Preview

Вестник Концерна ВКО «Алмаз – Антей»

Расширенный поиск

Метод учета старения материалов при длительной эксплуатации изделий

https://doi.org/10.38013/2542-0542-2020-4-34-40

Полный текст:

Аннотация

В работе предложен метод одновременного совместного учета влияния условий внешней среды и соответствующего изменения свойств материалов в процессе старения на тепловлажностные режимы изделий. Представлены результаты сравнительных расчетов тепловлажностных режимов модельной конструкции из типовых материалов при одних и тех же условиях эксплуатации без учета и с учетом изменения свойств материалов в процессе старения, подтвердившие необходимость учета изменения свойств материалов при проектировании изделий в обеспечение их работоспособности. Предложенный метод основан на принципе выделения линеаризованной части уравнений переноса при малых отклонениях величин, входящих в уравнения, от реализующихся без учета старения. Метод более точен и требует меньших затрат времени на проведение расчетов по сравнению с методами раздельного последовательного учета изменения свойств материалов в процессе старения в условиях эксплуатации, что характеризует его научную новизну и практическую значимость.

Для цитирования:


Дубровина Н.Н., Костин Г.Ф. Метод учета старения материалов при длительной эксплуатации изделий. Вестник Концерна ВКО «Алмаз – Антей». 2020;(4):34-40. https://doi.org/10.38013/2542-0542-2020-4-34-40

For citation:


Dubrovina N.N., Kostin G.F. A method for considering the aging of materials during long-term operation. Journal of «Almaz – Antey» Air and Space Defence Corporation. 2020;(4):34-40. https://doi.org/10.38013/2542-0542-2020-4-34-40

Известно, что воздействия температуры и влажности при длительной эксплуатации и хранении изделий приводят к необратимым изменениям в материалах и, как следствие, к изменению их свойств и пределов работоспособности конструкций [1]. В связи с этим при расчетах тепловлажностных режимов изделий необходим учет изменения тепловлагофизических свойств материалов в процессе старения при длительных сроках эксплуатации. В свою очередь, изменение свойств материалов зависит от реализующихся тепловлажностных режимов изделий. Имеющиеся методики и программы расчета тепловлажностных режимов, в том числе и разработанные в АО «ГРЦ Макеева», построены на решении классических уравнений теплопроводности и влагопроводности, в которых учитывается зависимость тепло- и влагофизических свойств материалов от температуры и влагосодержания [2][3]. В связи с этим для учета изменения свойств материалов в процессе старения можно проводить последовательный поочередный расчет тепловлажностных режимов на каком-либо интервале времени эксплуатации, затем по отдельной методике соответствующего изменения свойств на этом интервале, затем с измененными свойствами вновь тепловлажностных режимов на следующем интервале времени и т.д. Интервалы времени можно выбирать произвольно, исходя из возможностей компьютерной базы и имеющегося физического времени на расчет. Чем меньше интервалы, тем точнее результаты расчетов, но их количество увеличивается, что требует большего физического времени на подготовку на каждом этапе начальных и других данных для расчетов и на обработку результатов расчетов. Теоретически наибольшая точность при таком подходе может быть достигнута при расчете приращений температуры, влажности и изменений свойств на каждом шаге счета по времени, и для обеспечения этого необходимы соответствующие программы одновременного расчета тепловлажностных режимов и изменения тепловлагофизических свойств материалов.

Классический подход к решению уравнений тепловлажностных режимов реализуется при задании зависимости теплои влагофизических свойств от температуры, влажности и т.п. без учета изменения этих свойств, обусловленных процессами старения [2][3]. При расчетах тепловых режимов используется алгебраическая разностная аппроксимация дифференциального уравнения теплопроводности в декартовой (или другой ввиду общности метода) системе координат:

где τ – время, T = T(x, y, z, τ) – температура, cp, ρ, λ – соответственно удельная теплоемкость, плотность, теплопроводность материала, qV – источниковый член.

Вследствие старения характеристики зависят и от реализующихся при эксплуатации температурных и влажностных режимов. Соответственно, изменение свойств материалов в зависимости от условий эксплуатации и хранения описывается зависимостью свойств и от температуры, и от интеграла функции аррениусовского типа:

где буквами k и E с индексами внизу обозначены предэкспонентный множитель и энергия активации процессов изменения соответствующих свойств материалов.

Изменения свойств материа лов за период их функционирования в составе конструкций предполагаются относительно малыми. Это обусловлено требованиями по обеспечению работоспособности изделий в течение гарантийных сроков [4]. Данные, подтверждающие изменение свойств некоторых неметаллических материалов, исследуемых в АО «ГРЦ имени академика В.П. Макеева» после длительных сроков эксплуатации в составе конструкций изделий, приведены ниже.

