Разработка моделей выносливости и длительной прочности металлов при одноосном и сложном напряженных состояниях вплоть до разрушения на основе натурных экспериментальных исследованийНИР

Development models of endurance and long-term strength of metals under uniaxial and complex stress up to fracture on the basis of full-scale experimental research

Источник финансирования НИР

грант РФФИ

Этапы НИР

# Сроки Название
1 1 июля 2016 г.-31 декабря 2016 г. Подготовка и проведение серии экспериментальных исследований на титановом сплаве. Обработка результатов. (этап 1)
Результаты этапа: Разработаны кинематические и силовые критерии появления шейки в образце. Показано, что наиболее целесообразно использовать критерии, основанные на введении виртуального образца, который деформируется по тому же закону изменения длины от времени, что и реальный образец, но сохраняет однородную деформацию всей рабочей части. Для цилиндрических образцов возможно применение как геометрического так и силовых критериев, для плоских образцов целесообразно применять только силовой критерий. Для цилиндрических образцов получена экспериментальная зависимость радиуса касательной окружности в меcте наибольшего сужения. В области шейки плоского образца равномерность деформации по толщине и ширине не выполняется. Определен относительный интервал времени деформирования, при котором образец деформируется при растяжении равномерно. Показано, что по зависимости времени локализации, полученного по разработанным критериям, от времени до разрушения в серии испытаний можно отбраковывать эксперименты с дефектами в образцах. На основе статистической обработки данных показано, что параметры эксперимента, такие, как время до разрушения, длина при разрушении и время локализации по любому из критериев имеют логнормальное распределение во времени. Для проведения длительных высокотемпературных испытаний была модернизирована экспериментальная установка и реализовано удаленное видеонаблюдение. Было модернизовано программное обеспечение и серверная вычислительная станция, повышена безопасность хранения экспериментальных данных. По тематике проекта было сделано 6 выступлений. Результаты были опубликованы: в двух журналах ВАК РФ, одном журнале RSCI Web of Science и одна статья принята в печать в зарубежном журнале, входящем в базу SCOPUS. Было получено свидетельство на регистрацию программа для ЭВМ, подготовлена и подана заявка на изобретение.
2 1 января 2017 г.-30 июня 2017 г. Статистическая обработка имеющихся экспериментальных данных по растяжению образцов. Разработка моделей выносливости и длительной прочности алюминиевых образцов.
Результаты этапа: В соответствии с планом работ были проведены / проводятся следующие работы: 1. Закуплен титановый сплав ВТ-6 для изготовления цилиндрических и плоских образцов. 2. Ведутся работы по изготовлению образцов. 3. В момент ожидания титановых образцов, для улучшения статистической точности полученных на первом этапе работы экспериментальных данных на Al образцах, проводятся дополнительные эксперименты на Al образцах для значения напряжения 10МПа. 4. Для проведения запланированных длительных (более суток) экспериментов было реализовано видеонаблюдение, проведены настройки сети и компьютера, реализовано внешнее питание от сети для лампы подсветки и датчика управления фотозаписью. 5. По теоретической части проекта производится разработка теоретических соотношений, позволивших предсказывать момент появления шейки. Работы по этапу будут завершены к июлю 2018 г.
3 1 июля 2017 г.-31 декабря 2017 г. Проведение серии экспериментальных исследований на титановом сплаве. Обработка результатов. (этап 2)
Результаты этапа: Проделанная работа по проекту проводилась в теоретическом (разработка различных теоретических моделей для описания процесса локализации деформаций) и экспериментальном (подготовка, проведение и обработка полученных экспериментальных данных длительных высокотемпературных испытаний на титановом сплаве) направлениях, а так же подготовка и опубликование полученных результатов. Построена вероятностная модель для определения момента появления локализации как результат случайного процесса на основе закона нормального распределения. Для вычисления теоретических математического ожидания и среднеквадратического отклонения использовались степенные функции. На примере полученных экспериментальных данных находятся соответствующие константы модели, и производится расчет теоретического времени локализации для конкретного эксперимента. Используя введенный случайный параметр, можно получить наиболее и наименее вероятную теоретическую реализацию процесса образования шейки. Вычислена теоретическая вероятность появления шейки в заданный интервал времени, и описан метод оценки надежности, получено выражение для её вычисления. На основе постулата устойчивости Друккера получено математическое неравенство, характеризующее потерю устойчивости в процессе ползучести растягиваемого образца – дифференциальное уравнение второй степени. На примере использования известных экспериментальных данных о ползучести различных материалов и полученного теоретического критерия были вычислены теоретические значения моментов начала неустойчивого растяжения в этих работах.
