степени деградации структуры конструкционного материала и прогнозирования остаточной прочности изделия с применением весовых и частотных критериальных параметров, а также их пороговых соотношений, позволяющих определять влияние накопленных повреждений на несущую способность конструкции на любом этапе эксплуатации. Разработан алгоритм и программное обеспечение, позволяющее в режиме реального времени в процессе АЭ мониторинга регистрировать динамику изменения весовых и частотных критериальных параметров, сравнивая их с пороговыми соотношениями соответствующих критериальных параметров, характерных для предельного состояния диагностируемого изделия в условиях действия эксплуатационных или стендовых режимов нагружения и применяемых настроек АЭ системы. Изучено влияние настроек АЭ системы, в частности порога дискриминации сигналов и полосы пропускания цифровых фильтров на весовые и частотные критериальные параметры, а также пороговые их соотношения с целью оценки степени деградации материала и прогнозировании остаточной прочности изделия. Проведены тестовые испытания комплексной методики использования весовых и частотных параметров регистрации локационных импульсов при АЭ мониторинге конструктивно подобных образцов, изготовленных из современных конструкционных материалов, в том числе полимерных композитных материалов (ПКМ) со слоистой, ячеистой и комбинированной структурой, для оценки динамики изменения степени деградации структуры материала и прогнозе остаточной прочности (потере устойчивости) в условиях их статических и циклических испытаний на разрушение от действия растягивающих, сжимающих и изгибных нагрузок. Изучены возможности повышения точности локации координат источников АЭ событий в конструкциях из ПКМ на основании статистической обработки значений разности времени прихода импульсов АЭ на преобразователи локационной решетки, а, следовательно, достоверности оценки степени деградации структуры конструкционного материала и прогнозирования остаточной прочности изделия в процессе АЭ мониторинга. Проведено сравнение величин раскрытия трещины, коэффициентов интенсивности напряжений и T-напряжений для трещин, исходящих от исходного и упрочненного отверстий в образцах одинаковой геометрии для одинаковых параметров предварительного малоциклового нагружения. Получены зависимости, описывающие эволюцию остаточных напряжений в окрестности упрочненного отверстия при циклическом нагружении. Установлены зависимости деформационных (раскрытие трещины) и силовых (КИН и T-напряжения) параметров механики разрушения от количества циклов предварительного нагружения с различными параметрами, которые количественно описывают влияние амплитуды и коэффициента асимметрии цикла нагружения на процесс накопления усталостных повреждений в высокоградиентном поле деформаций при совместном воздействии внешних и остаточных напряжений.

Аннотация результатов, полученных в 2020 году
Сформулированы принципы создания комплексной системы управления ресурсом и живучестью поврежденных критически важных элементов на основе разработанных в рамках проекта теоретико-экспериментальных моделей кинетики повреждений и разрушения, графического критерия двухпараметрической упругопластической механики разрушения, анализа нагруженности критически важных элементов конструкций, а также кластерного анализа регистрируемых массивов импульсов акустической эмиссии, отражающих кинетику повреждений и разрушения на микро-, мезо- и макромасштабном уровне. Разработаны фундаментальные модели и методы многокритериального связного анализа, обеспечения и управления ресурсом машин и конструкций с позиций современной механики разрушения и мониторинга. Рассмотрена иерархия методов анализа и управления ресурсом. В качестве составных частей ресурса рассмотрены трещиностойкость и живучесть. Предложены инженерно-технологические и материаловедческие методы управления ресурсом. В рамках настоящего этапа проекта уделено внимание созданию интеллектуальных технических систем на основе современных многостадийных моделей и критериев механики разрушения и живучести, физико-математического и имитационного моделирования, мониторинга и диагностики напряженно-деформированного состояния, повреждений и дефектности материалов в реальном режиме времени. Разработана методика оценки параметров индентирования в окрестности вершины трещины, обеспечивающих существенное уменьшение скорости роста усталостных трещин и изменение ее траектории в пространственных элементах конструкций в зависимости от геометрии и механических характеристик материала элемента конструкции, типа