Спектральный анализ параметров состояния технических систем в штатных и поврежденных состояниях

Отмечено, что реакцией несущих элементов конструкций и деталей машин на действующие нагрузки, воздействия физических полей и агрессивных сред является возникновение полей не только напряжений и деформаций, но и повреждений. При этом в зависимости от условий нагружения и среды реализуются различные механизмы накопления повреждений и разрушения, которые обнаруживаются по существенным изменениям в спектрах отклика технических систем на различного рода воздействия. Анализ параметров состояния таких систем путем регистрации спектральных характеристик эксплуатационных процессов позволяет достаточно точно оценить уровень их поврежденности. На базе результатов исследования эксплуатационных состояний технических систем по спектральным диагностическим параметрам предложены подходы к анализу их амплитудно-частотных характеристик как в штатных состояниях, так и при переходе к опасным состояниям вследствие накопления в них эксплуатационных повреждений. При этом сформулированы критерии перехода технических систем из штатных в аварийные и катастрофические состояния при накоплении критических предельных уровней поврежденности. Приведены примеры рассредоточенного образования микротрещин в материале элемента конструкций в процессе циклического деформирования с их развитием в магистральные разрушения, а также примеры анализа динамических состояний по вибрационным спектрам отклика простых и сложных технических систем с возникшей в них трещиной и с наличием дефектов. Показана возможность получения исходной расчетно-экспериментальной информации о параметрах напряженно-деформированного состояния и поврежденности объекта с использованием методов спектрального анализа отклика сложной конструкции на вибрационное воздействие в результате возникновения повреждения ее отдельных элементов. Результаты подобного спектрального анализа могут быть использованы для диагностики и мониторинга условий штатной эксплуатации высоконагруженных объектов техносферы (энергетики, ракетно-космической и авиационной техники) и перехода их состояний в предельные аварийные и катастрофические.

1. Прикладные задачи конструкционной прочности и механики разрушения технических систем / Отв. ред. В. В. Москвичев. — Новосибирск: Наука, 2021. — 796 с. DOI: 10.7868/978-5-02-038832-1

2. Исследования и обоснование прочности и безопасности машин. К 300-летию Российской академии наук, 85-летию Института машиноведения РАН. — М.: МГОФ «Знание», 2023. — 832 с.

3. Локальные критерии прочности, ресурса и живучести авиационных конструкций. Серия «Исследования прочности, ресурса и безопасности летательных аппаратов». — Новосибирск: Наука, 2017. — 600 с.

4. Прочность и ресурс ЖРД. Серия «Исследование напряжений и прочности ракетных двигателей». — М.: Наука, 2011. — 525 с.

5. Динамика и прочность водо-водяных энергетических реакторов. Серия «Исследования напряжений и прочности ядерных реакторов». — М.: Наука, 2004. — 440 с.

6. Mahutov N. A., Morozov E. M., Gadenin M. M., et al. Coupled thermo-mechanical analysis of stress-strain response and limit states of structural materials taking into account the cyclic properties of steel and stress concentration / Continuum Mechanics and Thermodynamics. 2023. Vol. 35. N 4. P. 1535 – 1545. DOI: 10.1007/s00161-022-01160-1

7. Махутов Н. А., Гаденин М. М. Техническая диагностика остаточного ресурса и безопасности. Серия «Диагностика безопасности». — М.: Издательский дом «Спектр», 2011. — 187 с.

8. Махутов Н. А., Гаденин М. М. Анализ спектров внешних воздействий и предельных состояний при нестационарных режимах нагружения / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2024. Т. 90. № 9. С. 54 – 62. DOI: 10.26896/1028-6861-2024-90-9-54-62

9. Корнеев Н. В., Корнеева Ю. В. Методология экспериментальной диагностики неисправностей и повреждений турбоагрегатов на базе анализа параметров вибрационного состояния их роторов и опор / Машиностроитель. 2010. № 7. С. 13 – 16.

