Модели, методы и алгоритмы прогнозирования показателей сопротивления усталости металлов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.01, доктор технических наук Андреев, Вячеслав Викторович

• Андреев, Вячеслав Викторович
• доктор технических наук
• 2005

Оглавление диссертации доктор технических наук Андреев, Вячеслав Викторович

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. Усталость металлов.

1.1. Усталость металлов.

1.2. Способы представления результатов испытаний на усталость.

1.3. Показатели сопротивления усталости металлов.

1.4. Влияние различного рода факторов на показатели сопротивления усталости металлов: и сплавов.

1.4.1. Асимметрия цикла нагружения.

1.4.2. Температура испытаний.

1.4.3. Коррозионная активность окружающей среды.

1.4.4. Частота циклов нагружения.

1.4.5. Концентрация напряжений.

1.4.6. Масштабный фактор.

1.4.7. Состояние поверхности .;.

1.4.8. Металлургические и структурные факторы

1.5. Определение показателей сопротивления усталости

1.5.1. Экспериментальное определение показателей сопротивления усталости.

1.5.2. Методы прогнозирования показателей сопротивления усталости

1.6. Существующие проблемы при определении показателей сопротивления усталости.

1.7. Цели и задачи исследования.

Глава 2. Факторный анализ экспериментальных данных для их исследования и разработки системы моделей, методов и алгоритмов прогнозирования.

2.1. Характеристика источников экспериментальных данных.

2.2. Систематизация данных по усталости металлов и сплавов.

2.2.1. Систематизация исходных данных по маркам сталей и сплавов.

2.2.2. Систематизация исходных данных по схемам нагружения.

2.2.3. Систематизация исходных данных по средам, в которых выполнялось нагружение образцов или деталей.

2.2.4. Систематизация исходных данных по температурам испытаний.

2.2.5. Систематизация исходных данных по форме поперечного сечения образцов и деталей.

2.2.6. Систематизация исходных данных для учета масштабного фактора.

2.2.7. Систематизация исходных данных по частоте цикла действующей нагрузки.

2.2.8. Систематизация исходных данных по режимам термообработки.

2.2.9. Систематизация исходных данных по способам механической обработки поверхности образцов или деталей.

2.2.10. Систематизация исходных данных по чистоте механической обработки поверхности образцов или деталей.

2.3. Общая характеристика базы данных для хранения информации по усталости металлов и сплавов.

2.4. Общая характеристика исследуемых экспериментальных данных.

Глава 3. Закономерности поведения металлических материалов при циклическом нагружении как основа для создания системы методов прогнозировании

3.1. Выявление закономерностей в поведении металлов при циклическом нагружении.

3.2. Поиск способов обобщения; разнородной информации по усталости металлов.

3.2.1. Нормировка экспериментальных данных.

3.2.2. Оценка эффективности преобразования информации по усталости металлов.

3.3. Преобразование информации по экспериментальным данным для получения обобщенной зависимости.;.

3.4. Анализ чувствительности обобщенной зависимости к выбору приведенных показателей

3.5. Связь в представлении результатов циклического нагружения в приведенной и • традиционных системах координат.

3.6. Топография обобщенной зависимости приведенных параметров сопротивления усталости металлов.

Глава 4. Информационное обеспечение разрабатываемой системы методов прогнозирования показателей сопротивления усталости металлов и сплавов.

4.1. Выявление эквивалентных кривых для обобщенной зависимости приведенных . параметров сопротивления усталости в ходе выполнения анализа чувствительности.

4.2. Определение положения линий уровня для обобщенной зависимости.

4.3. "Гомологическое напряжение" и обобщенная поверхность приведенных показателей сопротивления усталости.

4.4. Эквивалентные комплексы показателей сопротивления усталости.

4.5. Программа визуализации результатов исследования кривых усталости и построения обобщенной поверхности приведенных показателей сопротивления усталости.

4.6. Построение факторных функций корректировки

Глава 5. Система алгоритмов, моделей и методов прогнозирования показателей сопротивления усталости металлов и сплавов

5.1. Решение задачи прогнозирования.

5.2. Общая схема разработанной системы методов прогнозирования показателей сопротивления усталости металлов и сплавов.

5.3. Использование результатов преобразования разнородной информации по показателям сопротивления усталости.

5.4. Методика качественного анализа

5.5. Методы количественного анализа.

5.5.1. Метод прогнозирования с использованием обобщенной зависимости приведенных показателей сопротивления усталости метод сечений).

