автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Модели, методы и алгоритмы прогнозирования показателей сопротивления усталости металлов

На правах рукописи

Андреев Вячеслав Викторович

МОДЕЛИ, МЕТОДЫ И АЛГОРИТМЫ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ПОКАЗАТЕЛЕЙ СОПРОТИВЛЕНИЯ УСТАЛОСТИ МЕТАЛЛОВ

Специальность: 05.13.01 — Системный анализ, управление и обработка

информации (технические науки)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Нижний Новгород 2005

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования

"Нижегородский государственный технический университет"

Научный консультант член-корреспондент РАН

Кондратьев Вячеслав Васильевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук

Гужов Владимир Иванович

доктор технических наук, профессор Надеев Александр Тимофеевич

доктор технических наук, старший научный сотрудник Углов Александр Леонидович

Ведущая организация Нижегородский филиал Института

машиноведения им. A.A. Благонравова РАН

Защита состоится 22 декабря 2005г в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212.165.05 при Нижегородском государственном техническом университете по адресу: 603600, г. Нижний Новгород, ГСП-41, ул. К. Минина,

Факс: 8-(8312)-36-23-11

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Нижегородского государственного технического университета

Автореферат разослан 14 ноября 2005 г.

Ученый секретарь

Диссертационного совета Д 212.165.05

24.

К.т.н., доцент

А.П. Иванов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Надежность, безопасность и экономичность - три основные целевые функции, оптимальное удовлетворение требований которых сопровождает весь жизненный цикл любого технического, изделия. Эффективное проектирование деталей машин и конструкций, назначение обоснованных способов изготовления и обработки, обеспечение безопасной эксплуатации технических устройств, продление срока эксплуатации или вынесение заключения о необходимости вывода из эксплуатации - все эти задачи невозможно решать без оценки состояния конструкционного материала, показателей его прочности, его способности противостоять внешним нагрузкам. , ....,,...

Динамические, повторные и знакопеременные нагрузки представляют собой преобладающий способ воздействия на детали машин и элементы конструкций. При этом основной вид разрушения конструкционного материала - усталостный. Экспериментальное определение показателей сопротивления усталости в каждом конкретном случае ~ длительная и чрезвычайно дорогостоящая процедура. Необходимость сокращения затрат на проектирование и производство неизбежно приводит к необходимости прогнозирования свойств металлов и сплавов, в том числе и на основе полученных ранее экспериментальных данных, объединения их в составе неких интегральных моделей описания свойств конструкционных материалов при нестационарном нагружении. Высокая чувствительность параметров сопротивления конструкционного материала циклическому . нагружению и неоднозначная зависимость их от разнообразных воздействующих факторов осложняет разработку методов прогнозирования, затрудняет построите единой модели, охватывающей все многообразие данных по усталости металлов.

Изучению явления усталости посвящено огромное количество научных работ как в нашей стране, так и за рубежом. Начиная с момента "сознательного" изучения явления усталости, который связывают с исследованиями немецкого инженера Велера (1858 г.), по данной проблеме опубликовано свыше 30000 научных трудов. Среди ученых, внесших знкчительный вклад в изучение явления усталости, необходимо назвать И.А. Одинга, C.B. Серенсена, В.Т. Трощенко, B.C. Иванову, Г.В. Ужика, С.И. Кишкину, H.H. Афанасьева, В.П. Когаева, В.М. Гребеника, И.В. Кудрявцева, В.ф. Терентьева, Л.М. Акимова, Л.Д. Соколова, Н.В. Олейника, Griffith A.A., Orowan Е., Coffin L.F., Mott N.F., Cottrel A.H., Yokobori Т. и других. Разработка методов ускоренного определения показателей сопротивления усталости была предметом исследования Степнова М.Н., Трощенко . В.Т., Евстратовой. С.П., Пантелеева В.Н., Гольцева Д.И., Ивановой B.C. и Гордиенко Л.К., Яцкевича С.И., Муратова Л.В., Шетулова Д.И. Количественным анализом влияния факторов различного, рода на показатели сопротивления усталости и разработкой системы учета их совместного действия занимались И.А. Одинг, Н.И. Конончук, Л.М. Акимов, Д.И. Шетулов, В.П. Когаев и другие.

