О ВЛИЯНИИ МЕХАНИЗМА УПРОЧНЕНИЯ НА ПРИСПОСОБЛЯЕМОСТЬ СОСУДА ПОД ДАВЛЕНИЕМ В УСЛОВИЯХ ТЕРМОЦИКЛИЧЕСКОГО НАГРУЖЕНИЯ

  • Авторы: Федоренко Р.В1, Лукин А.В1, Муртазин И.Р1
  • Учреждения:
    1. Федеральное государственное автономное образовательное учреждение Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого, Санкт-Петербург, Россия
  • Выпуск: № 1 (2025)
  • Страницы: 117-128
  • Раздел: Статьи
  • URL: https://ered.pstu.ru/index.php/mechanics/article/view/4550
  • DOI: https://doi.org/10.15593/perm.mech/2025.1.09
  • Цитировать

Аннотация


В классических трудах по исследованию приспособляемости сосуда под давлением в условиях термоциклического нагружения материал конструкции принимается упруго-пластическим без упрочнения (идеальная пластичность). Решение задачи в данной постановке может быть получено аналитически и, как правило, приводится в виде так называемой «диаграммы Бри», построенной в осях механических и тепловых напряжений. В то же время поведение реального материала в условиях циклического термо-силового нагружения требует применения математических моделей изотропного, кинематического или смешанного изотропно-кинематического упрочнения, что оказывает значительное влияние на приспособляемость конструкции. Современные отечественные и зарубежные нормы проектирования (ПНАЭ, ГОСТ 59115, ASME, RCC-MR) высокотемпературных реакторных установок атомных станций (реакторы с жидкометаллическим теплоносителем, высокотемпературные газоохлаждаемые реакторы и др.) допускают возникновение пластических деформаций в материале, но ограничивают уровень их накопления в течение всего жизненного цикла конструкции. В частности, действующие стандарты регламентируют использование как упрощенной методики, основанной на классическом решении Бри для идеально-пластического материала, так и прямого конечно-элементного расчета жизненного цикла конструкции в условиях пластического деформирования и высокотемпературной ползучести. В настоящей работе рассматривается задача о термоциклическом нагружении сосуда под давлением с применением различных моделей упрочнения. Разработан численный алгоритм построения и анализа эволюции диаграмм приспособляемости в зависимости от числа циклов нагружения. Проводится конкретный числовой расчет процесса циклического термосилового нагружения сосуда под давлением, изготовленного из стали с известными параметрами моделей упруго-пластического деформирования. в контексте прогнозирования ресурса конструкции на основе действующих норм и правил проектирования корпусов и оборудования реакторных установок.

Полный текст

В настоящее время передовым направлением российской атомной промышленности является создание замкнутого топливного цикла, сердцем которого должен служить высокотемпературный реактор с жидкометаллическим теплоносителем [1]. Особенность работы подобных реакторов состоит в высоких уровнях механических и температурных нагрузок на корпус реакторной установки, а также циклический характер этих нагрузок в течение эксплуатации энергоблока. Еще одним ключевым направлением современной отечественной и мировой энергетики является замещение ископаемого топлива в различных высокотемпературных промышленных технологиях. С этой целью активно ведутся разработки отечественного высокотемпературного газоохлаждаемого реактора (ВТГР) с гелиевым теплоносителем, в результате работы которого может быть получено экологически чистое водородное топливо [2]. Разработки такого типа реактора начались в 60-х годах XX века в СССР, но до практической реализации доведены не были. Основными преимуществами данного реактора является высокая степень безопасности: нет риска возникновения пароциркониевой реакции, так как в конструкции микротвэлов не используются сплавы с цирконием, а в активной зоне нет воды. Однако в связи с высокой рабочей температурой реактора (более 800°C) проблемы эксплуатации материалов и расчетного обоснования прочности подобных ответственных конструкций не теряют своей актуальности. Современные нормы проектирования атомных станций [3-4] допускают оценку циклической прочности конструкций в условиях неупругого поведения. Упрощенные методики расчета позволяют с определенной степенью консерватизма определять возможность эксплуатации конструкции под действующими проектными нагрузками. Данные методики построены на применении диаграммы Бри [5] для определения характерной приспособляемости сосуда под давлением к термоциклическому нагружению. При таком подходе неупругое поведение материала описывается соотношениями идеальной пластичности. В случае неудовлетворения критериям циклической прочности по упрощенным методиками допускается проведение последовательных циклических расчетов с учетом нелинейной диаграммы деформирования материала с упрочнением, в результате которых определяется величина накопленной неупругой деформации, которая ограничена нормативными допускаемыми величинами. Однако нормативные документы не регламентируют тип механизма упрочнения, который должен быть заложен в расчетной модели, что имеет значительное влияние на итоговые величины накопленной неупругой деформации. Настоящая работа посвящена описанию влияния механизма упрочнения материала на приспособляемость сосуда под давлением в условиях термоциклического нагружения. Исследование проводится с применением программного средства конечно-элементного анализа Abaqus.

