Численно-аналитический метод исследования характеристик ползучести и длительной прочности многослойной оболочки

Рассмотрена задача расчета напряженно-деформированного состояния, ползучести и длительной прочности многослойных пологих оболочек средней толщины произвольной формы в плане. Вариационная постановка выполнена в рамках уточненной теории оболочек. Разработан метод решения нелинейной начально-краевой за...

Full description

Saved in:
Bibliographic Details
Published in:Проблемы прочности
Date:2017
Main Author: Склепус, С.Н.
Format: Article
Language:Russian
Published: Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України 2017
Subjects:
Online Access:https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/173633
Tags: Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
Journal Title:Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Cite this:Численно-аналитический метод исследования характеристик ползучести и длительной прочности многослойной оболочки / С.Н. Склепус // Проблемы прочности. — 2017. — № 2. — С. 123-131. — Бібліогр.: 12 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
_version_ 1859975561569370112
author Склепус, С.Н.
author_facet Склепус, С.Н.
citation_txt Численно-аналитический метод исследования характеристик ползучести и длительной прочности многослойной оболочки / С.Н. Склепус // Проблемы прочности. — 2017. — № 2. — С. 123-131. — Бібліогр.: 12 назв. — рос.
collection DSpace DC
container_title Проблемы прочности
description Рассмотрена задача расчета напряженно-деформированного состояния, ползучести и длительной прочности многослойных пологих оболочек средней толщины произвольной формы в плане. Вариационная постановка выполнена в рамках уточненной теории оболочек. Разработан метод решения нелинейной начально-краевой задачи ползучести, базирующийся на совмещении методов R-функций, Ритца и Рунге-Кутта–Мерсона. Приведен пример расчета ползучести и длительной прочности двухслойной цилиндрической оболочки, моделирующей термобарьерное покрытие. Розглянуто задачу розрахунку напружено-деформованого стану, повзучості та тривало ї міцності багатошарових пологих оболонок середньої товщини довільної форми в плані. Варіаційну постановку виконано в рамках уточненої теорії оболонок. Розроблено метод розв’язку нелінійної початково-крайової задачі повзучості, який базується на поєднанні методів R-функцій, Рітца та Рунге-Кутта–Мерсона. Наведено приклад розрахунку повзучості та тривалої міцності двошарової циліндричної оболонки, що моделює термобар’єрне покриття The problem of stress-strain state creep and sustained strength computations for multilayer shallow shells of medium thickness, free form in plan was discussed. The variational statement is done within the refined theory of shells. The solution method for the nonlinear initial boundary creep problem based on combining the R-functions’, the Rietz, and the Runge-Kutta–Merson methods was developed. An example of creep and sustained strength calculation is given for a two-layer cylindrical shell simulating the thermal barrier coating.
first_indexed 2025-12-07T16:23:21Z
format Article