5.5.2. Метод прогнозирования с использованием свойств структурно-чувствительного параметра сопротивления усталости

5.5.3. Метод прогнозирования с использованием обобщенной поверхности приведенных параметров сопротивления усталости (метод проекций).

5.5.4. Метод прогнозирования с :использованием факторных функций корректировки.

5.6. Программа прогнозирования показателей сопротивления усталости с использованием искусственных нейронных сетей

Глава 6. Практическое применение разработанной системы методов прогнозирования показателей сопротивления усталости.

6.1. Прогноз показателей сопротивления усталости с использованием ограниченных по объему испытаний на усталость.

6.2. Прогноз показателей сопротивления усталости с использованием результатов испытаний по статическому нагружению образцов.

6.3. Прогноз показателей сопротивления усталости с использованием обобщенной зависимости и обобщенной поверхности приведенных показателей сопротивления усталости

6.4. Уточнение прогнозируемых показателей сопротивления усталости с использованием факторных функций корректировки и искусственных нейронных сетей

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Модели, методы и алгоритмы прогнозирования показателей сопротивления усталости металлов»

Довольно трудно представить себе деталь или конструкцию, которая не испытывала бы циклического нагружения. Периодически действующие нагрузки могут быть представлены сменами высокого и низкого давления, термоциклированием, эксплуатационными нагрузками различной частоты и асимметрии цикла нагружения. В случае повторных циклических нагрузок конструкционный материал разрушается при напряжениях, значительно меньших, чем в случае постоянных нагрузок. Как принято говорить, конструкционный материал "устает". Явление усталости конструкционных .материалов известно достаточно давно. "Сознательное" (то есть системное) его изучение началось с конца XIX века, с момента опубликования исследовательских работ Велера. За прошедшее время были достигнуты значительные успехи в построении различных теорий, объясняющих природу процессов, происходящих в конструкционном материале при периодическом воздействии на него нагрузок различной рода. Однако из года в год в работах разных авторов продолжает появляться вывод о том, что законченной картины описания процессов накопления повреждений в металлическом материале при периодическом нагружении получить, пока не удается. Можно предположить, что причинами этого является высокая стоимость и объективно ограниченный, поэтому, объем доступных экспериментальных данных по усталости металлов и сплавов, выполнение работ по исследованию влияния ограниченного количества факторов, на ограниченных диапазонах изменения количественных параметров, характеризующих эти факторы - это лишь некоторые причины, не позволяющие объединять экспериментальные данные в рамках единых моделей. С другой стороны, во все большем количестве работ, посвященных исследованию данной проблемы, авторы обращают внимание на перспективность и возможность получения практически полезной информации об усталости металлов и сплавов на основе междисциплинарных позиций и приемов, на основе привлечения методологии системного анализа, синергетики, теории катастроф.

Эффективное проектирование и обеспечение безопасной эксплуатации различных технических объектов требует точного знания величины показателей сопротивления усталости материалов для назначения допустимых эксплуатационных нагрузок и объективной оценки остаточного ресурса. В то же время высокая чувствительность показателей сопротивления усталости к действующим факторам, к их величине и конкретной совокупности делает задачу прогнозирования поведения материала при циклическом нагружении значительно более сложной, чем, например, в случае действия постоянной нагрузки.

Цель работы заключается в разработке новых методов, процедур и алгоритмов преобразования информации по усталости металлических конструкционных материалов, позволяющих реализовать эффективную работу информационных систем прогнозирования поведения металлов при периодическом нагружении и экспертных систем поддержки принятия решения.

Для достижения поставленной цели должны быть решены следующие основные задачи:

- выполнено исследование закономерностей изменения показателей сопротивления усталости металлов при циклических нагрузках и выявлены наиболее информативные параметры как основы для разработки способа универсального преобразования экспериментальных данных по усталости металлов и сплавов с целью их последующего обобщения;

- разработан способ универсального обобщения экспериментальных данных по усталости металлов и сплавов и оценена эффективность предлагаемого преобразования; разработаны математические модели описания свойств металлических конструкционных материалов при циклическом нагружении на основе предлагаемого преобразования;

- разработан комплекс прикладных моделей и алгоритмов описания свойств металлических конструкционных материалов при циклическом нагружении использующих различные варианты исходных данных при постановке задачи и выполнена оценка точности прогнозирования с использованием разработанных моделей, методов и алгоритмов. разработана методология прогнозирования показателей сопротивления усталости металлов и сплавов.