Об авторах

Р. В Федоренко

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого, Санкт-Петербург, Россия

А. В Лукин

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого, Санкт-Петербург, Россия

И. Р Муртазин

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого, Санкт-Петербург, Россия

Список литературы

  1. E.O. Adamov et al. Bystryj reaktor so svincovym teplonositelem BREST: ot koncepcii k realizacii tekhnologii [BREST fast reactor with lead coolant: from concept to technology implementation] // Atomnaya energiya. – 2020. – Vol. 129, №4. – p. 185-194
  2. Shamanin I.V., Gavrilov P.M. Vysokotemperaturnye jadernye jenergeticheskie tehnologii [High-temperature nuclear energy technologies]// Izvestija Tomskogo politehnicheskogo universiteta. – 2010. – Vol.316, №4. - p. 5-9
  3. GOST R 59115.10-2021. Obosnovanie prochnosti oborudovanija i truboprovodov atomnyh jenergeticheskih ustanovok. Utochnennyj poverochnyj raschet na stadii proektirovanija. Nacional'nyj standart RF [Substantiation of the strength of equipment and pipelines of nuclear power plants. An updated verification calculation at the design stage. The national standard of the Russian Federation], 2021
  4. ASME BPVC.III.5-2015. Division 5 – High Temperature Reactor
  5. Bree J. Elastic-plastic behaviour of thin tubes subject to internal pressure and intermittent high-heat fluxes with application to fast nuclear reactor fuel elements // Journal of Strain Analysis. – 1967. – Vol. 2, № 3. – pp. 226-238
  6. Rabotnov Ju. N. Mehanika deformiruemogo tverdogo tela [Solid mechanics]. — M.: Nauka, 1988. — 711 p
  7. Sedov L. I. Mehanika sploshnoj sredy [Mechanics of Continuous Media]. — M.: Nauka, 1994. — T. 1. — 528 s., T. 2. — 560 p
  8. Xue-fang Xie et al. Cyclic hardening/softening behavior of 316L stainless steel at elevated temperature including strain-rate and strain-range dependence: Experimental and damage-coupled constitutive modeling // International Journal of Plasticity. – 2019. - № 114. – pp. 196-214
  9. Halama R., Fumfera J. et al. Modeling the Strain-Range Dependent Cyclic Hardening of SS304 and 08Ch18N10T Stainless Steel with a Memory Surface // Metals. – 2019. – №9, 832. – 26 p
  10. Pelegatti M., Lanzutti A. et al. Cyclic plasticity and low cycle fatigue of an aisi 316l stainless steel: experimental evaluation of material parameters for durability // Materials. – 2021. – №14, 3588. – 20p
  11. Lei Chen et al. Low-cycle fatigue properties of austenitic stainless steel s30408 under large plastic strain amplitude // Advanced Steel Construction. – 2022. – Vol. 18, №1. – pp. 517-527
  12. Ho-Wan Ryu et al. Determination of Combined Hardening Parameters to Simulate Deformation Behavior of C(T) Specimen under Cyclic Loading // Procedia Structural Integrity. – 2018. – №13. – pp. 1932-1939
  13. Algarni M., Choi Y., Bai Y.. A unified material model for multiaxial ductile fracture and extremely low cycle fatigue of Inconel 718 // International Journal of Fatigue. 2017. – №96. – pp. 162-177
  14. Chaboche J.L., Van K.D., Cordier G.. Modelization of the Strain Memory Effect on the Cyclic Hardening Of 316 Stainless Steel // In Proceedings of the International Association for Structural Mechanics in Reactor Technology, Berlin, Germany, 9–21 August 1979; p. 12
  15. Lemaitre J., Chaboche J.L.. Mechanics of Solid Materials // Cambridge University Press: Cambridge, UK. - 1990. – 556 p
  16. Chaboche J.L.. Time-independent constitutive theories for cyclic plasticity // Int. J. Plast. – 1986. – №2. – pp. 149–188
  17. Chaboche J.L.. A review of some plasticity and viscoplasticity constitutive theories // Int. J. Plast. – 2008. – №24. – pp. 1642–1693
  18. Fedorenkov D.I., Kosov D.A., Tumanov A.V. A method for determining the constants and parameters of a damage accumulation model with isotropic and kinematic hardening // Physical Mesomechanics. – 2022. – Vol.26, №6. – pp. 63-74
  19. Ansys 2021R2 Theory Guide – Ansys Inc, 2021
  20. Abaqus 2017 Theory Guide – Dassault Systems, 201