fulltext ÓÄÊ 539.3 ×èñëåííî-àíàëèòè÷åñêèé ìåòîä èññëåäîâàíèÿ õàðàêòåðèñòèê ïîëçó÷åñòè è äëèòåëüíîé ïðî÷íîñòè ìíîãîñëîéíîé îáîëî÷êè Ñ. Í. Ñêëåïóñ Èíñòèòóò ïðîáëåì ìàøèíîñòðîåíèÿ èì. À. Í. Ïîäãîðíîãî ÍÀÍ Óêðàèíû, Õàðüêîâ, Óêðàèíà ssklepus@rambler.ru Ðàññìîòðåíà çàäà÷à ðàñ÷åòà íàïðÿæåííî-äåôîðìèðîâàííîãî ñîñòîÿíèÿ, ïîëçó÷åñòè è äëè- òåëüíîé ïðî÷íîñòè ìíîãîñëîéíûõ ïîëîãèõ îáîëî÷åê ñðåäíåé òîëùèíû ïðîèçâîëüíîé ôîðìû â ïëàíå. Âàðèàöèîííàÿ ïîñòàíîâêà âûïîëíåíà â ðàìêàõ óòî÷íåííîé òåîðèè îáîëî÷åê. Ðàçðà- áîòàí ìåòîä ðåøåíèÿ íåëèíåéíîé íà÷àëüíî-êðàåâîé çàäà÷è ïîëçó÷åñòè, áàçèðóþùèéñÿ íà ñîâìåùåíèè ìåòîäîâ R-ôóíêöèé, Ðèòöà è Ðóíãå-Êóòòà–Ìåðñîíà. Ïðèâåäåí ïðèìåð ðàñ÷åòà ïîëçó÷åñòè è äëèòåëüíîé ïðî÷íîñòè äâóõñëîéíîé öèëèíäðè÷åñêîé îáîëî÷êè, ìîäåëèðóþùåé òåðìîáàðüåðíîå ïîêðûòèå. Êëþ÷åâûå ñëîâà: ìíîãîñëîéíàÿ îáîëî÷êà, òåðìîáàðüåðíîå ïîêðûòèå, ïîëçó÷åñòü, äëèòåëüíàÿ ïðî÷íîñòü, ìåòîä R-ôóíêöèé. Ââåäåíèå. Ìíîãîñëîéíûå êîíñòðóêöèè øèðîêî ïðèìåíÿþòñÿ â ñîâðåìåííîé òåõíèêå – àâèàöèè, ðàêåòîñòðîåíèè, õèìè÷åñêîì ìàøèíîñòðîåíèè è äð. Ïðè ïðîåêòè- ðîâàíèè ñëîèñòûõ êîíñòðóêöèé ÷àñòî ïðèõîäèòñÿ ðåøàòü çàäà÷ó äëèòåëüíîé ïðî÷- íîñòè, â òîì ÷èñëå çàäà÷ó âûñîêîòåìïåðàòóðíîé ïîëçó÷åñòè. Çàäà÷è íåëèíåéíîãî äåôîðìèðîâàíèÿ ìíîãîñëîéíûõ êîíñòðóêöèé, â ÷àñòíîñòè çàäà÷è ïîëçó÷åñòè, èññëå- äîâàíû íåäîñòàòî÷íî. Ýòî ñâÿçàíî íå òîëüêî ñ ìàòåìàòè÷åñêèìè òðóäíîñòÿìè ðåøå- íèÿ íåëèíåéíûõ íà÷àëüíî-êðàåâûõ çàäà÷ äëÿ ìíîãîñëîéíûõ ñèñòåì, íî è âî ìíîãèõ ñëó÷àÿõ ñ îòñóòñòâèåì èíôîðìàöèè î ïîâåäåíèè â óñëîâèÿõ ïîëçó÷åñòè ñîâðåìåííûõ êîíñòðóêöèîííûõ ìàòåðèàëîâ, èç êîòîðûõ ñîñòîÿò ñëîè ìíîãîñëîéíîé îáîëî÷êè. Áîëüøîé ïðàêòè÷åñêèé èíòåðåñ ïðåäñòàâëÿåò ïðîáëåìà îáåñïå÷åíèÿ íåîáõîäèìîé ïðî÷íîñòè òåðìîáàðüåðíûõ ïîêðûòèé (thermal barrier coating – TBC) ëîïàòîê ãàçî- òóðáèííûõ äâèãàòåëåé. Êàê ïðàâèëî, ÒÂÑ ñîñòîèò èç ñëîÿ ïîðèñòîãî êåðàìè÷åñêîãî ïîêðûòèÿ èç îêñèäà öèðêîíèÿ, ñòàáèëèçèðîâàííîãî îêñèäîì èòòðèÿ (YSZ), è ñëîÿ èç íèêåëåâîãî æàðîïðî÷íîãî ñïëàâà. Ðàçëè÷íûì àñïåêòàì èññëåäîâàíèÿ ïðî÷íîñòè ÒÂÑ ïîñâÿùåíû ìíîãèå ðàáîòû, íàïðèìåð [1–7] è äð.  òî æå âðåìÿ âîïðîñû, ñâÿçàííûå ñ äåôîðìèðîâàíèåì è ïðî÷íîñòüþ ÒÂÑ â óñëîâèÿõ ïîëçó÷åñòè, îñâåùåíû íåäîñòà- òî÷íî. Öåëü ðàáîòû çàêëþ÷àåòñÿ â ðàçðàáîòêå ìåòîäà ðàñ÷åòà íàïðÿæåííî-äåôîðìèðî- âàííîãî ñîñòîÿíèÿ (ÍÄÑ), âûñîêîòåìïåðàòóðíîé ïîëçó÷åñòè è äëèòåëüíîé ïðî÷íîñòè ìíîãîñëîéíûõ ïîëîãèõ îáîëî÷åê ïðîèçâîëüíîé ôîðìû â ïëàíå, à òàêæå èññëåäîâàíèè êà÷åñòâåííûõ è êîëè÷åñòâåííûõ çàêîíîìåðíîñòåé äåôîðìèðîâàíèÿ òåðìîáàðüåðíûõ ïîêðûòèé â óñëîâèÿõ ïîëçó÷åñòè íà ïðèìåðå ðàñ÷åòà äâóõñëîéíîé îáîëî÷êè. Ïîñòàíîâêà çàäà÷è. Ìåòîä ðåøåíèÿ. Ðàññìîòðèì â äåêàðòîâîé ñèñòåìå êîîð- äèíàò 0 1 2x x z ìíîãîñëîéíóþ èçîòðîïíóþ ïîëîãóþ îáîëî÷êó ïîñòîÿííîé òîëùèíû h ïðîèçâîëüíîé ôîðìû â ïëàíå �. Êîëè÷åñòâî ñëîåâ ðàâíî m. Ïîëàãàåì, ÷òî îòðûâà è ïðîñêàëüçûâàíèÿ ìåæäó ñëîÿìè íåò. Îáîëî÷êà íàõîäèòñÿ ïîä äåéñòâèåì ïîïåðå÷- íîé íàãðóçêè q q x x tz z� ( , , ),1 2 íîðìàëüíûõ è êàñàòåëüíûõ êîíòóðíûõ íàãðóçîê P x x tn 0 1 2( , , ), P x x t � 0 1 2( , , ), ïðèëîæåííûõ íà ÷àñòè êîíòóðà �� p , à òàêæå òåìïåðà- òóðíîãî ïîëÿ T T x x z t� ( , , , )1 2 . Íà îñòàâøåéñÿ ÷àñòè êîíòóðà ��u çàäàíû óñëîâèÿ çàêðåïëåíèÿ. © Ñ. Í. ÑÊËÅÏÓÑ, 2017 ISSN 0556-171X. Ïðîáëåìû ïðî÷íîñòè, 2017, ¹ 2 123 Äëÿ ïîñòàíîâêè çàäà÷è áóäåì èñïîëüçîâàòü óòî÷íåííóþ òåîðèþ îáîëî÷åê, ó÷è- òûâàþùóþ íåëèíåéíîå ðàñïðåäåëåíèå ïîïåðå÷íûõ êàñàòåëüíûõ íàïðÿæåíèé � i 3 ( , )i�1 2 ïî òîëùèíå [8]. Îñíîâíûå ãèïîòåçû óòî÷íåííîé òåîðèè çàïèñûâàþòñÿ ñëå- äóþùèì îáðàçîì: � �i i iG z f z x x t3 3 1 2� �( ) ( ) ( , , ); � 33 0� ; � � 33 3 3 3 0� � � v z v , ; v x x z t w x x t3 1 2 1 2( , , , ) ( , , ).