Анотація до роботи:

Степаненко С.М. Опір руйнуванню елементів конструкцій авіаційних газотурбінних двигунів та енергоустановок при екстремальних умовах навантаження. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук зі спеціальності 05.02.09 - динаміка та міцність машин. – Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут», Харків, 2004.

Дисертація присвячена створенню методу прогнозування критичних станів основних елементів конструкцій ГТД і енергоустановок у випадку розвитку в них тріщин, здатних привести до руйнування деталей і виникненню або збільшенню зв'язаних з цим аварійних ситуацій. Обґрунтовано, що критерієм руйнування, прийнятним для розв’язання таких задач в інженерній практиці, може бути силовий критерій за умовами ініціювання тріщин. Для визначення коефіцієнтів інтенсивності напружень у поле нерівномірних навантажень розроблений метод підбору еквівалентної задачі, яка має відомі рішення, а також одержано ряд рішень методом скінчених елементів. На прикладах аналізу тріщин у корпусі реактора ядерної енергоустановки, у дисках компресорів і турбін авіаційних ГТД, у валі гвинта показаний збіг розрахункових результатів і реальних критичних розмірів тріщин. Обґрунтовано, що в умовах, коли в матеріалі збільшуються прояви крихкості, не найглибша тріщина може бути критичною.

Дана дисертація пов’язана з отриманням науково обґрунтованих результатів, які у сукупності розв'язують конкретне наукове завдання – одержати ефективний механізм аналізу опору руйнуванню конструкцій для використання конструкторами, які займаються питаннями міцності, що має істотне значення для авіаційного двигунобудування і енергетичного машинобудування. Основні наукові і практичні результати роботи полягають у наступному.

1. Вирішуючи задачу вибору критеріїв руйнування, одержано, що для екстремальних умов навантаження конструкцій енергоустановок і ГТД забезпечення опору руйнуванню при наявності тріщин необхідно вести за критеріями ініціювання тріщин, а не за критеріями їх гальмування. Встановлено, що визначення опору руйнуванню з використанням силового критерію по КІН є прийнятним для інженерного аналізу небезпечних руйнувань.

2. У результаті дослідження змін термонапруженого стану при екстремальних умовах навантаження визначено, що не обов’язково найглибша тріщина може бути самою небезпечною. Виходячи з цього, обґрунтована необхідність аналізу спектра тріщин при розгляді опору руйнуванню в таких умовах.

3. Вирішуючи задачу одержання залежності параметрів у вершині тріщини, розроблено методику визначення КІН для тріщини в полі нерівномірного навантаження методом підбору еквівалентної задачі. З використанням даної методики одержана формула для визначення КІН для тріщини, що починається на контурі підкріпленого отвору.

4. Підтвердження правильності обраного критерію руйнування здійснено шляхом іспитів великогабаритних зразків основного металу і зварених швів сталі 15Х2МФА та шляхом порівняння з відомими фактами руйнувань.

5. В рамках дисертаційної роботи був проаналізований опір крихкому руйнуванню корпуса реактора типу ВВЕР-440. Виконано аналіз випадків руйнування в процесі іспитів ЦБК двигуна Д–27 і диска 6 ступені КВТ двигуна Д-36. Проаналізовано умови поширення тріщин у критичних зонах дисків турбін двигунів Д-18Т и Д-27. Виконано аналіз умов поширення тріщин по шліцах і у фланці вала гвинта двигуна АІ –20Д 5 серії.

6. Практичне значення одержаних результатів полягає у тому, що розроблені методики визначення КІН реалізовані у вигляді програм для ЕОМ і можуть бути безпосередньо використані в проектних і конструкторських організаціях при аналізі конструкцій із тріщинами при екстремальних умовах навантаження. МСЕ на тривимірних моделях одержані значення КІН для тріщини в смузі, підкріпленій перпендикулярною пластиною, що є розвитком прикладних задач.

Для виявлення критичних зон, небезпечних з позицій виникнення тріщин, автором був запропонований інженерний метод прогнозування циклічної довговічності деталей ГТД, що базується на рекомендаціях ЦІАМ. Для перевірки ефективності конструктивних змін, що зм'якшують напружений стан у концентраторах, автором запропоноване і застосоване проведення чисельних експериментів на базі МСЕ.

7. До основних якісних показників одержаних результатів варто віднести наступне. Одер-

жані результати показують важливість розгляду екстремальних умов навантаження як особливих режимів для конструкцій, здатних при наявності тріщин в металі привести до руйнування.

До основних кількісних показників одержаних результатів варто віднести розроблені методи обчислення КІН і проведені з їхнім застосуванням дослідження випадків руйнувань.

Вірогідність одержаних результатів підтверджується порівнянням виконаних розрахунків і проаналізованих дійсних випадків руйнування.

Рекомендації з використання результатів випливають з основної мети роботи – одержати ефективний механізм аналізу опору руйнуванню конструкцій для використання конструкторами, які займаються питаннями міцності.

Публікації автора:

1). Колесников В.И., Степаненко С.М., Шереметьев А.В. К вопросу о методе расчета деталей ГТД на малоцикловую усталость // Авіаційно–космічна техніка і технологія: Зб. наук. праць. - Харків: Нац. аерокосмічний ун-т «Харк. авіац. ін-т», 1998. – Вып. 5.– С. 255 – 260.

Здобувачем виконаний аналіз особливостей даного методу.

