Аннотация результатов, полученных в 2020 году
Целью проекта является формирование научно-методической базы и разработка новых подходов расчетно-экспериментального обоснования прочности и деформативности несущих конструкций высокорисковых объектов в штатных, поврежденных, аварийных и катастрофических ситуациях. Научные исследования и практические разработки соответствуют стратегии научно-технологического развития Российской Федерации (п. Н1) и критическим технологиям в сфере безопасности (п.1) и предупреждения чрезвычайных ситуаций (п. 21). Проект выполняется в 2020 – 2022 годах. Актуальность и научная новизна проекта связаны с тем, что при переходах высокорисковых объектов из штатных состояний в аварийные и катастрофические в наиболее опасных зонах несущих элементов возникают и развиваются упругие и упругопластические деформации экстремально широкого диапазона – от сотых долей процента до десятков процентов, существенно изменяющие расчетные схемы и расчетные параметры. В отчетном периоде в работах 2020 года основное внимание было уделено обобщению структуры расчетных и экспериментальных методов исследования процессов деформирования от начальных упругих к развитым упругопластическим деформациям при статическом нагружении до разрушения гладких образцов и образцов с концентрацией напряжений. С учетом широко применяемых методов основных расчетов на прочность и используемых коэффициентов запаса для штатных (нормальных) ситуаций номинальные условные упругие деформации составляют 0,05 ÷ 0,40%). В аварийных ситуациях они могут возрасти до 1,0 ÷ 1,5%, а в катастрофических – до 5 ÷ 15%. При этом в зонах конструктивной и технологической концентрации при теоретических коэффициентах концентрации в пределах 1,2 ÷ 1,5 локальные пластические деформации могут повышаться в 1,5 ÷ 20 раз, достигая критических разрушающих значений, когда несущие элементы переходят в пластическое состояние. На этой стадии реализации проекта были проанализированы возможности и метрологические параметры экспериментального измерения указанных выше диапазонов номинальных и локальных деформаций методами электротензометрии, фотоупругости, голографии, муара, прецизионных сеток, акустической эмиссии. Наиболее приемлемыми в эксперименте были приняты электромеханические тензометры, делительные сетки и риски с шагом 0,05 ÷ 0,2 мм, спекл-интерферометрия, системы акустической эмиссии. Базы измерения деформаций в опытах составляли от 0,05 до 50 мм. Испытания гладких цилиндрических и плоских образцов с концентрацией проводились на электромеханических и электрогидравлической установках с предельными усилиями 100 и 500 кН. Основными результатами исследований при однородном напряженном состоянии были диаграммы деформирования при статическом нагружении в условных и истинных напряжениях, степенные уравнения состояния, связывающие истинные напряжения и истинные деформации, определяющие параметры этих уравнений. Для зон концентрации были обоснованы унифицированные аналитические зависимости для коэффициентов концентрации локальных упругих и упругопластических деформаций широкого диапазона вплоть до разрушающих. Для первого – 2020 года и последующих 2021 – 2022 годов планов реализации проекта важное значение имела разработка методики и прототипа оптико-корреляционной установки и программного обеспечения измерения кинетики полей деформаций и остаточных напряжений в зонах концентрации и трещин. С целью расширения возможностей регистрирующих систем стандартных разрывных испытательных машин разработан специализированный модуль для измерения неоднородных полей деформаций (перемещений) на поверхности образцов. В данном модуле одновременно реализуются два бесконтактных высокоинформативных оптико-корреляционных метода – электронная (корреляционная) спекл-интерферометрия и корреляция цифровых изображений (с применением искусственных и лазерных спеклов). Дополнительно в нем предусмотрена возможность осуществления измерений методом цифровой спекл-интерферометрии по схеме фазовых шагов. Такой подход заметно увеличивает общий диапазон регистрируемых перемещений. Для проведения исследований высокоградиентных деформированных состояний (в зоне концентраторов) регистрация изображений в обоих методах может осуществляться с помощью цифрового микроскопа с варьируемой кратностью увеличения. Разработанные и систематизированные в отчетный период методы основных и поверочных расчетов прочности по деформационным критериям высокорисковых объектов в условиях статического нагружения для различных диапазонов деформаций, соответствующих штатным, аварийным и катастрофическим ситуациям, отвечают целям и задачам проекта. В их развитие на следующем этапе 2022 года основное внимание будет сосредоточено на изучении закономерностей образования и развития трещин вне зон и в зонах концентрации в том же широком диапазоне деформаций от начальных упругих до предельных пластических при окончательном разрушении. Для достижения целей отчетного периода и всего проекта была разработана программа непрерывных и ступенчатых нагружений гладких образцов и образцов с концентрацией напряжений с многопараметрическим измерением номинальных и локальных деформаций, когда в опасных зонах за счет пластических деформаций изменяются геометрия и размеры сечений, форма и параметры зон концентрации, поля локальных напряжений и деформаций. Полученные в экспериментах данные позволили обосновать унифицированные степенные уравнения состояния и модифицированные решения краевых задач для зон концентрации при переходе от стадии упругого к стадии развитого пластического деформирования. Результаты экспериментальных и расчетных исследований были доложены на Европейской конференции по разрушению (1 st Virtual Euroepan Conference on Fracture VECF1, 29 июня – 01 июля 2020 года) и опубликованы в 2020 году в трудах конференции и в журнальных статьях. Запланированные разработки отчетного периода выполнены в соответствии с проектом по объему и срокам.

