Comparative analysis of strength processing methodologies in rocket-space and nuclear industries

Abstract

In order to systematize the approaches to the settlement and experimental confirmation of strength of newly created rocket and space products using nuclear power sources, the article analyz-es the methodologies for ground processing of strength, used in aerospace and nuclear engineering.

Full Text

УДК 539.4: 620.17 Сравнительный анализ методологий обработки прочности изделий ракетно-космической и атомной отраслей промышленности к.т.н. Владимиров С.А., Кондратенко М.А. ФГУП «Центральный научно-исследовательский институт машиностроения» +7 (495) 513-59-14, S.A.Vladimirov@tsniimash.ru, +7 (495) 513-43-26, KondratenkoMA@tsniimash.ru Аннотация. С целью систематизации подходов к расчетноэкспериментальному подтверждению прочности вновь создаваемых изделий ракетно-космической техники, использующих ядерные источники энергии, в статье дан анализ методологий наземной отработки прочности, применяемых в ракетно- космической и ядерной технике. Ключевые слова: отработка прочности, нормативные документы, методы испытаний, характеристики материалов. Введение Одним из основополагающих требований к конструкциям ракетно-космической техни- ки (РКТ) является требование обеспечения прочности, учитываемое на всех этапах проекти- рования, разработки и опытной эксплуатации создаваемых изделий. Этапы проектирования изделий и последующей их экспериментальной отработки яв- ляются основными этапами создания конструкций РКТ и включают в себя: разработку нормативных документов, определяющих объем отработки прочности, необ- ходимый и достаточный для обеспечения заданной в техническом задании (ТЗ) на изде- лие надежности; разработку методов испытаний конструкции на прочность и создание необходимой экс- периментальной базы; определение физико-механических характеристик конструкционных материалов; разработку методов определения различного рода нагрузок и проведение расчетов нагру- зок; разработку методов расчетов на прочность и оптимизации габаритно-массовых характе- ристик создаваемых изделий; проведение расчетов на прочность и оптимизацию габаритно-массовых характеристик создаваемых изделий; проведение экспериментальной отработки прочности создаваемых изделий и их СЧ. Стоит, однако, понимать, что обозначенные этапы отработки прочности создаваемых изделий РКТ и их составных частей (СЧ) тесно взаимосвязаны друг с другом. Так, к приме- ру, разработка нормативной документации, включающей объемы проведения расчетно- экспериментальных работ, невозможна без понимания используемых методов проведения расчетов на прочность, а так же закладываемых в них критериев разрушения исследуемых конструкций и степеней их достоверности. Проведение экспериментальной отработки проч- ности изделия невозможно без знания типовых нагрузок, действующих на него на различных этапах его эксплуатации и методов их идентификации. Разработка расчетных схем, необхо- димых для проведения поверочных и оценочных расчетов, так же требует знания физико- механических характеристик конструкционных материалов и критериев их разрушения. Приведенные примеры показывают суть проблематики отработки прочности любого рода конструкций (в том числе относящихся к ядерной энергетике) - необходимости исполь- зования существующего опыта по отработке прочности рассматриваемого класса изделий. В случае отсутствия такового, должны быть использованы наработки в смежных областях, максимально приближенных к исследуемой. Таким образом, обобщение накопленного опыта отработки прочности изделий на эта- пах их проектирования, разработки и опытной эксплуатации позволяет накапливать знания и применять их при создании новых, «революционных» конструкций, разрабатываемых на стыке различных областей машиностроения. Основные положения наземной отработки прочности Принципы отработки прочности изделий вырабатываются десятилетиями и строятся на основе анализа результатов их эксплуатации, как положительных, так и отрицательных. Основным принципом отработки прочности конструкции является необходимость экс- периментального подтверждения любых конструктивных решений на всех этапах ее созда- ния [1, 2]. Испытания на прочность позволяют проводить проверку соответствия полученных экспериментальным путем коэффициентов запасов прочности конструкции показателям ее надежности, закладываемым в ТЗ на ее создание. Проведение экспериментальной отработки, в принципе, возможно как в наземных