Коэффициент теплопроводности изменился следующим образом:

  • у материала ТТПС-П возрос на 14,1…14,8 %;
  • у материала ТИМ-2 уменьшился на 1,8…5,6 %;
  • у материала АТ-342-ФЭ-В возрос на 5,9…19,6%;
  • у материала ДСВ-2Р-2М или АГ-4В уменьшился на 5,0%;
  • у материала листового полиэтилена возрос на 2,35…7,35 %;
  • у материала ППЭ-Р изменился на –8,9…+12,2 %;
  • у материала ПКТ-ЦТ-БА-ОФ-Д возрос на 6,6…34,2 %;
  • у материала ОП 56379Н/ЭФ70-Н уменьшился на 1,1…21,1 %;

удельная теплоемкость изменилась следующим образом:

  • у материала ТТП-ФС возросла на 5,9…32,9 %;
  • у материала ТТПС-П возросла на 8,9…13,1 %;
  • у материала ТИМ-2 уменьшилась на 1,1…1,5 %;
  • у материала АТ-342-ФЭ-В уменьшилась на 1,3…9,3 %;
  • у материала ДСВ-2Р-2М или АГ-4В уменьшилась на 27,9 %;
  • у материала ПКТ-ЦТ-БА-ОФ-Д изменилась на –10,2…+7,9 %;
  • у материала ОП 56379Н/ЭФ70-Н возросла на 0…13,6 %;

плотность изменилась следующим образом:

  • у материала ТТП-ФС возросла на 6,2…32,5 %;
  • у материа ла ТТПС-П уменьшилась на 2,9…5,8 %;
  • у материала ТИМ-2 уменьшилась на 1,8…9,1 %;
  • у материала листового полиэтилена уменьшилась на 0,1 %;
  • у материала ПКТ-ЦТ-БА-ОФ-Д изменилась на –3,1…+1,8 %;
  • у материала ОП 56379Н/ЭФ70-Н изменилась на –8,3…+0,8 %.

Из представленных данных следует, что у большинства материалов теплопроводность возросла после длительной эксплуатации. Теплоемкость и плотность у разных материалов изменились как в сторону уменьшения, так и в сторону увеличения, но изменения относительно малы, тем не менее эти изменения необходимо учитывать. Результаты расчетов относительной влажности в модельном отсеке для случаев использования номинальных (не изменяющихся за счет старения) свойств материалов и для случая ступенчатого последовательного учета изменения свойств представлены на рисунке 1.

Проведенные расчеты показали, что значения влагопоглощения в отсеке для случая использования номинальных (не изменяющихся за счет старения) свойств материалов и для случая ступенчатого изменения свойств на нескольких интервалах гарантийного срока отличаются существенно. Так же и результаты расчетов температурных режимов для одной из конструкций двигателя изделия РКТ для различных уровней отклонения в процессе старения свойств неметаллических материалов, входящих в конструкцию: теплопроводности, теплоемкости и температуропроводности – показали, что отличия значений температуры на модельном цикле тепловлажностных воздействий на изделие достигают нескольких градусов (рис. 2, 3).


Таким образом, учет изменений свойств материалов вследствие старения необходим, при этом целесообразным является совместный расчет температуры, влажности и изменений свойств материалов на каждом шаге счета по времени.

Введем обозначения с индексами «ном», «н», соответствующими исходным, «не состаренным» свойствам материалов и температуре при таких свойствах: теплоемкость cp ном(T) = cp н, плотность ρ ном(T) = ρ н, теплопроводность λ ном(T) = λ н, температура T ном(T) = T н. В (1) источниковый член qV включает в себя источники qV ном, соответствующие задаче без учета старения материалов, и при учете тепловыделения и теплопоглощения q'V за счет процессов старения материалов (продолжение полимеризации, деструкция и т.п.) следует записать: qV = qV ном + q'V.

Тогда уравнение (1) принимает вид:

Соответственно значения температуры и характеристик материалов с учетом старения можно представить в виде:

где волной вверху обозначены малые отклонения от номинальных (без учета старения) значений.

После отбрасывания малых второго порядка с учетом тождественного удовлетворения уравнения (1) при номинальных значениях, из (9) следует:

Уравнение (10) и исходное уравнение (1) по виду совпадают. Если зависимости (2)–(4) известны, то можно с использованием решения Tн = Tн(x, y, z, τ), полученного при номинальных значениях cp н, λ н, ρ н, qV ном, найти функции первого приближения для изменения характеристик в процессе старения, а с использованием этих функций определить добавочный источниковый член за счет возмущений свойств. Затем из решения уравнения (10) при нулевых граничных и начальных условиях находится функция T= T(x, y, z, τ) отклонения поля температуры за счет изменения свойств материалов в процессе старения.

Суммирование этой функции с номинальным решением дает искомое изменение температуры в процессе хранения и эксплуатации с учетом изменения свойств при старении.

Аналогично можно найти решения других уравнений переноса в случае изменения свойств материалов или среды, в частности, уравнения влагопереноса при изменении влагофизических характеристик вследствие старения.