� Çäåñü � i x x t( , , ),1 2 i�1 2, – èñêîìûå ôóíêöèè ñäâèãà; f z B z C z D zk k k( )� 3 2 Ek , k m�1, – ôóíêöèÿ ðàñïðåäåëåíèÿ ïîïåðå÷íûõ êàñàòåëüíûõ íàïðÿæåíèé ïî òîëùèíå, êîýôôèöèåíòû êîòîðîé çàâèñÿò îò íîìåðà ñëîÿ è ó÷èòûâàþò èçìåíåíèå óïðóãèõ õàðàêòåðèñòèê ïî âñåé òîëùèíå ìíîãîñëîéíîãî ïàêåòà. Êîìïîíåíòû òåíçîðà ñêîðîñòåé ïîëíûõ äåôîðìàöèé ïðåäñòàâèì â âèäå ñóììû ñêîðîñòåé óïðóãèõ � kl e è òåìïåðàòóðíûõ � kl T äåôîðìàöèé, à òàêæå ñêîðîñòåé íåîáðà- òèìûõ äåôîðìàöèé ïîëçó÷åñòè �pkl : � � � � , kl kl e kl T klp� k l, , ,�1 3 ãäå òî÷êà íàä ñèìâîëàìè îáîçíà÷àåò ïîëíóþ ïðîèçâîäíóþ ïî âðåìåíè t. Òåìïåðàòóðíûå äåôîðìàöèè âû÷èñëÿþòñÿ ïî ôîðìóëå � �kl T klT T� ( ) ,0 ãäå � – êîýôôèöèåíò ëèíåéíîãî òåìïåðàòóðíîãî ðàñøèðåíèÿ, � �� ( , );z T T0 – òåìïåðàòóðà, ïðè êîòîðîé íàïðÿæåíèÿ è äåôîðìàöèè îòñóòñòâóþò; �kl – ñèìâîë Êðîíåêåðà. Çàêîí èçìåíåíèÿ òåìïåðàòóðû T T x x z t� ( , , , )1 2 ïîëàãàåì èçâåñòíûì. Çàäà÷à ïîëçó÷åñòè ìíîãîñëîéíîé ïîëîãîé îáîëî÷êè â ôèêñèðîâàííûé ìîìåíò âðåìåíè t� 0 ìîæåò áûòü ñâåäåíà ê âàðèàöèîííîé çàäà÷å äëÿ ôóíêöèîíàëà â ôîðìå Ëàãðàíæà [9]: U u u w U U( � , � , � , � , � ) .1 2 1 2 1 2� � � (1) Çäåñü U A u u w k k w k u k1 1 1 1 2 2 2 2 2 1 2 2 2 1 1 10 5 2� , [ ( � � � ( ) � ( �, , , 2 2 2� )),u �� � 2 2 1 1 2 2 1 2 2 2 1 1 1 2 2 3A u u w k u k u k k w A u( � � � ( � � ) � ) ( �, , , , 1 2 2 1 2 , ,� ) u 2 1 1 1 11 2 2 22 1 11 2 22B u w u w w k w k w( � � , � � , � ( � , � , )), , 2 2 1 1 22 2 2 11 1 22 2 11B u w u w w k w k w( � � , � � , � ( � , � , )), , 2 23 12 1 2 2 1 1 11 2 22 2 2 11B w u u D w w D w� , ( � � ) ( � , � , ) � , �, , w D w, � ,22 3 12 2 2 21 11 1 1 22 2 2 2 11 2 2 22F w w F w w( � , � � , � ) ( � , � � , � , , ,� � � �1 1 3 12 1 2 2 12, , ,) � , ( � � ) F w � � 2 2 24 1 1 1 1 1 4 2 2 2 2 2 5 1F u k w F u k w F� ( � � ) � ( � � ) � , , , , ,� � � 1 2 2 2( � � ),u k w 2 25 2 2 1 1 1 6 1 2 2 1 1 2 2 1F u k w F u u� ( � � ) ( � � )( � � , , , , , ,� � � ) ( � � ), , F7 1 1 2 2 2 2 � � Ñ. Í. Ñêëåïóñ 124 ISSN 0556-171X. Ïðîáëåìû ïðî÷íîñòè, 2017, ¹ 2 F F F q z8 1 1 2 2 9 1 2 2 1 2 10 2 2 � � ( � � ) ( � � ) � �, , , ,� � � � � � � � w dx dx] 1 2 � [ � ( � � ) � ( � � )] ,P u n u n P u n u n dSn p 0 1 1 2 2 0 2 1 1 2� �� (2) ãäå � ( , , ),u x x t1 1 2 � ( , , ),u x x t2 1 2 � ( , , )w x x t1 2 – ñêîðîñòè ïåðåìåùåíèé òî÷åê êîîðäè- íàòíîé ïîâåðõíîñòè îáîëî÷êè âäîëü îñåé 0 1õ , 0 2õ , 0z ñîîòâåòñòâåííî; � ( , , )�1 1 2õ õ t , � ( , , )�2 1 2x x t – ñêîðîñòè ôóíêöèé ñäâèãà; k1, k2 – ãëàâíûå êðèâèçíû êîîðäèíàòíîé ïîâåðõíîñòè; n1, n2 – íàïðàâëÿþùèå êîñèíóñû âíåøíåé íîðìàëè n ê êîíòóðó îáîëî÷êè ��. Ôîðìóëû äëÿ âû÷èñëåíèÿ êîýôôèöèåíòîâ æåñòêîñòè À À1 3, ... , ,  Â1 3, ... , , D D1 3, ... , , F F1 10, ... , ïðèâåäåíû ðàíåå [9]. Âòîðîå ñëàãàåìîå â ôîðìóëå (1) çàïèñûâàåòñÿ â âèäå U N u N u N u u MF F F 2 11 1 1 22 2 2 12 1 2 2 1 11� ( � � � � � ( � � ) � , , , , F F Fw M w M w� , � � , � � ,11 22 22 12 122 �� � � � � � � ( � � ) � � , , , ,R R R RF F F F 11 1 1 22 2 2 12 1 2 2 1 13 1� � � � � � � � � ) .R q w dx dxF F 23 2 1 2� (3) Çäåñü � , ... , � ,N NF F 11 12 � , ... , � ,M MF F 11 12 � , ... , �R RF F 11 13 – “ôèêòèâíûå” ñèëû, îáóñëîâëåííûå òåìïåðàòóðíûìè äåôîðìàöèÿìè è íåîáðàòèìûìè äåôîðìàöèÿìè ïîëçó÷åñòè, � (� � ) ; ( ) N E e e dzF h 11 2 11 22 1 � � � � � (� � ) ; ( ) N