Определение ресурса металлической оболочечной конструкции с использованием нейронной сети

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Доступ платный или только для подписчиков

Аннотация

Предложен эффективный метод оценки ресурса металлической оболочечной конструкции при переменной термомеханической нагрузке. Напряженно-деформированное состояние конструкции определяется решениием нелинейной краевой задачи термопластичности для тонкостенной оболочки вращения. Ресурс работы конструкций при переменных термомеханических нагрузках определяется на основе уравнения малоцикловой усталости материала. Применение представленного метода демонстрируется на примере оболочечной конструкции, которая предназначена для высокотемпературного отжига электротехнической стали. Температура защитной оболочки при эксплуатации может достигать 1000 °С. Однако данная оболочка изготовляется не из жаропрочного металла, а из стали Ст3, не предусмотренной для использования при такой экстремальной температуре. В отсутствие необходимых механических параметров для материала конструкции, эксплуатируемой при высоких температурах, применяется метод прогнозирования. Найденные значения ресурса для металлической оболочки с механическими параметрами материала при известных температурах экстраполируются с использованием нейронных сетей на более высокие эксплуатационные температуры.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

И. Г. Емельянов

Институт фундаментального образования, ФГАОУ ВО «УрФУ имени первого Президента России Б.Н. Ельцина»; ФГБУН Институт машиноведения имени Э.С. Горкунова УрО РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: emelyanov.ig.2016@mail.ru
Россия, Екатеринбург; Екатеринбург

А. Н. Кислов

Институт фундаментального образования, ФГАОУ ВО «УрФУ имени первого Президента России Б.Н. Ельцина»; ФГБОУ ВО «Московский технический университет связи и информатики»