условиях, так и в процессе летной эксплуатации создаваемых изделий. Одним из главных принципов отработки прочности является приоритет наземной отработки над летными испы- таниями. В ракетно-космической отрасли отступления от данного правила возможны лишь в случае невозможности имитации расчетных случаев в наземных условиях. При возникнове- нии подобных ситуаций коэффициенты запасов прочности создаваемых конструкций увели- чивают. Во всех остальных случаях первичное проведение наземной отработки прочности конструкции является обязательным. В ядерной энергетике, в силу требований обеспечения беспрецедентной безопасности персонала и защиты от радиационного заражения окружающей среды, указанный принцип отработки прочности к «горячим» конструкциям не применим. При этом стоит понимать, что под «лётной» отработкой прочности в данном случае понимается отработка конструктивных решений на работающем реакторе, что в принципе недопустимо. К любому пуску ядерной установки в части отработки ее прочности может быть применено только одно условие - требование проведения обязательного анализа влияния принятых конструктивных решений на статистику успешной эксплуатации ядерных энергоустановок (ЯЭУ). На последнем примере мы приходим к еще одному важному принципу отработки прочности - необходимости вынесения окончательного суждения о прочности только после проведения испытаний натурных и штатных конструкций, что, применительно к ЯЭУ, воз- можно лишь в процессе «лётной» эксплуатации создаваемого изделия. Цикл прочностной отработки изделий должен содержать следующие основные этапы: проведение экспериментальных исследований по обоснованию выбора расчетной схемы (математической модели) проектируемой конструкции; определение физико-механических характеристик конструкционных материалов; проведение конструкторско-доводочных (КДИ), зачетных (ЗПИ) прочностных испытаний и заводских: контрольно-технологических (КТИ) и контрольно-выборочных испытаний (КВИ). На первом этапе устанавливается расчетная схема, определяется комплекс физико- механических характеристик, влияющих на прочность создаваемой конструкции. В случае создания принципиально новых изделий с применением новых материалов, неисследован- ных ранее конструктивных схем и условий нагружения, в обязательном порядке проводится ряд экспериментальных работ в обоснование выбора принятой расчетной схемы. На втором этапе определяют физико-механические характеристики используемых кон- струкционных материалов в условиях нагружений, максимально приближенным к условиям эксплуатации создаваемых изделий, как в условиях радиационного облучения, так и без него. В то время как требование проведения КТИ и КВИ относится к этапу подтверждения прочности серийно выпускаемых партиями узлов и агрегатов создаваемых конструкций и применительно к единичным деталям является необязательным, проведение КДИ и ЗПИ яв- ляются основными этапами отработки прочности вновь разрабатываемых изделий ракетно- космической и ядерной отраслей. На этапе КДИ подтверждается прочность ранее не отрабатывавшихся силовых узлов и агрегатов исследуемых конструкций (трубопроводы, сосуды внутреннего давления из новых конструкционных материалов, силовые рамы конструкций и многое другое). В случае обна- ружения недостаточных запасов прочности конструкция дорабатывается, и правится, при необходимости, принятая за основу расчетная схема. На этапе КДИ подтверждается пра- вильность принятых конструкторских решений, проверяется достоверность принятых мето- дов расчета на прочность, дорабатываются методы определения нагрузок и, тем самым, за- канчивается этап проектирования изделия. Этап ЗПИ проводится в подтверждение запасов прочности, обоснованных на этапе КДИ, с целью допуска создаваемого изделия к проведению лётных испытаний. Также на эта- пе ЗПИ определяются фактические запасы прочности конструкции, без знания которых не- возможно проведение работ по оптимизации баланса запасов прочности и габаритно- массовых характеристик создаваемого изделия. Нормативное обеспечение отработки прочности Основным документом, определяющим идеологию и методологию отработки прочно- сти, являются Нормы прочности создаваемого изделия. Нормы устанавливают требования, минимально необходимые для выдачи обоснованного заключения о прочности изделия. Нормы прочности строятся на основе Норм и иных директивных положений, действу- ющих для деталей и сборочных единиц создаваемого изделия. Такой подход позволяет акку- мулировать в едином документе