E e e dzF h 22 2 22 11 1 � � � � � � ; ( ) N Gp dzF h 12 122� � � (� � ) ; ( ) M Ez e e dzF h 11 2 11 22 1 � � � � � (� � ) ; ( ) M Ez e e dzF h 22 2 22 11 1 � � � � � � ; ( ) M Gp zdzF h 12 122� � � (� � ) ; ( ) R Ef e e dzF h 11 2 11 22 1 � � � � � (� � ) ; ( ) R Ef e e dzF h 22 2 22 11 1 � � � � � � ; ( ) R Gf p dzF h 12 122� �� � � ; ( ) R Gf p dzF h 13 132� �� � � ; ( ) R Gf p dzF h 23 232� �� � ( ) ( (� � ) (� � )) , ( ) q E k e e k e e dzF h � � 1 2 1 11 22 2 22 11 � � � ãäå � � � ;e p T 11 11 11� � � � ;e p T 22 22 22� E E z T� ( , ), � �� ( , ),z T G G z T� ( , ) – ìîäóëü Þíãà, êîýôôèöèåíò Ïóàññîíà è ìîäóëü ñäâèãà, êîòîðûå çàâèñÿò îò íîìåðà ñëîÿ è ÿâëÿþòñÿ â îáùåì ñëó÷àå íåïðåðûâíûìè ôóíêöèÿìè êîîðäèíàòû z è òåìïåðàòóðû â ïðåäåëàõ êàæäîãî ñëîÿ.  ïðåäñòàâëåííîì ôîðìóëàìè (1)–(3) ôóíêöèîíàëå ôóíêöèè � ( , , )u x x t1 1 2 , � ( , , ),u x x t2 1 2 � ( , , ),w x x t1 2 � ( , , ),�1 1 2x x t � ( , , )�2 1 2x x t äîëæíû óäîâëåòâîðÿòü êèíå- ìàòè÷åñêèì ãðàíè÷íûì óñëîâèÿì íà ��u , à ñêîðîñòè äåôîðìàöèé ïîëçó÷åñòè ñ÷è- òàþòñÿ çàäàííûìè è íå âàðüèðóþòñÿ. Îñíîâíûå íåèçâåñòíûå íà÷àëüíî-êðàåâîé çàäà÷è ïîëçó÷åñòè â ìîìåíò âðåìåíè t� 0 ìîãóò áûòü íàéäåíû èç ðåøåíèÿ çàäà÷è Êîøè âî âðåìåíè äëÿ ñèñòåìû óðàâ- íåíèé: ×èñëåííî-àíàëèòè÷åñêèé ìåòîä èññëåäîâàíèÿ õàðàêòåðèñòèê ïîëçó÷åñòè ... ISSN 0556-171X. Ïðîáëåìû ïðî÷íîñòè, 2017, ¹ 2 125 du dt u du dt u dw dt w d dt d dt d 1 1 2 2 1 1 2 2� � � � �� ; � ; � ; � ; � ; � � � � �11 1 1 1 11 1 1 22 2 2 2 dt u k w zw f d dt u k w z� � � � � � �� � � , � ; � � �, , ,� � w f d dt u u zw f , � ; � � � , ( � � , , , , 22 2 2 12 1 2 2 1 12 1 2 22 � � � � � � � � � � , ); � ; � ; [� � 1 13 1 23 2 11 2 11 1 d dt f d dt f d dt E � � � � � � � � � � � � � � � 22 11 22 22 2 22 11 22 1 � � � � � � � (� � )]; [� � (� � e e d dt E e e d dt G p d dt G p d 11 12 12 12 13 13 132 2 )]; (� � ); (� � ); � � � � � � � � � 23 23 23 11 11 22 22 12 2 dt G p dp dt p dp dt p dp dt � � � � � (� � ); � ; � ; � � ; � ; � .p dp dt p dp dt p12 13 13 23 23� � � � � (4) Îïðåäåëÿþùèå óðàâíåíèÿ äëÿ ñêîðîñòåé äåôîðìàöèé ïîëçó÷åñòè, êîòîðûå âõî- äÿò â óðàâíåíèÿ (4), áóäóò êîíêðåòèçèðîâàíû íèæå. Íà÷àëüíûå óñëîâèÿ äëÿ íåèçâåñòíûõ ôóíêöèé â ìîìåíò âðåìåíè t � 0 íàõî- äÿòñÿ èç ðåøåíèÿ çàäà÷è óïðóãîãî äåôîðìèðîâàíèÿ îáîëî÷êè. Äëÿ ðåøåíèÿ çàäà÷è ìîæåò áûòü èñïîëüçîâàí ïðèâåäåííûé âûøå ôóíêöèîíàë. Ïðè ýòîì â ôîðìóëàõ (2), (3) íåîáõîäèìî ïðîèçâîäíûå ôóíêöèé ïî âðåìåíè çàìåíèòü ñàìèìè ôóíêöèÿìè, à ïðè âû÷èñëåíèè “ôèêòèâíûõ” ñèë ïîëîæèòü � � � � � .p p p p p11 22 12 13 23 0� � � � � Äëÿ èíòåãðèðîâàíèÿ óðàâíåíèé (4) èñïîëüçóåì ìåòîä Ðóíãå-Êóòòà–Ìåðñîíà (ÐÊÌ) ñ àâòîìàòè÷åñêèì âûáîðîì øàãà. Âàðèàöèîííûå çàäà÷è äëÿ ôóíêöèîíàëà Ëàãðàíæà (1) â ìîìåíòû âðåìåíè, êîòîðûå îòâå÷àþò ñõåìå ìåòîäà ÐÊÌ, ðåøàåì ìåòîäîì Ðèòöà. Ïðè ýòîì êîîðäèíàòíûå ôóíêöèè, òî÷íî óäîâëåòâîðÿþùèå çàäàííûì ãðàíè÷íûì óñëîâèÿì, ñòðîÿòñÿ ñ ïîìîùüþ ìåòîäà R-ôóíêöèé [10], êîòîðûé ïîçâî- ëÿåò ó÷èòûâàòü ãåîìåòðèþ îáëàñòè, ãäå îòûñêèâàåòñÿ ðåøåíèå, è ãðàíè÷íûå óñëîâèÿ ñàìîãî îáùåãî âèäà. Ïðè ýòîì ïðèáëèæåííîå ðåøåíèå êðàåâîé çàäà÷è ïðåäñòàâëÿåòñÿ â âèäå ôîðìóëû – ñòðóêòóðû ðåøåíèÿ, êîòîðàÿ óäîâëåòâîðÿåò âñåì (îáùàÿ ñòðóêòóðà ðåøåíèÿ) èëè ÷àñòè (÷àñòè÷íàÿ ñòðóêòóðà ðåøåíèÿ) ãðàíè÷íûõ óñëîâèé. Âèä ñòðóê- òóðû ðåøåíèÿ ÿâëÿåòñÿ èíâàðèàíòíûì ïî îòíîøåíèþ ê ôîðìå îáëàñòè. ×èñëåííûå ðåçóëüòàòû. Ðàññìîòðèì