Email: emelyanov.ig.2016@mail.ru
Россия, Екатеринбург; Москва

Список литературы

  1. COSMOS/M user’s guide, version 2.7 – Los Angeles : SRAC, 2001. 770 p.
  2. ANSYS advanced analysis techniques guide. ANSYS release 10.0 – Canonsburg : SAS IP, 2005. 340 p.
  3. COMSOL Multiphysics user’s guide, version 4.3 – COMSOL, 2012. 1292 p.
  4. Norrie, D.H. The finite element method: fundamentals and applications / D.H. Norrie, G. De Vries. – New York : Academic Press, 1973. 308 p.
  5. Zienkiewicz, O.C. The finite element method / O.C. Zienkiewicz, R.L. Tailor. – N.Y. : McGraw-Hill, 1989. 787 p.
  6. Gallager, R. Finite element method. Fundamentals / R. Gallager. – Englewood Cliffs : Pren-tice Hall, 1975. 336 p.
  7. Голованов, А.И. Метод конечных элементов в статике и динамике тонкостенных конструкций / А.И. Голованов, О.Н. Тюленева, А.Ф. Шигабутдинов. – М. : ФИЗМАТЛИТ, 2006. 392 с. – (Golovanov, A.I. Finite element method in statics and dynamics of thin-walled structures / A.I. Golovanov, O.N. Tyuleneva, A.F. Shigabutdinov. – Moscow : FIZMATLIT, 2006. 392 p.)
  8. Бидерман, В.Л. Механика тонкостенных конструкций / В.Л. Бидерман. – М. : Машино-строение, 1977. 488 с. – (Biderman, V L. Mechanics of thin-walled structures / V L. Biderman. – Moscow : Mashinostroeniye, 1977. 488 p.)
  9. Григоренко, Я.М. Методы расчета оболочек. Т.4. Теория оболочек переменной жесткости / Я.М. Григоренко, А.Т. Василенко. – Киев : Наукова думка, 1981. 543 с. – (Grigorenko, Ya.M. Methods for calculating shells. V.4. Theory of shells of variable stiffness / Ya.M. Grigorenko, A.T. Vasilenko. – Kyiv : Nauk. dumka, 1981. 543 p.)
  10. Grigorenko, Ya.M. Some approaches to the solution of problems on thin shell with variable geometrical and mechanical parameters / Ya.M. Grigorenko, A.T. Vasilenko // Int. Appl. Mech. 2002. V.38. №11. P.1309–1341.
  11. Емельянов, И.Г. Контактные задачи теории оболочек / И.Г. Емельянов. – Екатеринбург : Изд. УрО РАН, 2009. 185 с. – (Emel’yanov, I.G. Contact problems of shell theory / I.G. Emel’yanov. – Ekaterinburg : Ural Branch of the Russian Academy of Sciences, 2009. 185 p.)
  12. Шевченко, Ю.Н. Методы расчета оболочек. Т.3. Теория упругопластических оболочек при неизотермических процессах нагружения / Ю.Н. Шевченко, И.В. Прохоренко. – Киев : Наукова думка, 1981. 295 с. – (Shevchenko, Yu.N. Methods for calculating shells. V.3. Theory of elastic-plastic shells under non-isothermal loading processes / Yu.N. Shevchenko, I.V. Prokhorenko. – Kyiv : Nauk. dumka, 1981. 295 p.)
  13. Shevchenko, Yu.N. Thermoviscoelastoplastic processes in the deformation of elements of a solid / Yu.N. Shevchenko // Int. Appl. Mech. 1994. V.30. №3. P.165–183.
  14. Babeshko, M.E. Describing the thermoplastic deformation of compound shells under axisymmetric loading with allowance for the third invariant of the stress deviator / M.E. Babeshko, Yu.N. Shevchenko // Int. Appl. Mech. 2011. V.46. №12. P.1362–1371.
  15. Петров, В.В. Расчет элементов конструкций, взаимодействующих с агрессивной средой / В.В. Петров, И.Г. Овчинников, Ю.М. Шихов. – Саратов : Изд. Сарат. ун-та, 1987. 285 с. – (Petrov, V.V. Calculation of structural elements interacting with an aggressive environment / V.V. Petrov, I.G. Ovchinnikov, Yu.M. Shikhov. – Saratov : Publ. Saratov University, 1987. 285 p.)
  16. Яковлев, Ю.А. Модели влияния водорода на механические свойства металлов и сплавов / Ю.А. Яковлев, В.А. Полянский, Ю.С. Седова, А.К. Беляев // Вестн. Пермского нац. исслед. политехн. ун-та. Механика. 2020. №3. С.136–160. – (Yakovlev, Yu.A. Models of the influence of hydrogen on the mechanical properties of metals and alloys / Yu.A. Yakovlev, V.A. Polyansky, Yu.S. Sedova, A.K. Belyaev // PNRPU Mechanics Bulletin. 2020. №3. Р.136–160.) DOI : 10.15593/perm.mech/2020.3.13.
  17. Емельянов, И.Г. Термодиффузионная задача наводороживания стальной оболочечной конструкции / И.Г. Емельянов, В.И Миронов // Вестн. Пермского нац. исслед. политехн. ун-та. Механика. 2018. №3. С.27–35. – (Emel’yanov, I.G. A thermaldiffusion problem of hy-drogenation of a steel shell structure / I.G. Emel’yanov, V.I. Mironov // PNRPU Mechanics Bulletin. 2018. №3. Р.27–35.)
  18. Emelyanov, I.G. Strength analysis of thin-wall structures operating in aggressive environ-ments for prolonged periods / I.G. Emelyanov, A.N. Kislov // Mater. Phys. Mechanics. 2022. V.50. Is.3. P.475–484. DOI : 10.18149/MPM.5032022_10.
  19. Ivanyts’kyi, Ya.L. Determination of the durability of elements of power-generation equipment with regard for the influence of working media / Ya.L. Ivanyts’kyi, O.V, Hembara, O.Ya. Chepil // Mater. Sci. 2015. V.51. №1. P.103–113. DOI : 10.1007/s11003-015-9815-y.