многолетний опыт в области создания и отработки соответ- ствующих подсистем и учитывать особенности, присущие только создаваемой конструкции. Нормы прочности должны содержать следующие основные разделы [1, 2, 4]: “Введение”, определяющее область применения Норм; “Термины и определения” основных понятий Норм; “Общие положения” допуска изделий к натурным (летным) испытаниям; “Требования к определению нагрузок”, включающие перечень и общие требования к ме- тодам расчета и определения действующих на изделие нагрузок; “Требования к методам проведения расчетов”, включающие методологию построения основных расчетных схем и соответствующих допустимых значений запасов прочности; “Требования к экспериментальной отработке” изделия. С учетом и на основе Норм прочности составляется последующая документация, уста- навливающая алгоритм прочностной отработки изделия. Основные требования к составу и содержанию такой документации для различных изделий излагаются в директивных доку- ментах соответствующих отраслей машиностроения. Для изделий ракетно-космической отрасли основным директивным документом, регла- ментирующим процесс создания (исследования, разработки, экспериментальной отработки, изготовления опытных образцов, проведения летных испытаний), серийного производства, эксплуатации, обеспечения качества и надежности, является РК-11-КТ [3]. Для критического оборудования и трубопроводов ЯЭУ требования к проведению про- ектных, конструкторских, технологических, монтажных, эксплуатационных и ремонтных ра- бот изложены в Правилах ПНАЭ Г-7-008-89 [4] и НП-044-03 [6], выполнение которых явля- ется обязательным в обеспечение выполнения требований положений по обеспечению без- опасности ОПБ-88-97 [7] и НП-033-11 [8]. Порядок проведения автономных, комплексных и межведомственных испытаний изде- лий РКТ и их СЧ утверждается в разрабатываемых исполнителями программах эксперимен- тальной отработки, включающих [1, 2]: перечень узлов и агрегатов создаваемого комплекса, подвергаемых испытаниям; цели и задачи испытаний (в том числе испытаний путем математического моделирова- ния), а так же порядок и последовательность их выполнения; виды автономных и комплексных испытаний, включая огневые, прочностные, вибро- прочностные, акустические, динамические, пневмогидравлические, ресурсные, механиче- ские и т.п. Количество изделий, подвергаемых автономным и комплексным испытаниям. Число испытаний; требования по обеспечению максимальной имитации реальных условий функционирова- ния изделий при наземной отработке и проведению испытания изделий на предельно до- пустимых (экстремальных) режимах функционирования. При этом стоит понимать, что требования, предъявляемые к содержанию программ экспериментальной отработки изделий РКТ, в полной мере применимы и к ЯЭУ, включая проведение экспериментальных обоснований основных проектных решений. При этом во- просы воссоздания и имитации аварийных ситуаций на ЯЭУ должны решаться с применени- ем специальных методик расчета активной зоны, систем и оборудования ЯЭУ, а также вери- фицированного и аттестованного программно-математического обеспечения [8]. Методология проведения расчетов на прочность Одним из обязательных этапов проектирования и отработки любого рода конструкций является проведение расчетов на прочность - анализа напряжений и деформаций, возника- ющих вследствие воздействия как внешних, так и внутренних температурно-силовых или иных нагрузок. Основой для проведения анализа напряженно-деформированного состояния (НДС) яв- ляются исходные данные по структуре деталей и сборочных единиц (ДСЕ) конструкции, фи- зико-механическим характеристикам применяемых материалов, расчетным случаям и нагрузкам. Данные по структуре ДСЕ изделия должны содержать чертежно-конструкторскую до- кументацию с указанием применяемых материалов. Физико-механические характеристики материалов должны быть определены в соответствии действующими нормативными доку- ментами во всех диапазонах температур режимов эксплуатации создаваемого изделия. При проведении расчетов следует учитывать наиболее неблагоприятное сочетание ре- жимов эксплуатации создаваемого изделия с ЯЭУ, в том числе: максимальный и промежуточные режимы работы ядерного реактора (ЯР). При расчете на прочность учитываются нагрузки и температуры, связанные с рабочим процессом; режимы запуска, останова, нарушения нормальной работы и аварии ЯР. Учитываются за- бросы давления (в том числе, давления при гидравлическом ударе), забросы оборотов ТНА