  21. Ambroziak A. Numerical modeling of elasto-viscoplastic Chaboche constitutive equations using MSC.MARC // Task quarterly. – 2005. – Vol. 9, №2. – pp 157-166
  22. Bradford R.A.W. The Bree problem with primary load cycling in-phase with the secondary load // Int. J. of Pressure Vessels and Piping. – 2012. – №99. – С. 44-50
  23. Bradford R.A.W. The Bree problem with primary load cycling out-of-phase with the secondary load // Int. J. of Pressure Vessels and Piping. – 2017. – №154. – С. 83-94
  24. Messner M.C., Sham T.-L., Wang Y., N-bar problems as approximations to the Bree problem // ASME 2018 Pressure Vessels and Piping Conference, American Society of Mechanical Engineers Digital Collection, 2018
  25. Chernyavsky O.F., Chernyavsky A.O. Predel'nye sostoyaniya i koefficienty zapasa pri povtornyh nagruzheniyah [Limit states and safety factors under repeated loading] // PNRPU Mechanics Bulletin. – 2020. – №3. – pp 125–135
  26. Chernyavsky O.F., Chernyavsky A.O. Opisanie deformacionnyh svojstv materialov pri raschetah malociklovoj ustalosti [Description of the deformation properties of materials in low-cycle fatigue calculations] // Bulletin of the South Ural State University, series “Mathematical. Mechanics. Physics”. – 2021. – Vol.13, №3. – pp 53-61
  27. Khokhlov A.V. Analiz obshchih svojstv krivyh polzuchesti pri ciklicheskih stupenchatyh nagruzheniyah, porozhdaemyh linejnoj teoriej nasledstvennosti [Analysis of creep curves produced by the linear viscoelasticity theory under cyclic stepwise loadings] // Vestn. Samar. Gos. Tekhn. Univ., Ser. Fiz.-Mat. Nauki. – 2017. – Vol.21. №2. – pp 326-361
  28. Turkova V.A. Inkremental'nyj analiz dvuhosnogo nagruzheniya plastiny s krugovym otverstiem: prisposoblyaemost', znakoperemennaya plastichnost' i retcheting [Incremental analysis of twoaxial loading of the plate with central circular hole: shakedown (accomodation), alternating plasticity, ratcheting] // Vestnik SamGU. – 2015. – №3 (125). – pp 106-124
  29. Turkova V.A., Stepanova L.V. Razlichnye rezhimy ciklicheskogo nagruzheniya neuprugoj plastiny: konechno-elementnyj analiz dvuhosnogo nagruzheniya uprugoplasticheskoj plastiny s ellipticheskim vyrezom [Finite element analysis of biaxial cyclic tensile loading of elasto-plastic plate with central elliptical hole] // PNRPU Mechanics Bulletin. – 2016. – №3. – pp 207–221
  30. Bondar V.S., Abashev D.R., Petrov V.K. Plastichnost' materialov pri proporcional'nyh i neproporcional'nyh ciklicheskih nagruzheniyah [Plasticity of materials with proportional and nonproportional cyclic loading] // PNRPU Mechanics Bulletin. – 2017. – №3. – pp 53–74
  31. Bondar V.S., Abashev D.R., Petrov V.K. Sravnitel'nyj analiz variantov teorij plastichnosti pri ciklicheskih nagruzheniyah [Comparative analysis of variants of plasticity theories under cyclic loading] // PNRPU Mechanics Bulletin. – 2017. – №2. – pp 23–44
  32. Pei X., Dong P., Mei J.. The effects of kinematic hardening on thermal ratcheting and Bree diagram boundaries // Thin-Walled Structures. – 2021. – №159. – 159 p
  33. Pei X., Dong P.. A universal approach to ratcheting problems of Bree type incorporating arbitrary loading and material nonlinearity conditions // International Journal of Pressure Vessels and Piping. – 2020. – №185. – 13 p
  34. Morozov N.F., Fedorenko R.V., Lukin A.V. Chislennyj metod analiza prisposoblyaemosti uprugo-plasticheskih tel pri peremennyh nagruzkah [Computational method for ratcheting analysis of the elastoplastic bodies under cyclic loads] // Composites and Nanostructures. – 2024. – Vol.16, №1. – pp. 69-8

Статистика

Просмотры

Аннотация - 5

PDF (Russian) - 3

Cited-By


PlumX


© Федоренко Р.В., Лукин А.В., Муртазин И.Р., 2025

Creative Commons License
Эта статья доступна по лицензии Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License.

Данный сайт использует cookie-файлы

Продолжая использовать наш сайт, вы даете согласие на обработку файлов cookie, которые обеспечивают правильную работу сайта.

О куки-файлах