  20. Трощенко, В.Т. Сопротивление материалов деформированию и разрушению. Ч.2 ; справ. пособ. / В.Т. Трощенко, А.Я. Красовский, В.В. Покровский [и др.]. – Киев : Наукова думка, 1994. 703 с. – (Troshchenko, V.T. Resistance of materials to deformation and destruc-tion. Pt.2 ; reference manual / V.T. Troshchenko, A. Ya. Krasovsky, V.V. Pokrovsky [et al.]. – Kyiv : Nauk. dumka, 1994. 703 p.)
  21. Гусенков, А.П. Длительная и неизотермическая малоцикловая прочность элементов конструкций / А.П. Гусенков, П.И. Котов. – М.: Машиностроение, 1988. 264 с. – (Gusenkov, A.P. Long-term and non-isothermal low-cycle strength of structural elements / A.P. Gus-enkov, P.I. Kotov. – Moscow : Mashinostroeniye, 1988. 264 p.)
  22. Nguyen, H.T. Structural strength scaling law for fracture of plastic-hardening metals and testing of fracture properties / H.T. Nguyen, A.A. Donmez, Z.P. Bazant // Extreme Mech. Lett. 2021. V.43. Art.101141. https://doi.org/10.1016/j.eml.2020.101141
  23. Abdullah, L. Fatigue reliability and hazard assessment of road load strain data for deter-mining the fatigue life characteristics / L. Abdullah, S.S.K. Singh, S. Abdullah, A.H. Azman, A.K. Ariffin // Eng. Failure Analysis. 2021. V.123. Art.105314. DOI : 10.1016/j.engfailanal.2021.105314.
  24. D’Angela, D. Acoustic emission entropy: An innovative approach for structural health monitoring of fracture-critical metallic components subjected to fatigue loading / D. D’Angela, M. Ercolino // Fatigue and Fracture of Eng. Mater. Struct. 2021. V.44. №4. P.1041–1058. https://doi.org/10.1111/ffe.13412
  25. Li, S. A proposal on ultra-low cycle fatigue damage evaluation of structural steels / S. Li, X. Xie, Q. Tian, Z. Zhang, C. Cheng // Theor. Appl. Fracture Mech. 2021. V.114. Art.102973. https://doi.org/10.1016/j.tafmec.2021.102973
  26. Manai, A. Fatigue assessment of metallic structures under variable amplitude loading / A. Manai, M. Al-Emrani // Procedia Structural Integrity. 2019. V.19. P.12–18. https://doi.org/10.1016/j.prostr.2019.12.003
  27. Lemzikov, A.V. Training artificial neural networks for predicting properties of steels / A.V. Lemzikov, S.P. Kundas // Informatika. 2009. №4(24). P.101–111.
  28. Yussupova, L. Prediction of strength properties of natural fiber-porous composites by neu-ral networks / L. Yussupova, А. Sokolovskiy, S. Munasipov, L. Kulkaeva, M. Kunelbayev // Mater. Phys. Mech. 2021. V.47. Is.4. P.613–620. DOI : 10.18149/MPM.4742021_9.
  29. Aladjev, V.Z. Mathematica : Functional and procedural programming / V.Z. Aladjev, M.L. Shishakov, V.A. Vaganov ; 2nd ed. – [S.l.] : KDP Press, 2020. 396 p.
  30. Емельянов, И.Г. Предельное состояние стальной конструкции при экстремальной термомеханической нагрузке / И.Г. Емельянов, А.Н. Кислов // Вестн. Пермского нац. исслед. политехн. ун-та. Механика. 2024. №2. С.59–68. – (Emel’yanov, I.G. A thermaldiffusion problem of hydrogenation of a steel shell structure / I.G. Emel’yanov, A.N. Kislov // PNRPU Mechanics Bulletin. 2024. №2. Р.59–68.) DOI : 10.15593/perm.mech/2024.2.07.
  31. Зубченко, А.С. Марочник сталей и сплавов / А.С. Зубченко, М.М. Колосков, Ю.В. Каширский [и др.] ; 2-е изд. – М. : Машиностроение, 2003. 784 с. – (Zubchenko, A.S. Brand of steels and alloys / A.S. Zubchenko, M.M. Koloskov, Yu.V. Kashirsky [et al.] ; 2nd ed. – Mos-cow : Mashinostroeniye, 2003. 784 p.)
  32. Третьяков, А.В. Механические свойства металлов и сплавов при обработке давлением / А.В. Третьяков, В.И. Зюзин. – М. : Металлургия, 1973. 224 с. – (Tretyakov, A.V. Mechani-cal properties of metals and alloys during pressure treatment / A.V. Tretyakov, V.I. Zyuzin. – Moscow : Mashinostroeniye, 1973. 224 p.)
  33. Manson, S.S. Thermal stress and low-cycle fatigue / S.S. Manson. – N.Y. : McGraw-Hill, 1966. 404 p.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Фиг. 1. Оболочка вращения в криволинейной ортогональной и декартовой системах координат

Скачать (313KB)
Метаданные
3. Фиг. 2. Схематизированная диаграмма растяжения для стали Ст3 σ = f(ε)

Скачать (177KB)
Метаданные
4. Фиг. 3. Расчетная схема защитной оболочки (половина оболочки)

Скачать (205KB)
Метаданные
5. Фиг. 4. Графики интерполяционной функции Н(t) для температур до 500 °С и экстраполяционной функции Н(t) для температур >500 °С: точки – значения из табл. 2

Скачать (348KB)
Метаданные
6. Фиг. 5. Ресурс оболочечной конструкции (число циклов до разрушения) при различных тепловых режимах эксплуатации

Скачать (316KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2025