системы преобразования тепловой в электрическую энергию и резкие перепады температур; режим гидроиспытаний или гидроопрессовки ДСЕ изделий с ЯЭУ; режим технологических разгонных испытаний (для вращающихся элементов, роторов, дисков ТНА); режим транспортировки. Учитываются статические и динамические усилия, вибропере- грузки и частоты, определяемые экспериментально при всех видах транспортировки; режим выведения и полёта изделий с ЯЭУ. При расчете на прочность учитываются инер- ционные силы. Для каждого из режимов эксплуатации должны быть составлены расчетные схемы с определением мест приложения и величин локальных нагрузок, областей и законов измене- ния распределенных нагрузок и температурных полей, а также областей, подверженных ра- диационному облучению. Для каждой из расчетных схем должен быть обоснован выбор метода решения систем дифференциальных уравнений, описывающих НДС ДСЕ изделий РКТ с ЯЭУ. Методы и про- граммное обеспечение, используемые для расчетов, должны быть верифицированы на основе сопоставления результатов расчетов типовых задач с теоретическими решениями и данными сопоставительных расчетов по другим методам и программам, используемым в практике ра- кетно-космической и ядерной техники или по верифицированным в установленном порядке программам. В случае использования метода конечных элементов (МКЭ) должны быть указаны и обоснованы типы применяемых конечных элементов, а так же проведены работы по верифи- кации достоверности полученных результатов путем сгущения конечно-элементных сеток. В результате анализа НДС для каждой из расчетных схем должны быть определены за- пасы статической, длительной статической, мало - и много - цикловой, длительной цикличе- ской прочности и устойчивости. При проведении расчетов «горячих» ДСЕ ЯЭУ должны быть также учтены эффекты влияния радиационного облучения на физико-химические ха- рактеристики материалов и проведен сравнительный анализ запасов прочности с учетом и без этого влияния. По результатам проведенного анализа должно быть выдано заключение о прочности изделия. Нормируемые запасы прочности Запасы прочности характеризуют надежность узла и являются критериями сравнения напряженности создаваемого изделия с подобными объектами, удовлетворительно работаю- щими в эксплуатационных условиях. Нормы прочности регламентируют допустимые значения запасов статической, уста- лостной и длительной прочности основных деталей и узлов создаваемых изделий на всех этапах их разработки и эксплуатации. Запасы прочности определяются для наиболее тяжелых условий работы изделий в наземных и летных условиях. Нормированные запасы должны обеспечиваться во всем диа- пазоне эксплуатационных режимов, включая расчетные аварийные. Изделия РКТ В ракетно-космической отрасли является обязательным определение запасов прочности по общим и местным напряжениям. Запас по местным напряжениям разрешается заменять запасом по деформациям. Так же допускается замена запасов по общим и местным напряже- ниям запасами по предельной несущей нагрузке и предельной деформации, полученными путем конечно-элементного моделирования процесса деформирования и разрушения кон- струкции [9, 10]. Под общими понимаются напряжения, возникающие в детали от действия силовых нагрузок вдали от мест крепления, стыков и других концентраторов напряжений, а также вдали от точек приложения сосредоточенных нагрузок. При использовании конечно-элементных упругопластических расчетов в случаях, когда распределение напряжений неоднородно по сечению конструкции и трудно выделить общие напряжения, рекомендуется считать общими напряжения, осредненными по характерному сечению конструкции. Под местными понимаются напряжения, возникающие в зонах краевого эффекта, сты- ков, креплений и других концентраторов напряжений и, как правило, быстро затухающие по мере удаления от этих зон, в том числе возникающие от неравномерного нагрева детали. Нормы прочности изделий РКТ определяют следующие запасы [1, 2]: Запас статической прочности по напряжениям  m K   В , max где:  В - предел прочности материала детали при максимально возможной рабочей температуре детали с учетом времени работы на расчетном режиме в течение гарантийного ресурса работы. В качестве  max принимается наибольшее из значений главных напряжений  1 или интенсивности напряжений  i (по Мизесу). Запасы статической прочности регламентируются как по общим, так и по местным напряжениям. Запас статической прочности по пределу текучести для деталей, деформативность