Многолетние исследования явления... усталости позволили накопить значительные объемы информации по экспериментальной оценке. результатов периодического воздействия разного рода на конструкционный материал, однако, как отмечается в литературе, не - приблизили, до сих пор, исследователе*! к окончательному решению проблемы точного прогнозирования результатов протекания процессов разрушения в конструкционном материале при таком виде эксплуатационных воздействий. Нет полного понимания физической природы

усталости, нет возможности точного определения времени наступления разрушения. Принято говорить об установленных закономерностях или гипотезах усталостного разрушения, реализованных с использованием различных, например, энергетических, дислокационных, статистических или других научных теорий для объяснения процессов разрушения материала при циклическом нагружении.

Многообразие накопленных экспериментальных данных подтверждает сложность поведения металлов и сплавов при усталости, не позволяет однозначно принять, как единственно соответствующую наблюдаемым результатам, ни одну из этих гипотез.

Вместе с тем, начиная с 70-х годов прошлого века, среди ученых (см., например, работы Ивановой B.C.) распространилось убеждение в том, что дальнейшие практически полезные результаты в этой области возможны лишь на основе междисциплинарных исследований, в том числе с привлечением методологии синергетики, теории обработки информации и системного анализа. Основой для таких заключений послужили работы Пригожина И., Стенгерса И., Хакена Г., Стенли X., Клейна У., позволившие обосновать рассмотрение металла как сложной динамической системы, находящейся в момент разрушения вдали от состояния равновесия и применять методологию анализа устойчивости динамических систем, теорию катастроф, более тщательно исследовать скачкообразные переходы систем из одного состояния в другое (точки бифуркации).

Несмотря на свою объективно, высокую стоимость многочисленные, полученные различными авторами, данные по усталости металлов и сплавов представляют собой слабоструктурированный, многомерный массив информации, исследование которого, и выработка на основе которого каких-либо рекомендаций — затруднены. Содержательная часть результатов испытаний на усталость довольно часто обусловлена узкими задачами конкретного исследования. Это приводит к невозможности объединения и совместного рассмотрения результатов отдельных исследований, получения на основе их анализа практически полезной обобщенной информации. Большое количество -данных остается неизвестно конкретному специалисту, а часто и невозможно эффективное использование этой информации в силу публикации сведений ограниченного характера. Довольно часто остается лишь возможность практически интуитивной оценки влияния того или иного фактора из совокупности действующих факторов, которую способен выполнить только специалист-эксперт.

Большинство предлагаемых в литературе эмпирических зависимостей, которые связывают значения искомых показателей сопротивления усталости- металлов с различными расчетными или экспериментально получаемыми параметрами, имеют ограниченную область определения, сложны для взаимной увязки при попытке совместного учета в рамках единой информационной системы.

Очевидна, таким образом, необходимость разработки процедуры преобразования экспериментальных данных по усталости металлов и сплавов, позволяющей объединять имеющуюся слабоструктурированную, разнородную информацию в рамках общего для металлических конструкционных материалов подхода. Необходимо, используя анализ накопленных экспериментальных данных и существующих методов ограниченного обобщения информации для отдельных групп металлов и сплавов в рамках, отдельных совокупностей факторов, попытаться разработать универсальную систему обобщения информации по усталости металлических материалов и синтезировать модель, описывающую поведение металлов и сплавов при циклическом нагружении как единого класса конструкционных материалов. 4 ~

Выбор того или иного конструктивного и технологического решения при проектировании деталей машин и конструкций неизбежно ставит вопрос об оценке возможных изменений показателей сопротивления усталости конструкционного материала и, в конечном итоге, в оценке вклада в показатели надежности и безопасности конструкции в целом. Аналогичные задачи возникают, например, и при необходимости замены одной марки стали на другую. Оперативная оценка эффекта от вносимого изменения или предварительный перебор потенциально возможных вариантов представляет существенный интерес для конструктора и технолога. Использование традиционных методик учета влияния того или иного варианта решения не позволяет оперативно учесть все накопленные экспериментальные данные по усталости, аккумулировать их и непрерывно уточнять используемые эмпирические зависимости. Разработка экспертных систем помощи конструктору и технологу в выборе оптимальной по совокупности характеристик сопротивления усталости марки стали или сплава при решении конкретной расчетной задачи представляет значительный интерес.

Таким образом, исследования в области систематизации и обобщения разнородной информации по показателям сопротивления усталости металлов и сплавов являются актуальными, а реализация их результатов в виде информационных систем прогнозирования поведения металлов и экспертных- систем поддержки принятия решения - практически значима.

