Лаборатория инновационных технологий Арктики и Субарктики сформирована и начала функционировать с 11 июня 2019 года.
Исполняющий обязанности руководителя лаборатории — кандидат технических наук, старший научный сотрудник ФИЦ «ЯНЦ СО РАН» Лукин Евгений Саввич.
В настоящее время в лаборатории работает 10 человек, из них шестеро являются научными сотрудниками, трое имеют ученую степень кандидата технических наук. Средний возраст сотрудников лаборатории 33 года, из них 9 — до 39 лет, 5 — до 33 лет.
Актуальность научных направлений деятельности лаборатории обусловлена особенностью выходов из строя деталей конструкций и техники в результате их работы в сложных климатических условиях Севера. Опыт эксплуатации машин и инженерных сооружений на севере России показал существенное снижение их долговечности, а частота отказов техники заметно возрастает в зимние месяцы. Как правило, разрушение элементов конструкций начинается в зоне концентрации напряжений, либо с дефектов материала – являющихся очагом зарождения макротрещины. Именно зарождение и развитие хрупких трещин, приводящие к внезапному и катастрофическому разрушению металлоконструкций в зимний период времени, являются наиболее опасными. Недостаточная изученность проблемы развития хрупких трещин под совместным влиянием таких факторов, как сложное напряженное состояние, низкие температуры и наличие концентраторов напряжений обуславливает необходимость создания новых критериев и методик оценки опасности деталей конструкций. Поэтому, разработка новых критериев и расчетно-инструментальных методик оценки технического состояния деталей машин и конструкций является актуальной научно-практической задачей, которая нацелена на повышение надежности и долговечности элементов конструкций с концентраторами напряжений в условиях Севера.
Целью научных исследований лаборатории является повышение надежности, долговечности и хладостойкости металлических элементов конструкций эксплуатирующихся в условиях низких температур и криолитозоны, посредством применения неразрушающих методов контроля концентраторов напряжений при различных схемах низкотемпературного нагружения.
Объектом исследования лаборатории являются металлические тонкостенные детали конструкций и образцы с концентраторами напряжений различных видов, подвергающиеся действию одноосного и двухосного нагружений. В работе рассматривается механизм развития трещиноподобных дефектов, проводится расчет коэффициента интенсивности напряжений и параметров зоны пластичности в окрестности вершины трещины при различных схемах нагружения и температуры. Анализ развития и роста трещины осуществляется при помощи акустического метода исследования. В работе используются теории поврежденности и хладостойкости конструкционных сталей, линейной и нелинейной механики разрушения, а также комплексный анализ физико-механических свойств материалов.
По проблемам обеспечения надежности и долговечности машин и инженерных сооружений на Севере, сотрудниками лаборатории решаются следующие задачи:
- разработка методики оценки опасности для трещиноподобных дефектов на основе акустических сигналов, регистрируемых при локальном низкотемпературном нагружении объекта контроля;
- моделирование воздействия низких температур на механизм распространения трещины при различных схемах нагружения, для оценки хладостойкости материала;
- разработка способа оценки достижения предельного состояния элементов конструкций и новых критериев оценки опасности источников акустико-эмиссионного контроля на основе локального низкотемпературного нагружения;
- разработка нового критерия для оценки хладостойкости материалов с учетом особенностей механизма разрушения при двухосном напряженном состоянии у вершины трещины.
Разрабатываемые сотрудниками лаборатории новые методики оценки достижения предельного состояния элементов конструкций с концентраторами напряжений могут значительно повысить точность и достоверность расчетов на надежность и живучесть высокоответственных технических систем на Севере, что позволит минимизировать риск возникновения катастрофических разрушений и получить значительный экономический эффект.
В рамках выполнения научно-исследовательской работы проводятся расчетно-экспериментальные исследования по выявлению закономерностей изменения основных параметров механики разрушения и характеристик акустико-эмиссионных сигналов, исходящих от вершины трещины при его нагружении. Активно развивается способ низкотемпературного нагружения, применяемый для акустико-эмиссионного контроля деталей крупногабаритных конструкций. Выполняется компьютерное моделирование методом конечных элементов процессов деформирования образцов с трещинами. Выполняются расчеты динамики температурного поля и напряженно-деформированного состояния при реализации способа низкотемпературного нагружения.
Локальное низкотемпературное нагружение подразумевает возникновение локальных растягивающих напряжений в теле пластины в результате низкотемпературной деформации материала, при этом на участках, не подверженных температурному воздействию, действует ограничение перемещений из-за жесткости конструкции в целом.
а) – вид разбиения модели образца на сетки конечных элементов;
б) – моделирование динамики температурного поля образца;
в) – моделирование распределения эквивалентных напряжений по Мизесу в образце с трещиной;
г) – расчет коэффициента интенсивности напряжений для модели низкотемпературного нагружения.
Методом конечных элементов выполняется моделирование контактного термического воздействия диоксида углерода в виде «сухого снега» с температурой -78℃ на тонкостенную металлическую пластину с температурой 21℃. Динамика температурного поля модели образца подтверждаются экспериментальными данными от сигналов термопар в нескольких контрольных точках на образце. Данные температурного поля образца используются для дальнейшего расчета напряженно-деформированного состояния и основных параметров механики разрушения. Таким образом, рассчитываются коэффициент интенсивности напряжений и другие параметры для модели локального низкотемпературного нагружения образца.
Регистрация акустических сигналов производятся с использованием акустико-эмиссионного комплекса «Эксперт-2014» производства НПО «Алькор» (г. Дзержинск). Обработка полученных сигналов осуществляется с помощью вычислительного комплекса АЭ «Эксперт 2104».
В рамках выполнения научно-исследовательской работы сотрудниками лаборатории получены следующие результаты:
В процессе комплекса расчетно-экспериментальных работ получена степенная зависимость числа актов акустических эмиссий от коэффициента интенсивности напряжений при низкотемпературном нагружении образца. Методом наименьших квадратов рассчитаны коэффициенты данной зависимости. Полученная степенная зависимость числа актов от коэффициента интенсивности напряжений свидетельствует о работоспособности идентификации опасных трещиноподобных дефектов способом локального низкотемпературного нагружения.