2). Степаненко С.М. Определение коэффициента интенсивности напряжений для трещины при неравномерном нагружении ее берегов // Авіаційно–космічна техніка і технологія: Зб. наук. праць. - Харків: Нац. аерокосмічний ун-т «Харк. авіац. ін-т», 1999. – Вып. 10.– С. 101 – 106.

3). Степаненко С.М. Коэффициент интенсивности напряжений у трещины в полосе, подкрепленной с одной стороны перпендикулярной пластиной // Авіаційно–космічна техніка і технологія: Зб. наук. праць. - Харків: Нац. аерокосмічний ун-т «Харк. авіац. ін-т», 2000. – Вып. 19.– С. 252 – 255.

4). Колесников В.И., Степаненко С.М., Шереметьев А.В. Оценка циклической долговечности деталей ГТД // Вопросы проектирования и производства конструкций летательных аппаратов: Темат. сб. науч. трудов. – Харьков: НАКУ «ХАИ», 2000. –Выпуск 22(5). – С. 72 – 76.

Здобувачем виконаний аналіз особливостей застосування запропонованого методу розрахунку.

5). Денисюк В.Н., Степаненко С.М. Коэффициенты интенсивности напряжений при смешанном типе нагружения трещин в шлицах вала винта авиационного ГТД // Авіаційно–космічна техніка і технологія: Зб. наук. праць. - Харків: Нац. аерокосмічний ун-т «Харк. авіац. ін-т», 2001. –Вып. 26. –С.148–150.

Здобувач виконав розрахунки КІН і приймав участь в аналізі одержаних результатів та формулюванні висновків.

6). Степаненко С.М. Сопротивление разрушению конструктивных элементов с трещина-ми при аварийных режимах работы // Авіаційно–космічна техніка і технологія: Зб. наук. праць. - Харків: Нац. аерокосмічний ун-т «Харк. авіац. ін-т», 2002. – Вып. 30. – С. 94 – 96.

7). Степаненко С.М. Оценка сопротивления корпуса ядерного реактора хрупкому разрушению при разрыве I контура // Вопросы атомной науки и техники: Сб. науч. тр. – М., ЦНИИ
атоминформ, 1979. - Выпуск 2(2). – С.37-41.

8). Махутов Н.А, Степаненко С.М. Прочность корпуса реактора типа ВВЭР при аварийных режимах работы // Проблемы прочности. - 1980. - №6. - С.8-11,19.

Здобувачем були розвинуті ідеї М.А. Махутова в метод підбору еквівалентної задачі та виконанні розрахунків опору руйнуванню корпусу реактора.

9). Степаненко С.М., Пиминов В.А. К вопросу о хрупкой прочности корпусов ядерных реакторов с водой под давлением // Вопросы атомной науки и техники: Сб. науч. тр. – М., ЦНИИ
атоминформ, 1983. - Выпуск 7(36). – С.29-32.

Здобувачем був зроблений аналіз придатності критерію зупинки тріщини в умовах аварійного навантаження корпусу реактора.

10). Анализ применения нормативных методик расчета на сопротивление хрупкому разрушению корпусов ВВЭР /Ю.М. Максимов, В.А. Пиминов, А.В. Резепова, С.М. Степаненко // Вопросы атомной науки и техники: Сб. науч. тр. – М., ЦНИИатоминформ, 1984. - Выпуск 1(38).
– С.10 -17.

Здобувачем була виконана частина розрахунків, проведені порівняльні оцінки, а також він брав участь в обговоренні одержаних результатів.

11). Оценка сопротивления разрушению материала корпусов ВВЭР / Брумовски М.,
Полахова Г., Шульц И., Аниковский В.В., Драгунов Ю.Г., Звездин Ю.И., Максимов Ю.М., Ривкин Е.Ю., Степаненко С.М., Филатов В.М. // Атомная энергия. -1988. - Т.64, вып. 6. - С.410-415.

Здобувач брав участь у постановці задачі досліджень, участь у проведенні експериментів та аналізі одержаних результатів.

12). Прибора Т.И., Степаненко С.М. Численный эксперимент при прочностной доводке узла крепления диска последней ступени КВД двигателя Д-18Т // Новые технологические процессы и надежность ГТД: Производственно–технический сборник. -М.: ЦИАМ, 1992. –№1. -С.85-95.

Здобувачем була виконана частина розрахунків, а також він брав участь в аналізі одержаних результатів.

13). Степаненко С.М. К вопросу о прочности дисков ГТД с учетом стадии развития уста-лостных трещин // Тр. Международной научно–технической конференции «Совершенствование турбоустановок методами математического и физического моделирования». -Харьков: ИПМаш НАН Украины, –1997. -С.537-539.

14). Степаненко С.М. Оценка прочности дисков газотурбинных двигателей с учетом сопротивления развитию трещин // XXVII Международное научно–техническое совещание по проблемам прочности двигателей (Москва, март 1999 г.): Тез. докл. - М.: ИМАШ - ЦИАМ - МАМИ. –1999. -С.54-56.

15). Махутов Н.А., Степаненко С.М. Предупреждение аварийных ситуаций, связанных с развитием трещин в деталях роторов ГТД, методами механики разрушения // Проблемы динамики и прочности в газотурбостроении : Тез. докл. международной научно-технической конференции / Под ред. В.Т. Трощенко и А.П. Зиньковского. –Киев: Ин-т проблем прочности НАН Украины.
–2001. – С. 83 – 84.

Здобувачем виконані теоретичні дослідження та розрахунки КІН.