10. Бовсуновский А. П. Вибродиагностика валов турбин, основанная на нелинейных эффектах. Обзор литературы / Вибрации в технике и технологиях. 2015. № 2(78). С. 5 – 17.

11. Махутов Н. А. Прочность и безопасность. Фундаментальные и прикладные исследования. — Новосибирск: Наука, 2008. — 528 с.

12. Makhutov N. A., Gadenin M. M., Reznikov D. O. Assessment of Extreme Thermo-Mechanical States of Engineering Systems under Operating Loading Conditions / Acta Mechanica. 2021. Vol. 5. N 232. P. 1829 – 1839. DOI: 10.1007/s00707-020-02920-3

13. Махутов Н. А., Гаденин М. М. Расчетно-экспериментальное моделирование напряженно-деформированных состояний высоконагруженных элементов энергоагрегатов / Вычислительные технологии. 2023. Т. 28. № 4. С. 28 – 44. DOI: 10.25743/ict.2023.28.4.004

14. Махутов Н. А., Гаденин М. М. Оценка ресурса при сочетании экстремальных малоцикловых и вибрационных воздействий / Труды четвертой Всероссийской научно-технической конференции «Динамика и прочность конструкций аэрогидроупругих систем. Численные методы». Москва, 14 – 15 ноября 2017 г. — М.: Институт машиноведения им. А. А. Благонравова РАН, 2017. С. 40 – 41.

15. Махутов Н. А. Спектральный акусто-эмиссионный анализ процесса деформирования и повреждения / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2018. Т. 84. № 10. С. 53 – 58. DOI: 10.26896/1028-6861-2018-84-10-53-58

16. Боришанский К. Н. Методические особенности регистрации крутильных колебаний валопровода турбоагрегата с помощью дискретно-фазового метода / Авиационно-космическая техника и технология. 2009. № 8(65). С. 73 – 77.

17. Махутов Н. А., Гаденин М. М. Техническая диагностика и мониторинг рисков для оборудования ГЭС. Разрушение гидроагрегата № 2 Саяно-Шушенской ГЭС: причины и уроки. Сборник материалов в 3-х томах. Т. 1. — М.: РусГидро, 2013. С. 26 – 35.

18. Морозов А. Н., Назолин А. Л., Поляков В. И. Прецизионная оптико-электронная система мониторинга крутильных колебаний валопровода турбоагрегата / ДАН. 2017. Т. 472. № 2. С. 145 – 149.

19. Безопасность России. Правовые, социально-экономические и технические аспекты. Научные основы техногенной безопасности. — М.: МГОФ «Знание», 2015. — 936 с.

20. Гаденин М. М. Исследование влияния соотношения амплитуд деформаций при двухчастотном циклическом нагружении / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2018. Т. 84. № 12. С. 50 – 60. DOI: 10.26896/1028-6861-2018-84-12-50-60

21. Гаденин М. М. Расчетно-экспериментальная оценка роли соотношения частот в изменении долговечности при двухчастотных режимах деформирования / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2019. Т. 85. № 1. Часть I. С. 64 – 71. DOI: 10.26896/1028-6861-2019-85-1-I-64-71

22. Махутов Н. А., Морозов А. Н., Назолин А. Л., Поляков В. И. Предупреждение аварий и катастроф АЭС и ТЭС, вызванных разрушением валопровода турбоагрегата. Сб. материалов 5 школы-семинара «Оценка и управление индустриальными рисками в промышленной безопасности. Мониторинг рисков сложных и уникальных объектов» НПС «РИСКОМ». 1 – 4 декабря 2015 г. — М.: НПС «Риском», 2016. С. 93 – 110.

23. Махутов Н. А., Израилев Ю. Л., Дьяков А. Ф. и др. Совершенствование системы критериев предельных состояний для увеличения межремонтного и остаточного ресурса парка длительно эксплуатируемых турбин ТЭС / Проблемы машиностроения и автоматизации. 1991. ¹ 1. С. 59 – 64.