An Integrated Approach to the Optimization of Plates in Plane Stress State Operated at High Temperatures
Many critical elements of building and machine-building structures during their operation are in difficult operating conditions (high temperature, aggressive environment, etc.). In this case, they can be subject to a double effect: corrosion and material damage. Corrosion leads to a decrease in the...
Збережено в:
| Дата: | 2021 |
|---|---|
| Автор: | |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | English Russian |
| Опубліковано: |
Journal of Mechanical Engineering
2021
|
| Онлайн доступ: | https://journals.uran.ua/jme/article/view/240591 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Journal of Mechanical Engineering |
Репозитарії
Journal of Mechanical Engineering| id |
journalsuranuajme-article-240591 |
|---|---|
| record_format |
ojs |
| institution |
Journal of Mechanical Engineering |
| collection |
OJS |
| language |
English Russian |
| format |
Article |
| author |
Фридман, М. М. |
| spellingShingle |
Фридман, М. М. An Integrated Approach to the Optimization of Plates in Plane Stress State Operated at High Temperatures |
| author_facet |
Фридман, М. М. |
| author_sort |
Фридман, М. М. |
| title |
An Integrated Approach to the Optimization of Plates in Plane Stress State Operated at High Temperatures |
| title_short |
An Integrated Approach to the Optimization of Plates in Plane Stress State Operated at High Temperatures |
| title_full |
An Integrated Approach to the Optimization of Plates in Plane Stress State Operated at High Temperatures |
| title_fullStr |
An Integrated Approach to the Optimization of Plates in Plane Stress State Operated at High Temperatures |
| title_full_unstemmed |
An Integrated Approach to the Optimization of Plates in Plane Stress State Operated at High Temperatures |
| title_sort |
integrated approach to the optimization of plates in plane stress state operated at high temperatures |
| title_alt |
Комплексный подход при оптимизации пластин в плоском напряженном состоянии, эксплуатируемых в условиях высокой температуры Комплексний підхід при оптимізації пластин в плоскому напруженому стані, що експлуатуються в умовах високої температури |
| description |
Many critical elements of building and machine-building structures during their operation are in difficult operating conditions (high temperature, aggressive environment, etc.). In this case, they can be subject to a double effect: corrosion and material damage. Corrosion leads to a decrease in the cross-section of a structure, resulting in stress increase therein. In turn, damage to the material is accompanied by the appearance of microcracks and voids therein, due to inelastic deformation (creep), leading to a deterioration in its physical properties (for example, the elastic modulus) and a sharp decrease in the stress values at which the structure is destroyed. This article continues the study in the field of the optimal design of structures subject to the aforementioned double effect by the example of the optimization of plates with holes in the plane stress state, exposed to high temperatures (in previous works, the use of this approach was demonstrated in the optimization of the bending elements of rectangular and I-sections). Used as a corrosion equation is the modified Dolinsky mode, which takes into account the (additional) effect of the protective properties of an anticorrosive coating on the corrosion kinetics. Taken as a kinetic equation describing the change in material damage, is Yu. N. Rabotnov’s model, which enables to determine the duration of the incubation period of the beginning of the tangible process of material damage. To study the stress state of a plate, the finite element method is used. With a given contour of the plate, found is the optimal distribution of the thickness of the finite elements into which the given plate is divided. Acting as a constraint of the optimization problem is the parameter of damage to the plate material. The approach proposed in this work can be used to solve similar problems of the optimal design of structures operating under conditions of corrosion and material damage, using both analytical solutions and numerical methods. |
| publisher |
Journal of Mechanical Engineering |
| publishDate |
2021 |
| url |
https://journals.uran.ua/jme/article/view/240591 |
| work_keys_str_mv |
AT fridmanmm anintegratedapproachtotheoptimizationofplatesinplanestressstateoperatedathightemperatures AT fridmanmm kompleksnyjpodhodprioptimizaciiplastinvploskomnaprâžennomsostoâniiékspluatiruemyhvusloviâhvysokojtemperatury AT fridmanmm kompleksnijpídhídprioptimízacííplastinvploskomunapruženomustaníŝoekspluatuûtʹsâvumovahvisokoítemperaturi AT fridmanmm integratedapproachtotheoptimizationofplatesinplanestressstateoperatedathightemperatures |
| first_indexed |
2024-06-01T14:44:35Z |
| last_indexed |
2024-06-01T14:44:35Z |
| _version_ |
1800670361181749248 |
| spelling |
journalsuranuajme-article-2405912021-09-30T12:33:58Z An Integrated Approach to the Optimization of Plates in Plane Stress State Operated at High Temperatures Комплексный подход при оптимизации пластин в плоском напряженном состоянии, эксплуатируемых в условиях высокой температуры Комплексний підхід при оптимізації пластин в плоскому напруженому стані, що експлуатуються в умовах високої температури Фридман, М. М. Many critical elements of building and machine-building structures during their operation are in difficult operating conditions (high temperature, aggressive environment, etc.). In this case, they can be subject to a double effect: corrosion and material damage. Corrosion leads to a decrease in the cross-section of a structure, resulting in stress increase therein. In turn, damage to the material is accompanied by the appearance of microcracks and voids therein, due to inelastic deformation (creep), leading to a deterioration in its physical properties (for example, the elastic modulus) and a sharp decrease in the stress values at which