Цель и задачи диссертационной работы. Цель1 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.

Методы исследования. 'В диссертационной работе основным методом исследования является математическое моделирование на основе системного анализа, методов статистики, оптимизации, искусственного интеллекта, факторного анализа.

Научная новизна работы состоит в обосновании единого методологического подхода к разработке и исследованию моделей поведения металлических

5

конструкционных материалов при циклическом нагружении, заключающегося в общности их описания и техники исследования на основе использования предлагаемого универсального преобразования параметров сопротивления многоцикловой усталости.

На основе предложенного подхода:

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

2. Выполнен содержательный 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

б

зависимостей (изолиний), однозначно характеризующая положение кривой усталости на обобщенной поверхности.

7. Разработана система методов и алгоритмов, обеспечивающих прогнозирование показателей сопротивления усталости с использованием различных исходных данных и результатов преобразования показателей сопротивления усталости.

8. Решен ряд задач практического использования предложенного преобразования показателей сопротивления усталости, начиная от использования в рамках систем поддержки принятия решения и подготовки недостающей информации при обучении искусственных нейронных сетей до прогнозирования показателей сопротивления усталости лабораторных образцов и натурных деталей'. '

Практическая значимость работы. Предложенные автором методы, процедуры и алгоритмы позволяют систематизировать информацию по показателям сопротивления усталости металлов и сплавов в рамках единой модели, описывающей поведение металлического конструкционного материала при циклическом нагружении. Выявлять существующие связи между действующими факторами и уточнять количественные параметры этих связей. Производить прогнозирование показателей сопротивления усталости в условиях 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 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 свойств 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.

Основные результаты диссертационной работы внедрены на Нижегородском ОАО "Гидромаш" в ходе определения показателей сопротивления усталости натурных деталей из высокопрочных сплавов, подлежащих испытанию на НОАО "Гидромаш". Выполненные работы позволили спрогнозировать показатели прочности и долговечности ряда деталей ' системы взлета-посадки учебно-тренИровочного самолета с учетом асимметрии цикла нагружения. Последующая проверка результатов прогноза с использованием стандартных расчетных программ оценки прочности в условиях периодического нагружения, натурные испытания системы и ее эксплуатация подтвердили правильность полученных при прогнозировании результатов.

Отдельные результаты были использованы в ФГУП ЦНИИ "Буревестник" при определении характеристик сопротивления усталости и долговечности ряда деталей, разрабатываемых ЦНИИ "Буревестник" изделий, а также при разработке ОСТ ВЗ-6880-97 "Методы определения долговечности деталей с концентраторами напряжений".

В течение длительного' периода с 1999 по 2002 годы на ОАО "Нижегородский авиастроительный завод "Сокол" выполнялась разработка метода проектировании показателей прочности деталей машин и конструкций с учетом действующих

7

факторов, в частности — вида нагружения, термообработки и асимметрии цикла. Полученные результаты были практически использованы при прогнозировании разрабатываемых изделий, а также при изменении конструкции шпилек в узле уплотнения главного цилиндра гидравлического пресса П5054 Коломенского СПО и уплотнительной рамки контейнера пресса ЯО 6017А. Последующие испытания прессов на работоспособность и их эксплуатация в максимальном рабочем режиме подтвердили правильность принятого решения;

В 2004-2005 гг. разработанные методы прогнозирования использовались для оценки надежности элементов одношатунного четырехстоечного пресса КВ 2536-00001 РЭ2 усилием 400 тс производства Пинского завода кузнечно-прессовых автоматических линий, используемого в ГУЛ ФГУ ИК-14 УФСИН России по Нижегородской области для производства фланцев приемной трубы выпускного коллектора автомобилей марки ГАЗ.

Оценка показателей сопротивления усталости металла, складированного на территории ОАО "Красный якорь", в том числе и с использованием разработанных методов прогнозирования, позволила произвести отбраковку негодного материала и исключить его использование в изделиях, обеспечивающих безопасную эксплуатацию сложных технических систем, а также в технических системах, являющихся объектами повышенной опасности и поднадзорных органам Госгортехнадзора." *"

Результаты работы внедрены в учебный процесс. Разработки используются при чтении курса "Долговечность и надежность машин", а также при выполнении выпускных квалификационных работ студентов по направлению 150600 "Материаловедение и технология материалов и покрытий" факультета материаловедения и высокотемпературных технологий и по направлению 230100 "Информатика и вычислительная техника" факультета информационных систем и технологий НГТУ.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих научно-технических семинарах и конференциях:

1. Научно-технические семинары кафедр "Детали машин и теория механизмов и машин" и "Материаловедение и перспективные материалы" Нижегородского государственного технического университета (Н.Новгород, 1992 - 2004 гг.)