Аннотация результатов, полученных в 2021 году
В развитие всех работ по проекту РНФ, направленных на формирование методологии расчетно-экспериментального определения характеристик прочности и деформативности в критических зонах в условиях переходов от штатных проектных состояний к поврежденным, аварийным и катастрофическим и с использованием результатов работ первого этапа 2020 г., была проведена систематизация методов расчетов и испытаний с учетом их возможностей адекватной оценки номинальных и локальных деформаций для всех стадий перехода от упругого деформирования до предельного упругопластического с полным разрушением. Это касалось анализа перехода от однородных линейных деформированных состояний к неоднородным и нелинейным, имеющим место в зонах относительно невысоких уровней конструктивной концентрации напряжений от 1 до 3÷5. На втором этапе работ 2021 г. деформационные подходы были распространены на случаи предельно высокой концентрации, возникающей у вершин трещин технологического и эксплуатационного происхождения, охватывающие как стадию возникновения, так и стадию развития трещин до полного разрушения несущего элемента при проектных, аварийных и катастрофических ситуациях. Трещины принципиально изменяют эффекты концентрации и объемность локального напряженного и деформированного состояния в их вершине с ростом деформаций в десятки и сотни раз для последовательного перехода штатных состояний в аварийные и катастрофические. В исследованиях изучены особенности перехода от исходных линейных зависимостей напряжений и деформаций для зон трещин, принятых в линейной механике разрушения для штатных состояний к существенно нелинейным и большим деформациям при аварийных и катастрофических состояниях в рамках нелинейной механики разрушения с учетом остаточных напряжений. С этой целью проведены: - оценка метрологических возможностей, традиционных и новых методов экспериментального анализа локальных деформаций в вершине возникающих и растущих трещин; - разработка системы определяющих уравнений и их параметров при деформировании научно обоснованных инженерных расчетов трещиностойкости в штатных, аварийных и катастрофических ситуациях. Возникновение упругопластических деформаций приводит к образованию остаточных напряжений в зонах концентрации и трещин. Разработана экспериментально-расчётная методика исследования двумерных высокоградиентых полей остаточных напряжений (ОН) в зонах структурной неоднородности на основе способа последовательно наращиваемой трещины в сочетании с высокочувствительным бесконтактным методом электронной цифровой спекл-интерферометрии (ЭСИ) для регистрации экспериментальной информации, включающая: - оборудование для регистрации полей тангенциальных перемещений в последовательно наращиваемых трещинах - индикаторах ОН; - интерактивную программу, реализующую методику определения коэффициентов интенсивности напряжений (КИН) в полуавтоматическом режиме (в среде Mathlab); - программу расчёта ОН на основе математической обработки экспериментально найденной зависимости КИН от длины последовательно наращиваемой трещины. Для сложных, в том числе вибрационных, случаев нагружения разработана программа сбора экспериментальной информации (ПСЭИ) виде полей компонент вектора амплитудных перемещений (характеризующих собственные формы колебаний), зарегистрированных оптико-интерференционными методами (ГИ - голографической интерферометрии или ЭСТ - электронной цифровой спекл-интерферометрии). ПСЭИ является интерактивной программой с графическим интерфейсом, созданная в среде MATLAB. Она позволяет загружать (отображать) цифровые фотографии (графические файлы); загружать результаты расчётов собственных форм колебаний, полученных на основе численного решения соответствующей задачи модального анализа с использованием ПК ANSYS; создавать файлы, содержащие необходимую экспериментальную информацию в форме, обеспечивающую возможность её дальнейшего использования в автоматическом режиме. Программа является интерактивной, где на 1-ом этапе обработки интерференционных картин выполняется нормирование абсолютных порядков интерференционных полос, соответствующих величинам корней функции Бесселя 1-го рода нулевого порядка. Для начальных стадий нагружения, сопряженных