4 1 января 2018 г.-30 июня 2018 г. Разработка теоретических моделей появления локализации деформаций.
Результаты этапа: Был приобретен титановый лист ВТ6 и изготовлены образцы для испытаний. Повышение температуры испытаний до 600*С потребовало модернизации экспериментальной установки. Было проведено 13 испытаний, со средней длительностью одного эксперимента около 3-х недель (и планируется увеличить в будущих экспериментах). Для каждого эксперимента был найден момент локализации деформаций. Экспериментальная работа продолжается, и планируется провести еще около 20-ти экспериментов. По тематике проекта было сделано 5 выступлений. Результаты были опубликованы: в 3-х журналах SCOPUS, одна статья принята в печать в журнале RSCI Web of Science и одна статья принята в журнал ВАК РФ. Было получено свидетельство на регистрацию программы для ЭВМ, подготовлена и подана международная заявка на изобретение PCT.
5 1 июля 2018 г.-31 декабря 2018 г. Обработка имеющихся данных, опубликование (3й год)
Результаты этапа: Работы ведутся, в соответствии с грантом окончание этапа 30 июня 2019г.
6 1 января 2019 г.-30 июня 2019 г. Обработка имеющихся данных, опубликование (3й год)
Результаты этапа: Работа по проекту проводилась по нескольким направлениям: экспериментальному (подготовка, проведение и обработка экспериментальных данных длительных высокотемпературных испытаний на алюминиевом и титановом сплавах), теоретическому (разработка различных критериев, моделей и описание процесса локализации деформаций) и технологическому (финализация метода измерения и модернизация экспериментальной базы), а так же подготовка и публикация полученных результатов, и их представление на крупных конференциях. Была закончена обработка проведенных экспериментальных высокотемпературных исследований (34 эксперимента) на образцах из алюминиевого сплава Д16Т на длительную прочность при ползучести (400 *С), длительность испытаний составляла до 10 часов. Закуплен широко распространенный титановый сплав ВТ-6 в листах и прутках, изготовлены образцы. На плоских титановых образцах было проведено 22 испытания, со средней длительностью одного эксперимента около 4-х недель и максимальной длительностью одного эксперимента более 2-х месяцев. Для каждого эксперимента были измерены удлинение рабочей части, профиль образца в течение всего времени деформирования, найден момент локализации деформаций. Для цилиндрических образцов получена экспериментальная зависимость радиуса касательной окружности в месте наибольшего сужения во всех экспериментах для каждого момента времени (приблизительно 10000 измерений). Дополнительно для подтверждения разработанной теоретической модели по экспериментальным значениям момента локализации были проведены 6 испытаний на алюминиевых образцах на длительную прочность при температуре 125 *С. Длительность одного испытания составила до 10 дней. На основе большой базы экспериментальных данных были разработаны соответствующие теоретические модели. Для объективного определения момента локализации в образце разработаны кинематические и силовые критерии появления шейки. Показано, что наиболее целесообразно использовать критерии, основанные на введении виртуального образца, который деформируется по тому же закону изменения длины от времени, что и реальный образец, но сохраняет однородную деформацию всей рабочей части. Для цилиндрических образцов возможно применение как геометрического так и силовых критериев, для плоских образцов целесообразно применять только силовой критерий. Используя радиус касательной окружности в осевом направлении в месте наибольшего сужения для цилиндрических образцов учитывалась неравномерность распределения напряжений по сечению образца. При этом среднее время локализации по силовому критерию при значении порога чувствительности 0.3 МПа и 1.4 МПа составило 60 % и 83 %. Для плоских образцов в области шейки равномерность деформации по толщине и ширине не выполняется, поэтому в критериях одновременно учитывалось утонения по ширине и толщине образца, которое усреднялось из нескольких натурных экспериментов. Было получено, что среднее время локализации составило 60 % и 90 % при значениях порога чувствительности 0.3 МПа и 1.4 МПа соответственно. Предложен вариант отбраковки ”дефектных” экспериментов. Показано, что зависимость времени локализации, полученного по разработанным критериям, от времени до разрушения имеет линейных характер практически для всех рассмотренных параметров. Имеющиеся отклонения от этой линейной зависимости в некоторых экспериментах следует считать дефектом в образце и в дальнейшем из рассмотрения эти “дефектные” образцы следует исключить. Построена вероятностная модель для определения момента появления локализации как результат случайного процесса на основе закона нормального распределения. Для вычисления теоретических математического ожидания и среднеквадратического отклонения использовались степенные функции. На примере полученных экспериментальных данных находятся соответствующие константы модели, и проводится расчет теоретического времени локализации для конкретного эксперимента. Используя введенный случайный параметр, можно получить наиболее и наименее вероятную теоретическую реализацию процесса образования шейки. Вычислена теоретическая вероятность появления шейки в заданный интервал времени, и описан метод оценки надежности, получено выражение для её вычисления. Проведена работа по моделированию длительной прочности в пакете программ ANSYS. Моделирование проводится на примере двух материалов VT01(Титан) и Al-ALLOY(Алюминий). Для идеальных образцов (только рабочая часть) расчета показал, что в рабочей области формируется однородное напряженно-деформированное состояние, а поперечное сечение равномерно по всей длине уменьшается с течением времени. Для образцов, расчетная область которых повторяла реальный образец (с захватами), вычислительный эксперимент показал, что неравномерное деформирование первоначально возникает в зоне начала расширения рабочей части образца, т.