2. Научно-технические конференции факультета материаловедения и высокотемпературных технологий Нижегородского . государственного технического университета (Н.Новгород, 1995 - 2000 гг.)

3. Научно-технические семинары кафедры "Вычислительная техника" Нижегородского государственного технического университета (Н.Новгород, 2000,2005 гг.)

4. Научно-техническая конференция, по совершенствованию процессов ,и оборудования кузнечно-штамповочного производства (Н.Новгород, 1997 г.)

5. Научно- техническая конференция, посвященная 10-летию Нф ИМАШ РАН "Проблемы машиноведения" (Н.Новгород, 1997 г.)

6. 1-я Всероссийская научно-техническая конференция "Компьютерные технологии в науке, проектировании и прризводстве" (Н.Новгород, 1999 г.)

7. 4-я международная конференция ''Интеграция. Информационные технологии. Телекоммуникации." (Москва, 1999 г) .

8. Международная конференция "Надежность и качество в промышленности, энергетике и на транспорте" (Самара, 1999 г.) '

9. VII международная конференция "Математика. Компьютер. Образование." (Дубна, 2000 г.)

10. II Всероссийская научно-техническая конференция "Компьютерные технологии в науке, проектировании и производстве" (Н.Новгород, 2000 г.)

11. 5-я международная конференция "Информационное общество". Информационные ресурсы и технологии. Телекоммуникации." (Москва, 2000 г.)

12. Всероссийская научно-техническая конференция "Проблемы информатики в образовании, управлении, экономике и технике" (Пенза, 2001 г.)

13. Третья всероссийская научно-техническая конференция (Computer-Based Conference) "Информационные технологии в науке, проектировании и производстве" (Н.Новгород, 2001 г.)

14. Всероссийские научно-технические конференции "Информационные системы и технологии" (Н.Новгород, 2001-2005 гг.)

15. Международный форум по проблемам науки, техники и образования "111-е тысячелетие - новый мир" (Москва, 2001 г.)

16. Региональные молодежные научно-технические конференции "Будущее технической науки Нижегородского региона" (Н.Новгород, 2002 -2004 гг.)

17. Международная молодежная научно-техническая конференция "Будущее технической науки" (Н.Новгород, 2005 г.)

18. Всероссийская научно-техническая конференция "Прогрессивные технологии в машино- и приборостроении" (Н.Новгород - Арзамас, 2002,2003 гт.)

19. 6-я международная конференция "Информационное общество. Интеллектуальная обработка информации. Информационные технологии" (Москва, 2002 г.)

20. Четвертая всероссийская научно-техническая конференция (Computer-Based Conference) "Методы и средства измерений" (Н.Новгород, 2002 г.)

21. Международная научная конференция "Технологическое управление качеством поверхности деталей машин" (Киев, 2003 г.)

22. Международная конференция "Актуальные проблемы надежности технологических, энергетических и транспортных машин" (Самара, 2003 г.)

23. Воронежская весенняя математическая школа "Понтрягинские чтения - XIV" (Воронеж, 2003 г.)

24. IX и XI международные научно-практические конференции студентов, аспирантов и молодых ученых "Современные техника и технологии" (Томск, 2003,2005 гг.)

25. Всероссийская научно-методическая конференция "Информацибнные технологии в учебном процессе" (Н. Новгород, 2003 г.) '

26.. III и IV международные конференции "Идентификация систем и задачи

управления - SICPRO'04, SICPR.0'05" (Москва, 2004,2005 гг.) 27. Научный семинар "Модели и анализ систем" кафедры "Системный анализ и математика" Волго-Вятской академии государственной службы (Н. Новгород,' 2005 г.)

Публикации. 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.

Основные положения диссертационной работы, выносимые на защиту:

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

2. Результаты преобразования экспериментальных данных в виде обобщенной зависимости и поверхности приведенных параметров сопротивления усталости.