ïîëçó÷åñòü ïðÿìîóãîëüíîé (a b� ) äâóõ- ñëîéíîé öèëèíäðè÷åñêîé îáîëî÷êè, íàõîäÿùåéñÿ ïîä äåéñòâèåì ðàâíîìåðíî ðàñ- ïðåäåëåííîé ïîïåðå÷íîé íàãðóçêè, ïðè òåìïåðàòóðå Ò � �800 Ñ. Òåìïåðàòóðà, ïðè êîòîðîé íàïðÿæåíèÿ è äåôîðìàöèè îòñóòñòâóþò, ñîñòàâëÿåò 1000�Ñ. Ïåðâûé, èëè íàðóæíûé ñëîé âûïîëíåí èç äèîêñèäà öèðêîíèÿ, ñòàáèëèçèðîâàííîãî èòòðèåì (8YSZ), âòîðîé, âíóòðåííèé ñëîé – èç íèêåëåâîãî æàðîïðî÷íîãî ñïëàâà René 80. Ìîäóëè Þíãà è êîýôôèöèåíòû Ïóàññîíà ìàòåðèàëîâ ñëîåâ ïðè Ò � �800 Ñ òàêîâû [7]: E1 51539 10� �, ÌÏà, 1 0 27� , , Å2 51458 10� �, ÌÏà, 2 0 3� , . Ïðåäåë ïðî÷íîñòè ïðè ñæàòèè � â � ìàòåðèàëà 8YSZ ïðè Ò � �800 Ñ ñîñòàâëÿåò 565 ÌÏà [11]. Êîýôôèöèåíòû ëèíåéíîãî òåìïåðàòóðíîãî ðàñøèðåíèÿ ïðè Ò � �800 Ñ ñëåäóþùèå [7]: �1 � � � �110 10 6, � �C 1, �2 6151 10� � �, � �C 1. Òîëùèíà ñëîåâ: h1 32 5 10� � �, ì, h2 � � � �2 25 10 2, ì. Ðàçìåðû îáîëî÷êè â ïëàíå: à� 0 2, ì, b� 01, ì. Ãëàâíûå êðèâèçíû: k1 0� , k2 6� ì �1. Èíòåíñèâíîñòü ïîïåðå÷íîé íàãðóçêè q z � 45 ÌÏà. Çàêîí îäíîîñíîé ïîëçó÷åñòè äëÿ ìàòåðèàëîâ ñëîåâ, ñîñòàâëÿþùèõ îáîëî÷êó, èìååò âèä [7] 126 ISSN 0556-171X. Ïðîáëåìû ïðî÷íîñòè, 2017, ¹ 2 Ñ. Í. Ñêëåïóñ p A ti i m ni i( ) ,� � i�1 2, ñî ñëåäóþùèìè çíà÷åíèÿìè êîíñòàíò: À n 1 12126 10 1 � � � , ÌÏà ÷ m1 ; m1 1� ; n1 1475� , (8YSZ) è À n 2 207172 10 2 � � � , ÌÏà ÷ m2 ; m2 0 246� , ; n2 6 328� , (René 80). Äëÿ ñëîæíîãî íàïðÿæåííîãî ñîñòîÿíèÿ îïðåäåëÿþùèå ñîîòíîøåíèÿ ïîëçó÷åñòè çàïèñûâàþòñÿ â âèäå � , ( ) p m A t skl i i i m i n kl i i � 3 2 1 1 � i�1 2, , ãäå � i – èíòåíñèâíîñòü íàïðÿæåíèé, � � � � � � � � ��i � 11 2 22 2 22 12 2 13 2 23 23 3 3 ; skl kl kl� � � � � 1 3 11 22( ) . Íà êðàÿõ îáîëî÷êè çàäàíû óñëîâèÿ çàêðåïëåíèÿ, ñîîòâåòñòâóþùèå ñâîáîäíîìó îïèðàíèþ. Êèíåìàòè÷åñêîå ãðàíè÷íîå óñëîâèå, ñîîòâåòñòâóþùåå òàêèì óñëîâèÿì, èìååò âèä � .w� 0 (5) Ñòðóêòóðó ðåøåíèÿ, óäîâëåòâîðÿþùóþ óñëîâèþ (5), ìîæíî ïðåäñòàâèòü òàê: � ,w���1 ãäå � � � � � � �� � � 1 0 2 1 2 1 2 2 2 – R-êîíúþíêöèÿ [10]; �1 2 2 21 4 � � � ! " # #b b x ; �2 2 1 21 4 � � � ! " # #a a x . Ôóíêöèÿ � óäîâëåòâîðÿåò óñëîâèÿì: �� 0, �,n � 1 íà ��, �$0 âíóòðè îáëàñòè �. Ñòðóêòóðû ðåøåíèÿ äëÿ îñòàëüíûõ íåèçâåñòíûõ ôóíêöèé èìåþò âèä � ;u1 2�� � ;u2 3�� � ;�1 4�� � ,�2 5�� ãäå �i , i�1 5, – íåîïðåäåëåííûå êîìïîíåíòû ñòðóêòóðû ðåøåíèÿ. Ôîðìóëèðîâêè áîëåå ñëîæíûõ ãðàíè÷íûõ óñëîâèé è ñîîòâåòñòâóþùèå èì ÷àñ- òè÷íûå è ïîëíûå ñòðóêòóðû ðåøåíèÿ ïðèâåäåíû ðàíåå [12]. Ïðè ÷èñëåííîé ðåàëèçàöèè ó÷èòûâàåòñÿ ñèììåòðèÿ çàäà÷è. Íåîïðåäåëåííûå êîìïîíåíòû ïðåäñòàâèì â âèäå êîíå÷íûõ ðÿäîâ: � �i iN k i k k N x x C x x i ( ) ( ) ( , ), ( ) % � � & ' 1 2 1 i�1 5, , ãäå Ck i( ) – íåîïðåäåëåííûå êîýôôèöèåíòû, êîòîðûå íàõîäÿòñÿ ïî ìåòîäó Ðèòöà, à â êà÷åñòâå { }'k âûáðàíû ñòåïåííûå ïîëèíîìû âèäà x xm n 1 2 . Ìàêñèìàëüíûå ñòåïåíè ïîëèíîìîâ â ñòðóêòóðàõ ðåøåíèÿ äëÿ �1 ñîñòàâëÿþò 14, äëÿ �i ( , )i� 2 5 – 11. Äëÿ èíòåãðèðîâàíèÿ ïî îáëàñòè � è ïî òîëùèíå èñïîëüçóþòñÿ ôîðìóëû Ãàóññà. Ïðè âû÷èñëåíèè ýëåìåíòîâ ìàòðèöû Ãàóññà êîëè÷åñòâî óçëîâ èíòåãðèðîâàíèÿ ïî ÷åòâåðòè îáëàñòè ðàâíî 288. Òî÷íîñòü ðåøåíèÿ çàäà÷è Êîøè ïî âðåìåíè ñîñòàâëÿåò �� 0,01. ISSN 0556-171X. Ïðîáëåìû ïðî÷íîñòè, 2017, ¹ 2 127 ×èñëåííî-àíàëèòè÷åñêèé ìåòîä èññëåäîâàíèÿ õàðàêòåðèñòèê ïîëçó÷åñòè ... Ðàñ÷åòû ïðîâîäèëèñü êàê ñ ó÷åòîì ïîëçó÷åñòè â ñëîå, âûïîëíåííîì èç êåðàìè- ÷åñêîãî ìàòåðèàëà 8YSZ, òàê è áåç ó÷åòà. Íà ðèñ. 1 ïîêàçàí ðîñò ïðîãèáà ñ òå÷åíèåì