Емалетдинов А.К.   Талипов Р.Р.  

Моделирование эволюции структуры и долговечности металла ГТД при термомеханическом воздействии

Reporter: Емалетдинов А.К.

На эксплуатационные свойства металла лопаток ГТД большое влияние оказывает дислокационная структура. В процессе эксплуатации металл лопаток подвергается большим термомеханическим нагрузкам при различных режимах работы ГТД. При термомеханическом структуре металла происходят термоупругие деформации. В результате происходит эволюция дислокационной структуры, изменяющая механические свойства металла лопаток, и  возникают усталостные трещины, которые определяют долговечность лопаток ГТД.
Рассмотрена плоская модель деформационного состояния бесконечной пластины, которая подвергается циклическому нагреву и нагружению. Записана полная система уравнений в пластине, включающая уравнение теплопроводности, уравнение равновесия для термоупругих напряжений, кинетики дислокаций и микротрещин и граничные условия. Уравнение равновесия записывалось для эффективных напряжений, состоящих из термоупругих и внутренних напряжений, создаваемых плотностью дислокаций и микротрещин.  Скорость зарождения дислокаций и микротрещин описывается термофлуктационными источниками, плотность которых пропорциональна плотности дислокаций. Зарождение микротрещин происходит, когда плотность дислокаций превысит критическое значение. Задана начальная плотность дислокаций. Проведено численное исследование системы уравнений.
Проведено исследование длительной прочности шва при случайном термоциклическом воздействии с учетом деформационного старения металла. Записана полная система уравнений, описывающая  кинетику накопления повреждений и деформационного старения металла и включающая стохастическое уравнение для функции потери ресурса, повреждаемости, изменения структурных и механических свойств. Методом малого параметра и в приближении постоянства кумулянтов многомерной корреляционной функции потери ресурса, была получено уравнение для функции, плотности распределения вероятности функции потери ресурса, содержащее коэффициенты, зависящие от плотности распределения термоупругих напряжений, их среднего значения, дисперсии, структурных параметров: дислокаций, микротрещин и внутренних напряжений от дефектов. Проведено решение задачи для случая нормальной плотности распределения температурного воздействия методом приближений. В первом приближении действие случайного температурного воздействия уменьшает долговечность металла на величину, экспоненциально зависящую от средней величины термоупругих напряжений, дисперсии. Влияние изменения механических характеристик вследствие деформационного старения  структурных параметров: дислокаций, микротрещин и внутренних напряжений проявляется во втором порядке приближений. Оценки, проведенные численным моделированием задачи, показали, что снижение длительной прочности металла при случайном термоциклировании металла может достигать 20%. Таким образом, при разработке ТУ безопасной эксплуатации ГТД необходимо учитывать, как стохастическое термомеханические нагружения, так и деформационное старение металла лопаток.