Исходное обобщенное уравнение влагопереноса имеет вид, аналогичный уравнению теплопроводности

После раскрытия дифференциальных операторов уравнение (11) записывается в виде:

где: θ – потенциал влагопереноса, %; λв=(cρ)D – коэффициент влагопроводности материала, кгв/(м×сек); ρ – плотность материала, кг/м3; c = ∂u/∂θ – влагоемкость материала, кгв/(кг×%); u(θ,T) – равновесное влагосодержание материала, кгв/кг; D(θ,T) – коэффициент диффузии влаги в материале, м2/сек; mV – источник (сток) влаги, кгв/( м3×сек).

Материалов в расчетной области может быть некоторое конечное число, но для каждой подобласти мономатериала справедлив представленный ниже метод.

Вследствие старения характеристики зависят от температуры, от влажности и от интеграла температуры:

где номинальные значения аналогично обозначаются нижним индексом «н»: Dномном, Tном) = Dн, mvном(x, y, z, τ) = m, cном(θном, Tном) = cн и т.д., а волной обозначены малые возмущенные отклонения функций от номинальных значений.

Считая добавки за счет старения малыми, представляем решение в виде θ = θн + θ', (16)

Тогда уравнение (12) примет вид:

После перемножения выражений в скобках и отбрасывания малых второго и большего порядков малости, с учетом тождественного выполнения при номинальных значениях уравнения (12), получим уравнение

Так как законы изменения свойств (13)–(15) считаем известными, например по результатам экспериментальных исследований, и известно номинальное решение θн = θн(x, y, z, τ), то выражение в квадратных скобках в (18) есть известная зависимость. Обозначая ее через m'V, приводим уравнение (18) к виду уравнения (12) относительно функции θ'. Решая это уравнение при нулевых граничных и начальных условиях, получим решение для потенциала влагопереноса с учетом изменения свойств материалов в процессе старения.

На основе представленного метода с использованием кодов программ [2][3] была разработана программа одновременного, на каждом шаге счета по времени, расчета изменения температурных и влажностных режимов с учетом изменения свойств материалов в процессе старения. Проверочный совместный расчет тепловлажностных режимов изделий с учетом изменения свойств материалов при длительных сроках хранения и эксплуатации показал, что предложенный метод позволяет неразрывным образом учитывать и прогнозировать процессы старения материалов и тепловлажностные режимы в обеспечение работоспособности изделий. В расчетах использовались модельные кинетические параметры процессов изменения свойств при длительной эксплуатации, а также модельные тепловые эффекты q'V процессов изменения внутренних структур материалов при старении (принимались существенно малыми с целью сопоставления с расчетами по разрывному методу). При проведении практических проектных расчетов необходимо использовать кинетические параметры и значения тепловых эффектов, получаемые в процессе ускоренных климатических и других испытаний и при дефектации изделий после длительных сроков хранения и эксплуатации.

Список литературы

1. Павлов Н.Н. Старение пластмасс в естественных и искусственных условиях. М.: Химия, 1982.

2. Программа «Урал-А» расчета тепловых режимов. Свидетельство о регистрации № 2013611732. Дата приоритета 09.10.2012.

3. Программа «Урал-В» расчета влажностных режимов. Свидетельство о регистрации № 2013660367. Дата приоритета 06.09.2013.

4. Определение номенклатуры материалов и покрытий систем РК и БО, ЭХМП которых могут изменяться при длительном воздействии ТВР, и критериев допустимости изменения ЭХМП с точки зрения длительной эксплуатации РК и БО: техн. отчет 542/102-433-2012. Миасс: ОАО «ГРЦ Макеева», 2012. 71 с.


Об авторах

Н. Н. Дубровина
Государственный ракетный центр имени академика В.П. Макеева, акционерное общество
Россия

Дубровина Наталья Николаевна - инженер I категории.Область научных интересов: тепловлажностные процессы при эксплуатации изделий аэрокосмической и других отраслей.

Миасс, Челябинская область


Г. Ф. Костин
Государственный ракетный центр имени академика В.П. Макеева, акционерное общество; Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Южно-Уральский федеральный научный центр минералогии и геоэкологии, Уральское отделение Российской академии наук; Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования Челябинский государственный университет, Миасский филиал
Россия

Костин Геннадий Федотович - доктор технических наук, доцент, старший научный сотрудник ФГБУН «Ю-У НЦ МиГ» УрО РАН; ведущий научный сотрудник АО «ГРЦ Макеева» (по совместительству); профессор кафедры прикладной механики Челябинский ГУ (по совместительству). Область научных интересов: тепломассообмен и тепловая защита летательных аппаратов.

Миасс, Челябинская область


Для цитирования:


Дубровина Н.Н., Костин Г.Ф. Метод учета старения материалов при длительной эксплуатации изделий. Вестник Концерна ВКО «Алмаз – Антей». 2020;(4):34-40. https://doi.org/10.38013/2542-0542-2020-4-34-40

For citation:


Dubrovina N.N., Kostin G.F. A method for considering the aging of materials during long-term operation. Journal of «Almaz – Antey» Air and Space Defence Corporation. 2020;(4):34-40. https://doi.org/10.38013/2542-0542-2020-4-34-40

Просмотров: 135


Creative Commons License
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.


ISSN 2542-0542 (Print)