âðåìåíè â öåíòðå îáîëî÷êè. Íà ðèñ. 2 ïðåäñòàâëåíî èçìåíåíèå âî âðåìåíè èíòåíñèâíîñòè íàïðÿæåíèé � i â öåíòðå, à òàêæå íà âíåøíåé è âíóòðåííåé ïîâåðõíîñòÿõ îáîëî÷êè. 128 ISSN 0556-171X. Ïðîáëåìû ïðî÷íîñòè, 2017, ¹ 2 Ðèñ. 1. Ïðîãèá â öåíòðå îáîëî÷êè. a á Ðèñ. 2. Èíòåíñèâíîñòü íàïðÿæåíèé â öåíòðå íà âíåøíåé (à) è âíóòðåííåé (á) ïîâåðõíîñòÿõ îáîëî÷êè. (Øòðèõîâàÿ ëèíèÿ – ðåçóëüòàòû ðàñ÷åòîâ, ïîëó÷åííûå íà âíåøíåé ïîâåðõíîñòè îáîëî÷êè áåç ó÷åòà ïîëçó÷åñòè â íàðóæíîì ñëîå, ñïëîøíûå – ðåçóëüòàòû, ïîëó÷åííûå ñ ó÷åòîì ïîëçó÷åñòè â îáîèõ ñëîÿõ.) Ñ. Í. Ñêëåïóñ Îïðåäåëèì êðèòè÷åñêîå âðåìÿ t* èç óñëîâèÿ äîñòèæåíèÿ èíòåíñèâíîñòüþ íàïðÿæåíèé â êàêîé-ëèáî òî÷êå îáîëî÷êè íåêîòîðîãî ïðåäåëüíîãî çíà÷åíèÿ �* , êîòîðîå ÿâëÿåòñÿ õàðàêòåðèñòèêîé ìàòåðèàëà: � �i � * .  äàííîì ñëó÷àå ïîëàãàåì � �* � � â 565 ÌÏà. Èç ðèñ. 2 âèäíî, ÷òî íà âíåøíåé ïîâåðõíîñòè îáîëî÷êè èíòåíñèâíîñòü íàïðÿ- æåíèé âîçðàñòàåò, íà âíóòðåííåé – ïðîèñõîäèò ðåëàêñàöèÿ. Áûëî îïðåäåëåíî êðèòè- ÷åñêîå âðåìÿ t* , ñîñòàâëÿþùåå 2652 ÷ ïðè ó÷åòå ïîëçó÷åñòè â îáîèõ ñëîÿõ è 1833 ÷ áåç ó÷åòà ïîëçó÷åñòè â íàðóæíîì ñëîå. Ðèñ. 3 èëëþñòðèðóåò ðàñïðåäåëåíèå íîðìàëüíûõ íàïðÿæåíèé �11, � 22 ïî òîëùèíå â öåíòðå îáîëî÷êè. Òàì æå êðèâûìè 1 ïîêàçàíû îñòàòî÷íûå òåìïåðàòóðíûå íàïðÿæåíèÿ, âîçíèêàþùèå â îáîëî÷êå ïðè îõëàæäåíèè ïîñëå òåõíîëîãè÷åñêèõ îïåðà- öèé, êîòîðûå âêëþ÷àþò òåðìè÷åñêèå öèêëû, ñâÿçàííûå ñ èçãîòîâëåíèåì ìíîãîñëîé- íîãî ïàêåòà. Ýòè íàïðÿæåíèÿ áóäóò ïðèñóòñòâîâàòü è ïðè ðàáî÷èõ òåìïåðàòóðàõ, êîòîðûå, êàê ïðàâèëî, íèæå òåìïåðàòóðû òåõíîëîãè÷åñêèõ îïåðàöèé. Ïðè èìåþùåì- ñÿ óðîâíå îñòàòî÷íûõ íàïðÿæåíèé ïîëçó÷åñòü ìàòåðèàëîâ ñëîåâ íå íàáëþäàåòñÿ. Èç ðèñ. 3 âèäíî, ÷òî ñî âðåìåíåì ïðîèñõîäèò ïåðåðàñïðåäåëåíèå íàïðÿæåíèé ïî òîëùèíå îáîëî÷êè.  ñëîå èç ìàòåðèàëà 8YSZ àáñîëþòíûå çíà÷åíèÿ íàïðÿæåíèé ISSN 0556-171X. Ïðîáëåìû ïðî÷íîñòè, 2017, ¹ 2 129 a á Ðèñ. 3. Ðàñïðåäåëåíèå íàïðÿæåíèé �11 (à) è �22 (á) ïî òîëùèíå â öåíòðå îáîëî÷êè. (Øòðèõî- âûå ëèíèè – íàïðÿæåíèÿ â íà÷àëüíûé ìîìåíò âðåìåíè, ñïëîøíûå – ïðè t t� �* 2652 ÷.) ×èñëåííî-àíàëèòè÷åñêèé ìåòîä èññëåäîâàíèÿ õàðàêòåðèñòèê ïîëçó÷åñòè ... âîçðàñòàþò ïî âñåé òîëùèíå, â òî âðåìÿ êàê â ñëîå èç íèêåëåâîãî ñïëàâà René 80 ìàêñèìàëüíûå íàïðÿæåíèÿ íà âíóòðåííåé ïîâåðõíîñòè è âáëèçè íåå ñî âðåìåíåì óìåíüøàþòñÿ, à íàïðÿæåíèÿ â îñòàëüíûõ òî÷êàõ íåçíà÷èòåëüíî óâåëè÷èâàþòñÿ.  û â î ä û 1. Ðàçðàáîòàí ÷èñëåííî-àíàëèòè÷åñêèé ìåòîä ðàñ÷åòà íàïðÿæåííî-äåôîðìèðîâàí- íîãî ñîñòîÿíèÿ, ïîëçó÷åñòè è äëèòåëüíîé ïðî÷íîñòè ñëîèñòûõ ïîëîãèõ îáîëî÷åê ïðîèçâîëüíîé ôîðìû â ïëàíå. 2. Èññëåäîâàíà ïîëçó÷åñòü äâóõñëîéíîé öèëèíäðè÷åñêîé îáîëî÷êè. 3. Ïîêàçàíî, ÷òî èç-çà ðàçíèöû êîýôôèöèåíòîâ ëèíåéíîãî òåìïåðàòóðíîãî ðàñ- øèðåíèÿ ìàòåðèàëîâ ñëîåâ â îáîëî÷êå âîçíèêàþò îñòàòî÷íûå òåìïåðàòóðíûå íàïðÿ- æåíèÿ, êîòîðûå ïðè äàëüíåéøåì íàãðóæåíèè êîíñòðóêöèè ìåõàíè÷åñêèìè íàãðóç- êàìè âíîñÿò âêëàä â íàïðÿæåííîå ñîñòîÿíèå.  ïðîöåññå ïîëçó÷åñòè â îáîëî÷êå ïðîèñõîäèò ïåðåðàñïðåäåëåíèå íàïðÿæåíèé. Âñëåäñòâèå èíòåíñèâíîé ïîëçó÷åñòè â îäíîì èç ñëîåâ â äðóãîì ñëîå àáñîëþòíûå çíà÷åíèÿ íàïðÿæåíèé óâåëè÷èâàþòñÿ, ÷òî ìîæåò ïðèâåñòè ê ïðåæäåâðåìåííîìó ðàçðóøåíèþ. Ð å ç þ ì å Ðîçãëÿíóòî çàäà÷ó ðîçðàõóíêó íàïðóæåíî-äåôîðìîâàíîãî ñòàíó, ïîâçó÷îñò³ òà òðèâà- ëî¿ ì³öíîñò³ áàãàòîøàðîâèõ ïîëîãèõ îáîëîíîê ñåðåäíüî¿ òîâùèíè äîâ³ëüíî¿ ôîðìè â ïëàí³. Âàð³àö³éíó ïîñòàíîâêó âèêîíàíî â ðàìêàõ óòî÷íåíî¿ òåî𳿠îáîëîíîê. Ðîçðîá- ëåíî ìåòîä ðîçâ’ÿçêó íåë³í³éíî¿ ïî÷àòêîâî-êðàéîâî¿ çàäà÷³ ïîâçó÷îñò³, ÿêèé áàçó- ºòüñÿ íà ïîºäíàíí³ ìåòîä³â R-ôóíêö³é, гòöà òà Ðóíãå-Êóòòà–Ìåðñîíà. Íàâåäåíî ïðèêëàä ðîçðàõóíêó ïîâçó÷îñò³ òà òðèâàëî¿ ì³öíîñò³ äâîøàðîâî¿ öèë³íäðè÷íî¿ îáî- ëîíêè, ùî ìîäåëþº òåðìîáàð’ºðíå ïîêðèòòÿ. 