Сравнительный анализ методологий обработки прочности изделий ракетно- космической и атомной отраслей промышленности

Аннотация

С целью систематизации подходов к расчетно-экспериментальному подтверждению проч-ности вновь создаваемых изделий ракетно-космической техники, использующих ядерные источники энергии, в статье дан анализ методологий наземной отработки прочности, приме- няемых в ракетно-космической и ядерной технике.

Полный текст

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 [