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

4. Система методов 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.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка использованной литературы и приложений. Работа содержит 437 страниц, в том числе 87 рисунков и 20 таблиц. Список использованной литературы включает 495 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи исследования, отмечена научная новизна и практическая значимость работы, приведены основные положения диссертационной работы, выносимые на защиту, а гакже сведения об апробации результатов работы. Описана структура работы и краткое содержание ее разделов.

В . первой , главе приведена характеристика рассматриваемой предметной области. В п.1.1 представлена общая характеристика явления усталости. Рассмотрены примеры технических систем, для элементов которых наиболее характерно усталостное разрушение.

Представлены процессы, проходящие в конструкционном материале при циклическом нагружении, общепринятая система их группирования, а также кратко охарактеризованы основные модели, объясняющие появление дефектов структуры при периодическом воздействии разного рода на материал. Усталость металлов -сложный процесс, имеющий статистическую природу. При восприятии действующей нагрузки конструкционный материал претерпевает структурные изменения, начинающиеся преимущественно с поверхности объекта. Поведение конструкционного материала, его способность противостоять приложенным воздействиям зависят от уровня, нагрузки и совокупности факторов (условий), при которых происходит нагружение. • 'ч: '

. В п.1.2, рассмотрены различные варианты графического представления результатов-испытаний на усталость, используемые в настоящее время. Приведены выражения для уравнения кривой усталости Велера, Басквина, Штромайера; Пальмгрена, Вейбулла, Степнова. Вид аналитического выражения* наилучшим 10

образом соответствующего экспериментальным результатам, зависит от используемой системы координат. Обычная система координат, полулогарифмическая или логарифмическая системы координат позволяют рассматривать различные показатели сопротивления усталости, которыми являются либо характерные точки графиков функций, либо характеристики интенсивности изменения одного параметра при некотором фиксированном изменении другого.

Рис. 1. Усталостный излом первичного вала коробки перемены передач автомобиля ВАЗ 21082110. На рисунке хорошо видны все характерные элементы усталостного излома в случае изгиба при вращении с умеренными номинальными напряжениями и сильным концентратором напряжений по окружности детали в месте разрушения

Сформулированы преимущества и недостатки различных систем графического представления экспериментальных данных по усталости металлов. Показано, что наиболее предпочтительным для случая нашего исследования является вариант представления кривой усталости в системе логарифмических координат. В этом случае многоцикловая область и область выносливости представляются двумя отрезками прямых, пересекающихся, при определенных условиях, в точке перелома. Угол наклона кривой усталости к оси числа циклов нагружения — так называемый структурно чувствительный параметр, показатель интенсивности процессов упрочнения и разупрочнения конструкционного материала, показатель интенсивности процессов накопления повреждений в конструкционном материале и его разрушение при циклическом нагружении. На рис. 2 представлено схематическое изображение многоцикловой области кривой усталости в логарифмической системе координат.

В п. 1.3 рассмотрены используемые в исследованиях и расчетах параметры сопротивления усталости. Рассмотрены характерные участки и области кривых усталости различных металлов и сплавов в условиях действия различного рода факторов, охарактеризованы причины появления или отсутствия характерных элементов кривых усталости и, в частности, предела выносливости кривой усталости. Особенный характер и причины появления перегиба кривой усталости в логарифмической системе координат предоставляют возможность для реализации различных методов прогнозирования. С точки зрения теории устойчивости точка перегиба на кривой усталости представляет собой точку' бифуркации, появление которой свидетельствует о принципиально . ином характере ,, поведения конструкционного материала на правом горизонтальном участке, по сравнению с левым, круто наклоненным к оси числа циклов нагружения участком кривой усталости. .-:.•

В п. 1.4 выполнен обзор основных факторов, оказывающих , влияние.:.,на показатели сопротивления усталости металлов. На основе изучения опубликованных

в литературе данных сформирован перечень наиболее существенных в смысле влияния на показатели сопротивления усталости металлов факторов. Рассмотрено влияние на показатели сопротивления многоцикловой усталости асимметрии цикла нагружения, температуры испытаний, коррозионной активности окружающей среды, частоты циклов нагружения, концентрации напряжений, масштабного фактора, состояния поверхности, металлургических и структурных "факторов. Показан сложный характер взаимного влияния различных факторов, усиления и ослабления их индивидуального ("парциального") вклада в случае действия комплекса факторов.

