Розробка методів математичного моделювання поведінки нових та композиційних матеріалів для оцінки ресурсу та прогнозування надійності елементів конструкцій

Сучасний етап розвитку технічного прогресу вимагає створення нових матеріалів. Це зумовлено технічними та економічними факторами. Так, більш широкі експлуатаційні режими роботи сучасних машинобудівних конструкцій потребують застосування матеріалів з більшою міцністю, витривалістю та стійкістю до навантажень різної природи, при цьому висуваються жорсткі обмеження щодо припустимої маси конструкцій та її вартості. Вирішення даної проблеми знаходиться в широкому застосуванні композиційних елементів конструкцій. Такі матеріали широко застосовуються у різних галузях машинобудування зокрема в авіаційній та енергетичній інженерії (корпуси, лопатки), медичній сфері (протези, імпланти), елементах військового обладнання (елементи броні та захисту, корпуси обладнання) та інші. Для забезпечення високих технічних та економічних показників нових матеріалів потрібно використовувати сучасні математичні моделі, що з високою долею достовірності зможуть визначати характеристики матеріалів, прогнозувати їх механічну. Одним актуальних завдань сучасного машинобудування є також обґрунтування ресурсу обладнання і систем інженерних об’єктів на стадії їх проектування, а також прогнозування їх залишкового ресурсу в процесі експлуатації. Визначення ресурсу конструкцій дозволяє спланувати ремонті роботи, регламентувати технічні огляди та гарантовані строки експлуатації, що зменшує економічні видатки на експлуатацію, а також дозволяє запобігти аварійним ситуаціям та несвоєчасним відмовам. Окреслені питання, звичайно, дозволяють запобігти  техногенним катастрофам, людським жертвам, витратами пов’язаними з простоєм або ремонтом. Тому створення математичних моделей для моделювання механічної поведінки, оцінки надійності та ресурсу машинобудівних елементів конструкцій з композиційними матеріалами є актуальною задачею, а її вирішення є запорукою підвищення конкурентоспроможності, забезпечення енергонезалежності та обороноздатності України.

Об’єктом роботи є процеси деформування елементів конструкцій з нових та композиційних матеріалів, а також процеси розвитку нелокалізованої пошкоджуваності та локалізованих об’ємних поверхневих дефектів, що формуються в елементах конструкцій під час експлуатації в наслідок втоми, повзучості та корозії.

Предметом роботи є параметри напружено-деформованого стану (НДС) машинобудівних конструкцій, який формується в експлуатації при умовах дії підвищених температур та механічного навантаження, зокрема і для елементів з експлутаційними дефектами, ресурс та надійність за критеріями довготривалої міцності.

Метою роботи є розробка розрахункових методів прогнозування надійності та аналізу конструкційної міцності нових та композитних матеріалів, а також визначення на основі запропонованих підходів закономірностей впливу деградаційних процесів, що викликані втомою, повзучістю, корозією та старінням таких матеріалів на ресурс елементів машинобудівних конструкцій в умовах експлуатації.

Завдання:

1. Запропонувати моделі мікро- та макро- рівнів для нових та композиційних матеріалів, що дозволяють аналізувати поведінку представницьких елементів цих матеріалів із явним урахуванням їх складових (корду, матриці, включень тощо), а також розробити підходи до аналізу та синтезу інтегральних характеристик зазначених матеріалів на основі процедур гомогенезації
2. Створити інформаційні системи для автоматизації аналізу та синтезу механічних характеристик композитних матеріалів на основі розроблених алгоритмів та моделей.
3. Розробити методику оцінки довготривалої міцності компонентів машин з метало-матричних композитів, що у процесі експлуатації знаходяться під дією високих температур з урахуванням анізотропії у властивостях повзучості та накопичення пошкоджуваності.
4. Провести теоретичні та експериментальні дослідження процесів формування теплового стану при циклічному деформуванні еластовимірних композитів
5. Створити параметричні моделі елементів конструкцій з нових та композитних матеріалів, розробити алгоритми та провести числові дослідження щодо особливостей нелінійного деформування оцінки та конструкційної міцності для ряду об’єктів транспортного, енергетичного та загального машинобудування, які будуть спрямовані на покращення їх технічних характеристик.
6. Розвинути методи та підходи до оцінки надійності та прогнозування ресурсу елементів машинобудівних конструкцій з урахуванням процесів накопичення втоми, розвиту корозії та термічної деградації фізичних характеристик матеріалів у часі.
7. На основі розроблених моделей і підходів та визначених характеристик нових і композитних матеріалів, провести комплекс розрахункових досліджень щодо оцінки надійності та ресурсу об’єктів транспортного, енергетичного та загального машинобудування.