the structure is destroyed. This article continues the study in the field of the optimal design of structures subject to the aforementioned double effect by the example of the optimization of plates with holes in the plane stress state, exposed to high temperatures (in previous works, the use of this approach was demonstrated in the optimization of the bending elements of rectangular and I-sections). Used as a corrosion equation is the modified Dolinsky mode, which takes into account the (additional) effect of the protective properties of an anticorrosive coating on the corrosion kinetics. Taken as a kinetic equation describing the change in material damage, is Yu. N. Rabotnov’s model, which enables to determine the duration of the incubation period of the beginning of the tangible process of material damage. To study the stress state of a plate, the finite element method is used. With a given contour of the plate, found is the optimal distribution of the thickness of the finite elements into which the given plate is divided. Acting as a constraint of the optimization problem is the parameter of damage to the plate material. The approach proposed in this work can be used to solve similar problems of the optimal design of structures operating under conditions of corrosion and material damage, using both analytical solutions and numerical methods. Многие ответственные элементы строительных и машиностроительных конструкций при своей эксплуатации находятся в сложных условиях работы (высокая температура, агрессивная среда и т.д.). В этом случае они могут быть подвержены двойному эффекту: коррозии и поврежденности материала. Коррозия приводит к уменьшению сечения конструкции, в результате чего в ней увеличиваются напряжения. В свою очередь поврежденность материала сопровождается появлением в нем микротрещин и пустот, в результате неупругой деформации (ползучести), что приводит к ухудшению его физических характеристик (например модуля упругости) и резкому снижению величин напряжений, при которых происходит разрушение конструкции. В данной статье продолжено исследование в области оптимального проектирования конструкций, подверженных вышеупомянутому двойному эффекту на примере оптимизации пластин с отверстиями, находящихся в плоском напряженном состоянии и подверженных высокой температуре (в предыдущих работах использование такого подхода было продемонстрировано при оптимизации изгибаемых элементов прямоугольного и двутаврового сечений). В качестве уравнения коррозии используется модифицированная модель Долинского, учитывающая влияние (дополнительное) защитных свойств антикоррозионного покрытия на кинетику коррозии. В качестве кинетического уравнения, описывающего изменение поврежденности материала, принимается модель Ю. Н. Работнова. Определяется продолжительность инкубационного периода начала ощутимого процесса поврежденности материала. Для исследования напряженного состояния пластины используется метод конечных элементов. При заданном контуре пластины находится оптимальное распределение толщины конечных элементов, на которые разбивается данная пластина. В качестве ограничения задачи оптимизации выступает параметр поврежденности материала пластины. Предложенный в работе подход может быть использован при решении аналогичных задач оптимального проектирования конструкций, работающих в условиях коррозии и поврежденности материала, с использованием как аналитических решений, так и численных методов. Багато відповідальних елементів будівельних і машинобудівних конструкцій під час своєї експлуатації перебувають в складних умовах роботи (висока температура, агресивне середовище і т.д.). У цьому випадку вони можуть бути схильними до подвійного ефекту: корозії і пошкодження матеріалу. Корозія призводить до зменшення перерізу конструкції, внаслідок чого в ній збільшуються напруження. У свою чергу пошкодженість матеріалу супроводжується появою в ньому мікротріщин і порожнеч, в результаті непружної деформації (повзучості), що призводить до погіршення його фізичних характеристик (наприклад модуля пружності) і різкого зниження величин напружень, за яких відбувається руйнування конструкції. У даній статті продовжено дослідження в області оптимального проектування конструкцій, схильних до подвійного ефекту: корозії і пошкодження матеріалу на прикладі оптимізації пластин з отворами, що знаходяться в плоскому напруженому стані і зазнають високої температури (в попередніх роботах використання такого підходу було продемонстровано при оптимізації згинальних елементів прямокутного і двотаврового перерізів). Як рівняння корозії використовується модифікована модель Долинського, що враховує вплив (додатковий) захисних властивостей антикорозійного покриття на кінетику корозії. Як кінетичне рівняння, що описує зміну пошкодження матеріалу, приймається модель Ю. М. Работнова і визначається тривалість інкубаційного періоду початку відчутного процесу пошкодження матеріалу. Для дослідження напруженого стану пластини використовується метод скінченних елементів. При заданому контурі пластини знаходиться оптимальний розподіл товщини скінченних елементів, на які розбивається дана пластина. Як обмеження задачі оптимізації виступає параметр пошкодження матеріалу пластини. Запропонований в роботі підхід може бути використаний при розв’язанні аналогічних задач оптимального проектування конструкцій, що працюють в умовах корозії і пошкодження матеріалу, з використанням як аналітичних розв’язків, так і числових методів. Journal of Mechanical Engineering Проблемы машиностроения Проблеми машинобудування 2021-09-30 Article Article application/pdf application/pdf https://journals.uran.ua/jme/article/view/240591 Journal of Mechanical Engineering; Vol. 24 No. 3 (2021): ; 52-60 Проблемы машиностроения; Том 24 № 3 (2021): ; 52-60 Проблеми машинобудування; Том 24 № 3 (2021): ; 52-60 2709-2992 2709-2984 en ru https://journals.uran.ua/jme/article/view/240591/238933 https://journals.uran.ua/jme/article/view/240591/238934 Copyright (c) 2021 М. М. Фридман http://creativecommons.org/licenses/by-nd/4.0 |