и размеров трещин. Разработаны рекомендации по созданию универсального оборудования (а также требования к существующему оборудованию) для динамического индентирования натурных объектов с целью оценки нагруженности материала, включая выбор типа динамического индентора, формулировку требований к характеристикам специализированной аппаратуры для регистрации полей остаточных перемещений, программу для представления результатов цифровой регистрации данных эксперимента в виде, удобном для последующей математической обработки. Проведена модернизация специализированного ЭЦСИ-интерферометра для регистрации полей остаточных перемещений, обусловленных динамическим индентированием. Исследована нагруженность материала лабораторных образцов. Расчёт параметров нагруженности проведен посредством разработанной методики и использования конечно-элементного моделирования. Проведены комплексные исследования кинетики повреждений и разрушения структуры ПКМ на микро-, мезо- и макромасштабном уровне в процессе деформирования однонаправленного ламината с применением цифровых высокоскоростных видеокамер и отражательного микроскопа, синхронизированного с системой АЭ мониторинга. Изучена эволюция разрушения структуры ламината посредством сопоставления видеоизображений на разных стадиях разрушения ламината с регистрируемыми при этом импульсами АЭ событий в кластерах нижнего, среднего и верхнего энергетического уровня, их энергетическими и временными характеристиками, а также динамикой изменения весовых и частотных критериальных параметров в кластерах. Идентифицирована природа основных источников АЭ событий, регистрируемых на стадиях разрушения структуры ламината на микро-, мезо- и макромасштабном уровне, на основе анализа их энергетических и временных параметров, форм волн и спектров локационных импульсов, а также сопоставления текущих значений на графиках критериальных параметров при изменении тренда накопления повреждений в точках структурной бифуркации с синхронно регистрируемыми кадрами разрушения ламината. Посредством анализа спектров сигналов АЭ событий определены кластеры частот основных типов регистрируемых импульсов на стадиях деформирования ламината. В результате проведенных исследований повышена информативность проводимого АЭ мониторинга элементов конструкций, имеющих различные формы вырезов. Посредством численного моделирования получены особенности распространения упругих волн в диагностируемых изделиях. Верификация результатов осуществлена с помощью генерации АЭ импульсов и их регистрации перед и за конструктивными особенностями (вырезами), а также посредством сопоставления получаемых форм волн, энергетических и временных параметров с их модельными значениями. Представлен явный вид функции, которая характеризует процесс накопления малоцикловых повреждений в регулярных зонах напряжений плоских образцов без влияния остаточных напряжений. Данная функция получена на основе количественного анализа величин площадей, лежащих под кривыми зависимостей коэффициентов интенсивности напряжений от количества циклов нагружения для второго и третьего надрезов, считая от контура отверстия. Функция, которая описывает процесс накопления повреждений в нерегулярной зоне, прилегающей к контуру отверстия, получена в 2019 году. Наличие этих двух функций, а также набор зависимостей раскрытия в вершине надреза и T-напряжений от количества циклов нагружения в малоцикловом диапазоне, является необходимым звеном для формулировки и верификации двухпараметрических критериев разрушения для трещин в нерегулярном поле напряжений без учета влияния остаточных напряжений. Обоснован явный вид функции, которая характеризует процесс накопления малоцикловых повреждений в окрестности упрочненных отверстий с учетом влияния остаточных напряжений. На основе такой функции, а также набора зависимостей величин раскрытия в вершине надреза и T-напряжений для надрезов различной длины от количества циклов нагружения в малоцикловом диапазоне, разработаны научно обоснованные подходы, необходимые для формулировки и верификации двухпараметрических критериев разрушения для трещин в нерегулярном поле напряжений с учетом влияния остаточных напряжений. Получены зависимости, которые описывают влияние коэффициента асимметрии цикла на релаксацию остаточных деформаций и напряжений в окрестности упрочненного отверстия при малоцикловом нагружении. Такая информация необходима для оценки вклада остаточных напряжений в процесс накопления повреждений в зоне концентрации напряжений и выбор оптимальной величины натяга, используемого при упрочнении отверстия.