1. Evans A. G., Mumm D. R., Hutchinson J. W., et al. Mechanisms controlling the durability of thermal barrier coatings // Prog. Mater. Sci. – 2001. – 46, No. 5. – P. 505– 553. 2. Cunha F. J., Dahmer M. T., and Chyu M. K. Thermal-mechanical life prediction system for anisotropic turbine components // J. Turbomach. – 2006. – 128, No. 2. – P. 240–250. 3. Zolochevsky A., Sergienko N., Eremenko S., and Kuhhorn A. Constitutive and numerical modeling of chemical and mechanical phenomena in thermal barrier coatings for gas turbine blades of aircraft engines // Âåñòí. ÍÒÓ “ÕÏÈ”. Ñåð. Òðàíñïîðòíîå ìàøèíîñòðîåíèå. – 2010. – ¹ 38. – Ñ. 99–109. 4. ßêîâ÷óê Ê. Þ., Ðóäîé Þ. Ý., Îíîïðèåíêî Å. Â., Ìàëûøåâà Å. Ã. Âëèÿíèå çàùèò- íûõ ïîêðûòèé íà ìåõàíè÷åñêèå ñâîéñòâà ñïëàâà ÆÑ32-ÂÈ // Ïðîáë. ïðî÷íîñòè. – 2010. – ¹ 3. – Ñ. 151–163. 5. Caliez M., Feyel F., Kruch S., and Chaboche J.-L. Oxidation induced stress fields in an EB-PVD thermal barrier coating // Surf. Coat. Tech. – 2002. – 157, No. 2. – P. 103– 110. 6. Caliez M., Chaboche J.-L., Feyel F., and Kruch S. Numerical simulation of EBPVD thermal barrier coatings spallation // Acta Mater. – 2003. – 51, No. 4. – P. 1133–1141. 7. Zolochevsky A., Galishin A., Sklepus S., et al. Benchmark creep tests for thermal barrier coating // ³ñí. ÍÒÓ “Õϲ”. – 2013. – ¹ 23 (996). – Ñ. 159–179. 8. Ðàññêàçîâ À. Î., Ñîêîëîâñêàÿ È. È., Øóëüãà Í. À. Òåîðèÿ è ðàñ÷åò ñëîèñòûõ îðòîòðîïíûõ ïëàñòèí è îáîëî÷åê. – Êèåâ: Âèùà øê., 1986. – 191 ñ. 130 ISSN 0556-171X. Ïðîáëåìû ïðî÷íîñòè, 2017, ¹ 2 Ñ. Í. Ñêëåïóñ 9. Ñêëåïóñ Ñ., Ñêëåïóñ Î. Ïîâçó÷³ñòü òà ïîøêîäæóâàí³ñòü áàãàòîøàðîâèõ ïîëîãèõ îáîëîíîê ñåðåäíüî¿ òîâùèíè // Ìàøèíîçíàâñòâî. – 2012. – ¹ 2 (176). – Ñ. 3–7. 10. Ðâà÷åâ Â. Ë. Òåîðèÿ R-ôóíêöèé è íåêîòîðûå åå ïðèëîæåíèÿ. – Êèåâ: Íàóê. äóìêà, 1982. – 552 ñ. 11. Áðóñåíöîâ Â. Ï., Êóðàíîâ Â. Â., Áðóñåíöîâ À. Â. è äð. Èññëåäîâàíèå ïðî÷íîñòè òâåðäîîêñèäíûõ òîïëèâíûõ ýëåìåíòîâ ïëàñòèí÷àòîé ôîðìû // Òâåðäîîêñèäíûå òîïëèâíûå ýëåìåíòû. – Ñíåæèíñê: Èçä. ÐÔ ßÖ-ÂÍÈÈÒÔ, 2003. – Ñ. 233–240. 12. Çîëî÷åâñêèé À. À., Ñêëåïóñ À. Í., Ñêëåïóñ Ñ. Í. Íåëèíåéíàÿ ìåõàíèêà äåôîð- ìèðóåìîãî òâåðäîãî òåëà. – Õàðüêîâ: Á³çíåñ ²íâåñòîð Ãðóï, 2011. – 720 ñ. Ïóñòóïèëà 16. 07. 2015 ISSN 0556-171X. Ïðîáëåìû ïðî÷íîñòè, 2017, ¹ 2 131 ×èñëåííî-àíàëèòè÷åñêèé ìåòîä èññëåäîâàíèÿ õàðàêòåðèñòèê ïîëçó÷åñòè ...
id nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-173633
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
issn 0556-171X
language Russian
last_indexed 2025-12-07T16:23:21Z
publishDate 2017
publisher Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України
record_format dspace
spelling Склепус, С.Н.
2020-12-13T18:25:03Z
2020-12-13T18:25:03Z
2017
Численно-аналитический метод исследования характеристик ползучести и длительной прочности многослойной оболочки / С.Н. Склепус // Проблемы прочности. — 2017. — № 2. — С. 123-131. — Бібліогр.: 12 назв. — рос.
0556-171X
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/173633
539.3