Выполнение работы в соответствии с названными задачами является новым и практически значимым результатом. Научная новизна работы состоит в обосновании единого методологического подхода к разработке и исследованию моделей поведения металлических конструкционных материалов при циклическом нагружении, заключающегося в общности их описания и техники исследования на основе использования универсального преобразования параметров сопротивления многоцикловой усталости. Впервые предложена система преобразования экспериментальных данных по усталости, представляющая в своей основе статистическую предобработку данных и последующий выбор их по определенному алгоритму, построенному на базе обращения к физическим показателям накопления повреждений конструкционным материалом в процессе сопротивления его усталости.

Таким образом, в рамках предлагаемого преобразования экспериментальных данных по усталости используются свойства наиболее информативного показателя интенсивности процессов накопления повреждений, выраженного в форме угла наклона кривой усталости к оси числа циклов нагружения, связь его с другими показателями сопротивления усталости в логарифмической системе координат, процедура приведения однотипных экспериментальных данных для различных кривых усталости, эквивалентность результатов графического представления кривых усталости в различных системах координат. Предлагаемое преобразование, результаты которого подтверждаются экспериментальными данными, полученными разными авторами, позволяет реализовать обобщенную, универсальную зависимость, связывающую показатели сопротивления многоцикловой усталости металлов и сплавов при большом многообразии действующих факторов.

Практическая значимость данного преобразования очевидна -появляется возможность обобщения имеющихся разнородных экспериментальных данных, в том числе в составе баз знаний, содержащих высокоструктурированную информацию по показателям сопротивления усталости. Предложенные автором методы, процедуры и алгоритмы позволяют систематизировать информацию по показателям сопротивления усталости металлического конструкционного материала при циклическом нагружении, выявлять существующие связи между действующими факторами и уточнять количественные параметры этих связей, производить прогнозирование показателей сопротивления усталости при условии ограниченной информации по действующим факторам и условиям эксплуатации и решать оптимизационные задачи проектирования технических объектов, эксплуатируемых при циклическом нагружении.

С использованием обобщенной зависимости и поверхности приведенных параметров сопротивления усталости автором разработана система методов ускоренного построения кривой усталости металлов и оценки коэффициентов запаса по напряжению и долговечности для вновь проектируемого оборудования и объектов, находящихся в эксплуатации. Разработана информационная система прогнозирования характеристик металлов при циклическом нагружении. Ее структура может быть основой для реализации экспертной системы помощи конструктору в обоснованном выборе марки стали, способов изготовления и вида обработки поверхности технического объекта при проектировании машин и оборудования.

На защиту выносится:

1. Способ преобразования информации, содержащейся в экспериментальных данных по многоцикловой усталости металлов и его модификации позволяющие учитывать результаты испытаний на усталость с ограниченными пределами выносливости.

2. Результаты преобразования информации, содержащейся в экспериментальных данных по многоцикловой усталости металлов в виде обобщенной зависимости и поверхности приведенных параметров сопротивления усталости.

3. Математические модели, обобщенно описывающие поведение металлических конструкционных материалов при циклических нагрузках

4. Система методов исследования информации по усталости металлов и сплавов и ускоренного построения многоцикловой области кривой усталости металлов.

5. Результаты практического применения предложенного автором способа преобразования данных по усталости металлов как в форме прогнозируемых кривых усталости, так и различного вида математических зависимостей.

Результаты выполненных работ подтверждаются актами об использовании результатов прогнозирования показателей сопротивления усталости; выборе или отбраковки неподходящих марок сталей; использования информационной системы для прогнозирования показателей сопротивления усталости и в качестве информационно-справочного средства, полученными от Нижегородского ОАО "Гидромаш", ФГУП ЦНИИ "Буревестник", ОАО "Нижегородский авиастроительный завод "Сокол". Результаты работы внедрены в учебный процесс и используются при чтении лекционного курса и выполнении выпускных квалификационных работ студентами факультета материаловедения и высокотемпературных технологий и факультета информационных систем и технологий Нижегородского государственного технического университета.

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на ряде международных и всероссийских научно-технических конференциях, в том числе на III и IV международных конференциях "Идентификация систем и задачи управления - SICPR.0'04,'05", организованных Институтом проблем управления им. В. А. Трапезникова РАН (Москва, 2004, 2005 гг.), международной научной конференции "Технологическое управление качеством поверхности деталей машин", организованной Институтом сверхтвердых материалов НАНУ (Киев, 2003 г.), на международных конференциях "Надежность и качество в промышленности, энергетике и на транспорте" и "Актуальные проблемы надежности технологических, энергетических и транспортных машин", организованных Самарским научным центром РАН и Самарским государственным техническим университетом (Самара, 1999, 2003 гг.), а также на 4, 5 и 6-й международных конференциях "Интеграция. Информационные технологии. Телекоммуникации", "Информационное общество. Информационные ресурсы и технологии. Телекоммуникации", "Информационное общество. Интеллектуальная обработка информации. Информационные технологии", организованных ВИНИТИ РАН (Москва, 1999, 2000, 2002 гг.).