ко-  T торых должна быть ограничена, рабочей температуре. KT  , где:  T  max - предел текучести материала при В качестве предела текучести допускается принимать условный предел текучести мате- риала  0,2 . Запас по пределу текучести определяется по общим напряжениям. Запас статической прочности по деформациям K   пр i max , где: i max - максимальная интенсивность суммарных деформаций (упругих, пластических и деформаций ползуче- сти);  пр - предельная деформация. В качестве предельной деформации рекомендуется принимать относительное удлине- ние по диаграмме растяжения, соответствующее наибольшей нагрузке пр   B , при этом до- пускаются иные оценки предельной деформации при наличии расчетно-экспериментального обоснования деформационных границ разрушения применяемого материала. Запас прочности по деформациям вводится в первую очередь для деталей, в которых по условиям работы (например, огневая стенка камеры сгорания или зоны концентрации напряжений) неизбежно возникновение пластических деформаций. Запас статической прочности по разрушающим нагрузкам P P B K  разр , где: раб Pраб - максимальное значение рассматриваемого силового фактора (усилие, давление и пр.), действующего на деталь в рабочих условиях; приводящее к разрушению детали. Pразр - значение указанного силового фактора, Рабочие давления принимаются в расчет с учетом гидроудара. Давление гидроудара и запас прочности по разрушающим нагрузкам определяются расчетным или эксперименталь- ным путем. При экспериментальном определении запаса прочности по разрушающим нагрузкам учет влияния многократности запусков двигателя производится путем испытания до разру- шения после многократных нагружений до контрольных нагрузок (к примеру - посредством опрессовки). Запас прочности по долговечности вводится для ДСЕ, работающих многократно при пластических деформациях, определяемый отношением N N N K  пред. , где: раб. Nпред - предельное число циклов нагружения, вызывающее разрушение или нарушение функциони- рования детали при работе двигателя на наиболее опасном с точки зрения циклического нагружения режиме; N раб - максимальное рабочее (эксплуатационное) число циклов. Расчетное предельное число циклов следует определять по кривым малоцикловой уста- лости, полученным для данного материала в условиях рабочего диапазона температур и ра- бочей среды. Запас усталостной прочности  K  aN V  вводится для элементов, работающих в упруaЭ гой области и испытывающих в процессе работы переменные нагрузки, где:  aN ограниченный предел выносливости, соответствующий максимально возможному числу цик- лов нагружения, определяемый при усталостных испытаниях с соответствующей асим- метрией цикла на образцах при рабочей температуре с учетом концентрации напряжений;  aЭ амплитуда максимального переменного напряжения в детали, измеренная на работающем двигателе или рассчитанная. При расчетном определении запасов необходимо использовать кривые усталости, определенные по результатам усталостных испытаний образцов материала детали в услови- ях, максимально соответствующих эксплуатационным. Запас устойчивости рассчитывается для изделий, в которых в полетных или наземных испытаниях реализуются сжимающие усилия и определяется соотношением Ky= qкр/q, где: qкр - критическое значение нагрузки, вызывающее потерю устойчивости детали, уз- ла; q - максимальное эксплуатационное значение нагрузки. Изделия ядерной энергетики С целью исключения возможности создания ядерного реактора с недостаточными запа- сами прочности, Нормы прочности ЯЭУ обязывают проведение расчетов оборудования и трубопроводов ЯР в два этапа: расчет по выбору основных параметров, при выполнении которого необходимо учиты- вать действующие на оборудование и трубопроводы давления и усилия затяжек болтов и шпилек; поверочный расчет, включающий расчет на статическую, циклическую и длительную прочность, расчет на устойчивость и сопротивление хрупкому разрушению, а так же про- грессирующее формоизменение и вибропрочность. При расчетах по выбору основных размеров повышение пределов прочности и текуче- сти под действием облучения не учитывают. Снижение характеристик пластичности, сопро- тивления хрупкому, усталостному, длительному статическому разрушению и ползучести вследствие влияния облучения учитывают на втором этапе при проведении соответствую- щих поверочных расчетов с использованием этих характеристик. При проведении расчетов по выбору основных параметров вводится понятие номинального допускаемого напряжения [