Рассмотрена задача расчета напряженно-деформированного состояния, ползучести и длительной прочности многослойных пологих оболочек средней толщины произвольной формы в плане. Вариационная постановка выполнена в рамках уточненной теории оболочек. Разработан метод решения нелинейной начально-краевой задачи ползучести, базирующийся на совмещении методов R-функций, Ритца и Рунге-Кутта–Мерсона. Приведен пример расчета ползучести и длительной прочности двухслойной цилиндрической оболочки, моделирующей термобарьерное покрытие.
Розглянуто задачу розрахунку напружено-деформованого стану, повзучості та тривало ї міцності багатошарових пологих оболонок середньої товщини довільної форми в плані. Варіаційну постановку виконано в рамках уточненої теорії оболонок. Розроблено метод розв’язку нелінійної початково-крайової задачі повзучості, який базується на поєднанні методів R-функцій, Рітца та Рунге-Кутта–Мерсона. Наведено приклад розрахунку повзучості та тривалої міцності двошарової циліндричної оболонки, що моделює термобар’єрне покриття
The problem of stress-strain state creep and sustained strength computations for multilayer shallow shells of medium thickness, free form in plan was discussed. The variational statement is done within the refined theory of shells. The solution method for the nonlinear initial boundary creep problem based on combining the R-functions’, the Rietz, and the Runge-Kutta–Merson methods was developed. An example of creep and sustained strength calculation is given for a two-layer cylindrical shell simulating the thermal barrier coating.
ru
Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України
Проблемы прочности
Научно-технический раздел
Численно-аналитический метод исследования характеристик ползучести и длительной прочности многослойной оболочки
Numerical-and-Analytical Method of Investigation of the Creep and Sustained Strength Characteristics for a Multilayer Shell
Article
published earlier
spellingShingle Численно-аналитический метод исследования характеристик ползучести и длительной прочности многослойной оболочки
Склепус, С.Н.
Научно-технический раздел
title Численно-аналитический метод исследования характеристик ползучести и длительной прочности многослойной оболочки
title_alt Numerical-and-Analytical Method of Investigation of the Creep and Sustained Strength Characteristics for a Multilayer Shell
title_full Численно-аналитический метод исследования характеристик ползучести и длительной прочности многослойной оболочки
title_fullStr Численно-аналитический метод исследования характеристик ползучести и длительной прочности многослойной оболочки
title_full_unstemmed Численно-аналитический метод исследования характеристик ползучести и длительной прочности многослойной оболочки
title_short Численно-аналитический метод исследования характеристик ползучести и длительной прочности многослойной оболочки
title_sort численно-аналитический метод исследования характеристик ползучести и длительной прочности многослойной оболочки
topic Научно-технический раздел
topic_facet Научно-технический раздел
url https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/173633
work_keys_str_mv AT sklepussn čislennoanalitičeskiimetodissledovaniâharakteristikpolzučestiidlitelʹnoipročnostimnogosloinoioboločki
AT sklepussn numericalandanalyticalmethodofinvestigationofthecreepandsustainedstrengthcharacteristicsforamultilayershell