с микропластическими деформациями и образованием микро- мезотрещин в структурно неоднородных материалах, изучены возможности применения метода акустической эмиссии (АЭ) синхронно с цифровой микроскопии с целью контроля накопления повреждений на разных масштабных уровнях при испытаниях образцов из конструкционных сталей на разрыв для оценки их остаточной прочности в процессе нагружения. Испытания проводились на плоских образцах корсетного и дугообразного типов, которые в зоне диагностического контроля имели различные концентраторы напряжений, в том числе сварной шов с дефектом в виде усадочной трещины, центральное отверстие диаметром 5 мм, боковые надрезы, имитирующие начальные трещины с размерами 4-6 мм. В ходе проводимых исследований изучалось влияние перлитной, ферритно-перлитной, аустенитной и мартенситной структуры стальных образцов на причины возникновения и длительность непрерывной эмиссии на стадии упругопластического деформирования. Перед нагружением в зоне контроля образцы подвергались электрохимическому полированию и травлению, что позволяло на стадиях пластического деформирования визуально регистрировать процессы фрагментации зерен и блоков, возникновения полос скольжения, зарождения и развития микротрещин в зонах концентрации структурных неоднородностей, их слияния и образования макротрещин. В результате сопоставления поверхностей разрушения с синхронно регистрируемыми импульсами АЭ удалось устанавливать соответствие между размером поверхности микро, мезо и макро-повреждений в структуре материала и параметрами локационных импульсов. Полученные феноменологические зависимости позволили разработать алгоритм и программное обеспечение для селекции регистрируемых импульсов АЭ, на энергетические кластеры нижнего, среднего и верхнего уровня, соответствующие микро, мезо и макромасштабным разрушениям в структуре конструкционного материала. Для анализа сочетания процессов локального упругого и неупругого деформирования и роста наклонных трещин развиты методы испытаний и расчетов в рамках смешанных моделей I, II, III нелинейной механики разрушения. С учетом исходных разно-ориентированных дефектов типа поверхностных полуэллиптических трещин в упругопластической области нагружения, рассмотрено одновременное взаимодействие температурного фактора при охлаждении, поля остаточных напряжений и неоднородности локальных свойств в зоне сварки. Изучена кинетика изменения напряженно-деформированных состояний в процессе нагружения и роста трещин. Определяющими становятся переходы от коэффициентов интенсивности напряжений к коэффициентам интенсивности деформаций в зависимости от толщины, температуры, зоны сварного соединения, ориентации и размеров трещин. В ходе реализации проекта в 2021 г. получены следующие научные результаты: - сформирована общая структура методов и критериев линейной и нелинейной механики разрушения для оценки трещиностойкости высоконагруженных объектов. - проанализированы деформационные критерии образования трещин в зонах концентрации и вне зон концентрации напряжений для широкого диапазона номинальных и локальных напряженно-деформированных состояний. - проанализированы и развиты комбинированные методики и средства измерения малых и развитых локальных деформаций в вершине трещин. Сформированы основные параметры статической и циклической трещиностойкости для нештатных, аварийных и катастрофических ситуаций. - предложены и экспериментально апробированы характеристики кинетики активных и остаточных напряжений в зонах конструктивной концентрации и развивающихся трещин. -предложены и апробированы обобщенные расчетные диаграммы разрушения, связывающие нагрузки и рост трещины с учетом схем нагружения, уровня исходной дефектности и базовых механических свойств. - разработаны рекомендации по методам определения базовых параметров нелинейной механики разрушения. На основе обобщения работ 2021 года сформулированы основные положения, общая методология и расчетные уравнения для проведения уточненных оценок прочности и трещиностойкости несущих элементов ответственного оборудования на основе деформационных критериев разрушения, с использованием экспериментального, численного и аналитического методов нелинейной механики деформирования и разрушения.