е. у галтели, что полностью соответствует полученным к настоящему времени экспериментальным данным. Так же получено, что распределение напряжений по сечению в зоне шейки круглого образца не равномерно с максимальным значением в середине образца. На основе постулата устойчивости Друкера получено математическое неравенство, характеризующее потерю устойчивости в процессе ползучести растягиваемого образца – дифференциальное неравенство второй степени. На примере использования известных экспериментальных данных о ползучести различных материалов и полученного теоретического критерия были вычислены теоретические значения моментов начала неустойчивого растяжения в этих работах. Для сравнения данной теории с экспериментальным значением момента локализации были проведены несколько испытаний с применением разработанного метода измерений, из которых были получены эти экспериментальные значения. Анализ показал, что экспериментальный момент локализации происходит всегда в области неустойчивости по данной теории и в основном спустя половину времени, за которое накапливается поврежденность, приводящая к локализации деформаций. Моделирование деформации и локализации деформаций было проведено алгоритмами глубокого обучения. В качестве исходных данных выступали серии фотографий проведенных экспериментов. Методом градиентного бустинга на деревьях решений промоделированы значения длины образца, однако алгоритм потерял обобщающую способность и в дальнейшем использовались только алгоритмы, основанные на нейронных сетях. Проведено моделирование деформаций с помощью нейронных сетей. Были получены несколько нейронных сетей, обладающих практически одинаковыми минимальными значениями средней ошибки предсказания. Далее поверх нейронных сетей была добавлена множественная линейная регрессия, сглаживающая кривые и лучше повторяющая искомые зависимости. Это позволило снизить относительную ошибку предсказания с 7-12 % до значений менее 4 %. Наиболее интересным представляется моделирование локализации деформаций в образце т.к. дальнейшее деформирование рабочей зоны образца происходит в основном в зоне локализации при сложном напряженном состоянии вплоть до разрушения. Моделирование времени локализации проводилось двумя способами: одной нейросетью, содержащей 4 выходных нейрона - по нейрону на каждое значение времени локализации и четырьмя различными нейросетями с одним выходным значением каждая. В первом случае ошибка составила порядка 10 %, а во втором около 1.5 %, поэтому целесообразнее использовать нейронную сеть с одним выходом, а так же моделировать безразмерное время локализации. В проведенных экспериментальных исследованиях применялся разработанный бесконтактный метод измерения, на который получен российский Патент на изобретение. Одобрена и опубликована международная заявка PCT на изобретение. Для обработки данных экспериментов с образцами цилиндрической форма и плоских образцов были реализованы два комплекса программ. На комплексы получены два Свидетельства о регистрации программ для ЭВМ. Экспериментальная база была существенно модернизирована. Для проведения запланированных длительных высокотемпературных испытаний вокруг нагревательной камеры было реализовано видеонаблюдение, позволившее контролировать протекание высокотемпературного эксперимента дистанционно (через интернет) в любой момент времени. Для удаленного управления реализовано интеллектуальное устройство, позволяющее включать и выключать нагревательную печь удаленно, а так же следить за скачками электричества и в случае аварийного пропадания питания в автоматическом режиме заново включать нагрев. Для повышения ресурса осветительной лампы внутри печи, был сделан контроллер, управляющий включением лампы так, чтобы незадолго до отправки сигнала фотоаппарату он также включал лампу. Повышена надежность освещения - в печь была поставлена вторая дублирующая лампа, включаемая параллельно с первой. Реализовано безопасное хранение всего архива экспериментальных данных на RAID массиве, построенное на NAS QNAP. Для увеличения вычислительной мощности закуплен дополнительный процессор и 4-ре сервера общего применения с многоядерными процессорами Intel Xeon, всего 48 физических ядер и 60Гб оперативной памяти. За весь период работы по проекту было опубликовано 23 работы, из которых: Web of Science (Q2) – 1; SCOPUS – 6; RSCI Web of Science – 2; ВАК РФ – 3. Сделано 18 выступлений, из которых международных – 8 конф., всероссийских – 5 конф.

Прикрепленные к НИР результаты

Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".