Рис.2. Схематическое изображение многоцикловой области кривой усталости в логарифмической системе координат: Р - предел выносливости (точка перегиба кривой усталости); N - число циклов нагружения; о* - напряжение (МПа), соответствующее пределу выносливости; Л^ — абсцисса точки перегиба кривой усталости (число циклов нагружения, соответствующее переходу кривой усталости в горизонтальный участок); а» - структурно-чувствительйый'параметр сопротивления усталости металлов; ст», N. — условные, физически нереализуемые величины напряжения и долговечности, при которых спрямленная кривая усталости пересекает оси координат, 1 и 2 — экспериментальные точки, соответствующие разрушению исследуемых объектов после некоторого числа циклов нагружения и N2 при заданных уровнях напряжения С| и о^; ^ а = - tg(аж,)Ig^V- уравнение левой ветви кривой усталости

В п. 1.5 рассмотрены основные способы определения численного значения параметров сопротивления усталости металлов и .сплавов. Охарактеризованы сложности использования так называемого классического способа определения величины показателей сопротивления усталости на базе экспериментов на лабораторных образцах и натурных деталях. Прежде всего, их высокая стоимость и большая дгпутельнрсть'объясняют необходимость применения различных методов ускоренного построения кривых усталости. На основании изучения данных, опубликованных в литературе, выполнен анализ методов прогнозирования показателей сопротивления усталости, металлов, сформулированы требования к разрабатываемым методам прогнозирования показателей сопротивления усталости..

В п. 1.6 сформулированы основные проблемы, возникающие при необходимости определения величины параметров сопротивления многоцикловой усталости металлов и сплавов. Наряду с высокой стоимостью и продолжительностью экспериментального определения показателей сопротивления усталости отмечается невозможность экспериментального определения показателей сопротивления усталости для отдельных натурных деталей и конструкций, сложности в пересчете результатов полученных при лабораторных, в том числе и стендовых испытаниях на условия реальной эксплуатации натурных деталей и конструкций, отсутствие

а, МПа

1дст

1дМв

1дК*

общепризнанных приемов обобщения накопленных экспериментальных результатов в составе зависимостей универсального характера.

В п. 1.7 представлены цели и задачи исследования. 1

Во второй главе представлена общая характеристика исследуемых данных по усталости металлов и сплавов. В п.2.1 дана общая характеристика источников экспериментальных данных, среди которых - объективно ограниченные по объему экспериментальные данные, полученные автором при обработке результатов испытаний на усталость лабораторных образцов и натурных деталей, а также данные, полученные другими авторами и опубликованные ими в литературе. При этом для использования их при совместном рассмотрении, в отдельных случаях, был необходим пересчет значений параметров сопротивления усталости для перехода из одной системы координат-в другую. Это относится, в частности, к определению величины структурно-чувствительного параметра — тригонометрической функции угла наклона кривой усталости к оси числа циклов нагружения, представляемой в разных исследованиях либо как тангенс, либо как котангенс соответствующего угла. В п.2.2 приведены результаты систематизации отобранных экспериментальных данных, выполненной для определения "размерности" пространства признаков, характеризующих отобранные для анализа данные. Эти признаки, обеспечивающие уникальность рассматриваемых данных, представляют собой описание факторов (условий), при которых производилось периодическое нагружение лабораторных образцов и натурных деталей.

Для хранения, выборки и сортировки данных по усталости металлов была разработана структура базы данных по показателям сопротивления усталости. В п.2.3 представлена общая характеристика этой базы данных для хранения информации по усталости металлов и сплавов. Объектом хранения в базе данных являются параметры различных участков кривой усталости и описание факторов (условий), при которых были получены эти кривые усталости.

При этом описание факторов представляет собой совокупность ординальных (например, температура, частота циклов нагружения, размер) и категориальных параметров (например, форма образца, схема нагружения, испытательная среда). На рис. 3 представлена обобщенная структура базы данных.

В п.2.4 представлена общая характеристика исследуемых экспериментальных данных. На рис.4, представлены рассматриваемые в исследовании результаты испытаний на усталость, в ходе которых экспериментально были определены значения пределов выносливости, а в таблице 1 - обобщенная характеристика факторов, при которых были выполнены эти испытания.