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Работы по гранту в 2022 г. являются заключительными, обобщающими проведенное на предыдущих этапах комплексное расчетное и экспериментальное обоснование прочности, деформативности, трещиностойкости и живучести несущих элементов высокорисковых объектов для штатных (нормальных), поврежденных, аварийных и катастрофических ситуаций. Эти стадии были увязаны с обоснованием, выбором и развитием расчетных случаев и расчетных схем – для проектных, запроектных и гипотетических решений для последующего введения новых требований к расчетам и испытаниям в новой технике. В общую структуру методов расчетов и экспериментальных исследований положены принципы, критерии и определяющие выражения традиционной линейной механики разрушения (для расчетов прочности и ресурса в штатных состояниях) и развиваемой нелинейной механики деформирования и разрушения (для нештатных ситуаций). В дополнение к традиционным нормативным (детерминированным) расчетам конструкций по критериям прочности, ресурса, живучести, проведено развитие методов и средств испытаний в вероятностной постановке, включающих проведение статистических исследований с последующим анализом закономерностей рассеяния характеристик основных механических и циклических свойств при однородном напряжённом состоянии, а также характеристик малоцикловых трещин (долговечностей на стадиях образования трещин и их окончательного разрушения; скоростей роста трещин до разрушения). Основными результатами исследований и разработок стали новые и усовершенствованные знания и данные по условиям перехода высокорисковых объектов из штатных состояний в поврежденные, аварийные и катастрофические. Это относится к получению прямой расчетно-экспериментальной информации о фундаментальных закономерностях деформирования, повреждения и разрушения при экстремальных воздействиях различной природы и включает взаимоувязанные научно-методические подходы, критерии, определяющие уравнения и их параметры для обоснования прочности, ресурса, живучести и безопасности высокорисковых объектов гражданского и оборонного назначения с учетом возникновения переходов от штатных состояний к аварийным и катастрофическим. С учетом проведенных контрольных испытаний предложена и обоснована система взаимоувязанных определяющих выражений в статической, кинетической, динамической, изотермической, неизотермической, стационарной и нестационарной постановке. Для штатных состояний при проектных решениях преимущественное значение имеют решения линейных краевых задач с учетом упругого деформирования, а критериями разрушения являются силовые, которые линейно связаны с деформационными. Для переходных состояний по мере развития повреждений эти линейные подходы трансформируются в нелинейные (степенные уравнения обобщенных кривых деформирования при статическом, циклическом, длительном и динамическом нагружении). Эти уравнения и их параметры включены также в анализ кинетики локальных напряженных состояний в зонах концентрации при упругих и пластических деформациях для расчетов линейного суммирования нелинейных разнородных повреждений. Это стало базой для построения унифицированных расчетных схем, случаев и параметров при оценках прочности, ресурса, живучести и безопасности предельно широком диапазоне деформаций – от упругих до развитых пластических, превышающих упругие в 100 – 400 раз. Определены экспериментальные и метрологические возможности лабораторных, стендовых и натурных испытаний для получения параметров напряженно-деформированных и предельных состояний. Проверка этих подходов была осуществлена на контрольных испытаниях лабораторных образцов при отсутствии концентрации (гладкие образцы), при наличии концентрации ср теоритическими коэффициентами концентраций до 4,5 (образцы с надрезами) и при наличии предельно высокой концентрации напряжений (образцы с трещиной). В рамках проекта основным направлением развития экспериментальных методов и средств анализа напряжённо-деформированного состояния элементов конструкций и машин выбрано совершенствование оптико-цифровых методов, в первую очередь метода электронной цифровой спекл-интерферометрии (ЭЦСИ) и метода корреляции цифровых изображений (КЦИ), обеспечивающих возможность регистрации полей перемещений поверхности исследуемого объекта непосредственно в цифровом виде при высокой чувствительности и практически неограниченного объёма получаемой информации. Разработаны методика, программа и оборудование для экспериментально-расчётного исследования существенно неоднородных (вплоть до разрывных) полей остаточных в плоских деталях, включающая специализированный ЭСИ-интерферометр для регистрации деформационного отклика в виде полей тангенциальных перемещений поверхности исследуемого объекта, возникающих вследствие высверливания кругового отверстия-индикатора остаточных напряжений; а также специализированную программу (в среде Matlab) позволяющую поэтапно оценить объём необходимой экспериментальной информации и область её локализации и выполнить расчёт полей остаточных напряжений на основе математической обработки экспериментальных данных. Выполнены циклы работ по исследованию напряженно-деформированного состояния объектов с применением разработанного мобильного портативного спекл-интерферометра. В рамках тестового эксперимента продемонстрирована эффективность его использования в качестве особого средства в составе измерительной системы стандартной испытательной машины. Выполнены практические исследования распределений остаточных напряжений в статорных колоннах турбины ГЭС Ангарского каскада. Проведение подобного рода уникальных экспериментов – в полевых условиях повышенной сложности – с применением оптико-интерференционных средств измерений оказалось возможным исключительно благодаря надежной конструкции задействованного прибора.. Особе место в контрольных испытаниях поврежденных состояний было уделено методу акустической эмиссии (АЭ). Исследования проводились на металлических стальных образцах из основного металла и металла сварных соединений при наличии технологической концентрации локальных напряжений, имитирующей эффект технологических дефектов. На основе результатов расчетно-экспериментальных и численных исследований упругопластических процессов разрушения и деформационного критерия разрушения сформулированы основные положения и общая методология проведения уточняющего расчета прочности и живучести сварных соединений элементов ответственного оборудования. Даны определяющие зависимости трещиностойкости, как от температуры (в широком диапазоне от комнатной до криогенной), так и от толщины сварных соединений, исследуемых сталей в виде предельной функции разрушения. Проведены экспериментальные и расчётные исследования закономерностей потери устойчивости композитных пластин с дефектами в виде расслоений. Установлены взаимосвязи между геометрическими характеристиками дефектов и получаемыми деформационными откликами конструкции. Выполнено математическое моделирование механизмов перехода элементов конструкций с дефектами структуры материала из линейных проектных состояний в нелинейные поврежденные, аварийные и катастрофические состояния.