Основное содержание диссертации опубликовано в 116 работах общим объемом более 40 печатных листов. Из них одна монография "Предел выносливости металлов на обобщенной зависимости приведенных параметров сопротивления усталости", 7 статей представлены в научных изданиях, входящих в перечень, рекомендуемый ВАК Министерства образования и науки РФ, в частности в журналах "Известия РАН. Металлы",

Проблемы машиностроения и надежности машин", "Известия ВУЗов. Черная металлургия", "Контроль. Диагностика", "Научно-техническая информация", 9 статей депонировано в ВИНИТИ РАН, 55 статей * опубликовано в сборниках научных трудов, 19 тезисов докладов в трудах Международных и Всероссийских научно-технических конференций, 17 тезисов докладов в трудах региональных научно-технических конференций и семинаров. В Федеральной службе РФ по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам получено 7 свидетельств об официальной регистрации разработанных программ, а также патент Российский Федерации на полезную модель.

Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка использованной литературы и приложений.

Заключение диссертации по теме «Системный анализ, управление и обработка информации (по отраслям)», Андреев, Вячеслав Викторович

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Исследованы закономерности процесса разрушения металлических материалов при циклическом нагружении, приводящие при определенных условиях к появлению "особых точек" - точек перегиба в многоцикловой области кривой усталости. Особое состояние конструкционного материала в данных точках "потери устойчивости системы", соответствующее преобладающему переходу с одного на другой механизм накопления повреждений при периодическом нагружении, может служить основой для разработки универсальных способов систематизации и обобщения экспериментальной информации по усталости металлов и сплавов. •

2. Выполнен качественный факторный анализ в рамках системного исследования экспериментальных данных по многоцикловой усталости металлов и сплавов с целью выявления наиболее информативного параметра, определяющего положение кривой усталости в системе логарифмических координат. Предложена система параметров, позволяющих с единых позиций, обобщенно рассматривать процессы многоцикловой усталости для широкого круга металлов и сплавов в условиях разнообразных комбинаций действующих факторов.

3. Разработана (с использованием предложенных параметров) процедура преобразования традиционной формы представления экспериментальных результатов по многоцикловой усталости металлов и сплавов в систему приведенных координат на основе совместного использования нормировки на этапе предобработки данных с последующим расслоением их по информационному параметру.

4. Систематизированы экспериментальные данные по усталости металлов, полученные большим количеством авторов, для широкого круга марок сталей и сплавов, в условиях действия разнообразных комбинаций факторов и получена обобщенная зависимость приведенных параметров сопротивления усталости, оценены ее параметры, выполнен анализ чувствительности и значимости, подтверждающие универсальный характер полученной зависимости.

5. Введены новые расчетные характеристики состояния конструкционного материала "гомологическое напряжение" и "гомологическое число циклов нагружения", позволяющие сопоставлять различные объекты, находящиеся в условиях циклического нагружения на основе эквивалентности комплекса приведенных параметров сопротивления усталости. Обосновано понятие "эквивалентный образец" для обозначения системы, комплекс параметров сопротивления усталости которой эквивалентен комплексу параметров сопротивления усталости исследуемой системы.

6. Предложенная процедура обобщения данные по усталости металлов и сплавов распространена на широкий круг экспериментальных результатов, для которых физический предел выносливости не был определен, тем самым подготовлены предпосылки для получения обобщенной поверхности приведенных параметров сопротивления усталости, образованной кривыми эквивалентного состояния металлов, и имеющей большую, нежели обобщенная зависимость, область определения. Разработана система изолиний, однозначно характеризующая положение кривой усталости на обобщенной поверхности.

7. С использованием результатов построения обобщенной поверхности разработана система методов и алгоритмов, обеспечивающих прогнозирование показателей сопротивления усталости по различным формам исходных данных и результатам преобразования показателей сопротивления усталости, в том числе - с использованием ограниченных по объему испытаний на циклическую прочность.

8. Все выполненные исследования и разработки позволили построить целостное описание предметной области информационной системы (ИС), разработать структуру справочно-информационной системы, предназначенной для сбора, хранения и преобразования данных по усталости металлов, использующей в своей основе модель поведения металлических материалов при усталости на базе приведенных параметров. Основное практическое назначение информационной системы - прогнозирование положения кривой усталости металлов и сплавов и, как следствие - обеспечение выбора оптимальных с точки зрения сопротивления усталости материала марки стали, металла, сплава, способа его обработки и изготовления изделия.

9. Основные функциональные блоки ИС, включая базу данных показателей сопротивления усталости, блок прогнозирования показателей сопротивления усталости И блок визуального представления результатов испытаний на усталость в традиционной системе координат и системе приведенных показателей сопротивления усталости описаны и программно реализованы.:

Ю.Решен ряд задач практического использования предложенного преобразования показателей сопротивления усталости, начиная от использования в рамках поддержки принятия решения и подготовки недостающей информации при обучении искусственных нейронных сетей до прогнозирования показателей сопротивления усталости лабораторных образцов и натурных деталей. Оценена погрешность прогнозирования с использованием результатов стендовых испытаний натурных деталей автомобиля. Получено подтверждение о достаточной точности результатов прогноза в сравнении с результатами прочностных расчетов и натурными стендовыми испытаниями.

Список литературы диссертационного исследования доктор технических наук Андреев, Вячеслав Викторович, 2005 год

1. Олейник Н.В., Скляр С.П. Ускоренные испытания на усталость. Киев: Наук. Думка, 1985 -304 с.

2. Трощенко В.Т. Усталость и неупругость металлов . Киев: Наук. Думка, 1971. -268 с.

3. Акимов JI.M. Выносливость жаропрочных материалов. М.: Металлургия, 1977.- 152 с.

4. Иванова B.C., Терентьев В.Ф. Природа усталости металлов. М.: Металлургия, 1975.-455 с.

5. Иванова B.C. Усталостное разрушение металлов. М.: Металлургиздат, 1963. -344 с.

6. Кудрявцев И.В., Наумченков Н.Е. Усталость сварных конструкций. М.: Машиностроение, 1976. - 270 с.

7. Золотаревский B.C. Механические свойства металлов. М.: Металлургия, 1983. -438 с.

8. Коцаньда С. Усталостное разрушение металлов // Пер. Г.Н. Мехеда; Под. Ред. B.C. Ивановой. М.: Металлургия, 1976. - 456 с.

9. Шетулов Д.И. К оценке сопротивления усталости металлов по повреждению поверхностных аномальных слоев // Физ. хим. Механика материалов. 1984. -№6.-С. 117.

10. Шетулов Д.И., Андреев В.В. Прогнозирование долговечности деталей машин по нестандартным физико-механическим параметрам конструкционных материалов // Изв. РАН. Металлы. 1998. - № 3. - С. 55-59.

11. Усталость и выносливость металлов: Сб. Статей // Пер. с англ. В.К. Житомирского; Под ред. Г.В. Ужика. М.: ИЛ, 1963. 499с.

12. Трощенко В.Т., Хамаза JI.A., Цибанев Г.В. Методы ускоренного определения пределов выносливости металлов на основе деформационных и энергетических критериев. Киев: Наук. Думка, 1979. - 174 с.

13. Серенсен С.В. Исследования по жаропрочным сплавам. М.: Изд.-во АН СССР, 1959.-С.З-17.

14. Гаф Дж. Усталость металлов. М.: ОНТИ, 1935. - 304 с.

15. Усталость металлов и сплавов: Сб. статей / Под ред. B.C. Ивановой. М.: Наука, 1971.- 123 с.

16. Захарова Т.П., Балашов Б.Ф. Прочность литых лопаток ГТД при переменных нагрузках // Пробл. прочности. 1971. - №7. - С. 55 - 61 с.

17. Куфаев Н.В., Погребняк АД. Влияние параметров программ на долговечность жаропрочного материала при циклическом нагружении // Пробл. прочности. -1970. -№7-С. 17-21 с.

18. Синайский Б.Н., Погребняк А.Д., Ищенко И.И. О влиянии температуры испытаний на усталостную прочность сплавав ЖС6К // Пробл. прочности. -1972.-№2.-С.24-31 с.

19. Одинг И.А. Допускаемые напряжения в машиностроении и циклическая прочность металлов. М.: Машгиз, 1962. - 258 с.

20. Видман Д.Н. О строении изломов при аварийных разрушениях от усталости // Вестн. машиностроения. 1948. - №9. - С. 18 - 22.

21. Когаев В.П. Некоторые вопросы усталостной прочности стали. М.: Машгиз, 1953. С. 126-132.

22. Идзон М.Ф. Механическая обработка лопаток газотурбинных двигателей. М.: Оборонгиз. 1963.-317 с.23