Общее количество приведенных^ на~ рис.4 кривых усталости - 1179. Для упрощения рисунка на нем представлены лишь точки перегиба (пределы выносливости), рассматриваемых в исследовании кривых усталости. Участки многоцикловой области кривой усталости и области выносливости для упрощения рисунка не показаны. Из рисунка видно, что какие-либо количественные зависимости при таком способе представления экспериментальных данных получить затруднительно. Можно говорить лишь о смещении' предела выносливости и изменении угла наклона кривой усталости в связи с изменением совокупности действующих факторов.

Простое сопоставление параметров сопротивления усталости не позволяет выявить какие-либо закономерности универсального характера, выполняемых для всех без исключения экспериментальных данных. В ограниченной степени лишь подтверждается упоминаемый различными исследователями факт связи величины

Рис. 3. Обобщенная структура базы данных по показателям усталости металлов и сплавов

1-104 1-105 1-106 1-107 1-108 1 109 Ко

Рис.4. Положение точек перегиба,кривых усталости металлов в многоцикловой области, представленных в базе данных информационной системы (стл- напряжение, МПа; Л/о- число циклов нагружения)д

предела выносливости и тангенса угла наклона кривой усталости к оси числа циклов нагружения в случае представления кривой усталости в системе логарифмических координат. В литературе эту связь для отдельных групп сталей обычно формулируют следующим образом: большему пределу выносливости, как правило, соответствует

более пологая многоциклорая область кривой усталости (меньшее значение структурно чувствительного параметра сопротивления усталости) и - наоборот.

Таблица 1

Обобщенная характеристика факторов, при действии которых получены результаты испытаний на усталость лабораторных образцов и натурных деталей, вошедшие в состав

рассматриваемой предметной области

п/п Наименование фактора Диапазон варьирования (число различных вариантов, уровней, способов, режимов)

1 Марка стали или сплава 204 , .

2 Способ нагружения (схема) 17

3 Испытательная среда 54 ■

4 Температура испытания 66 (от-269 до 1000°С)

5 Форма поперечного сечения 4

6 Масштабный фактор (характерный размер) 65 (от 1 до 111 мм)

7 Режим термической обработки 81

8 Способ обработки поверхности 28

9 Чистота обработки поверхности 63 (от Яа 0,2 до Яа 24,07)

. 10 Частота цикла ....... 68 (от 2,5 до 20000 Гц)

В заключении главы 2 обоснована необходимость металловедческого рассмотрения процессов разрушения и описания интенсивности их прохождения интегральными, структурно чувствительными показателями. Количественно подтверждена связь структурно чувствительного параметра сопротивления усталости в любой форме его представления (в зависимости от системы координат, в которых представлена ' кривая усталости) от совокупности действующих факторов. В частности, простое сопоставление различных форм выражения, параметра сопротивления позволяет идентифицировать совокупность условий,' в которых происходило циклическое'нагружение.

На основе изучения работ В.М. Гребенйка, Д.И. Шетулова, Н.В. Олейника и результатов < выполненной с " использованием разработанной ' базы данных количественной оценки влияния' факторов на величину показателей сопротивления усталости была выбрана в качестве наиболее подходящей для целей нашего исследования форма представления структурно-чувствительного параметра сопротивления усталости в виде тангенса угла наклона левой ветви кривой усталости к оси числа циклов нагружения в случае представления кривой усталости в системе логарифмических координат.

Далее в работе обоснована необходимость рассмотрения комплексного показателя, характеризующего положение кривой усталости в системе логарифмических координат, включающего в себя угол наклона кривой усталости к оси числа циклов нагружения и обобщенный параметр кривой усталости, например представляемый сочетанием координат точек, отсекаемых на осях условно продолжаемой спрямленной многоцикловой областью кривой усталости. В этом случае мы можем однозначно охарактеризовать положение кривой усталости в системе логарифмических координат.

Обоснована необходимость обеспечения интегрального (совместного) рассмотрения накопленных к настоящему времени экспериментальных данных с целью получения и уточнения универсальных зависимостей, характеризующих металлические материалы как особый класс конструкционных материалов.

В 'третьей главе на основе рассмотрения наиболее явных закономерностей в поведении металлических конструкционных материалов ■ при циклическом нагружении обоснован предлагаемый метод обобщения и комплексного представления информации по усталости металлов. Охарактеризованы основные этапы выполнения предлагаемой процедуры преобразования и получаемый эффект от его использования.

Известна проблема, возникающая при необходимости сопоставления двух различных кривых усталости. Учет только характеристик прочности (например, значения предела выносливости или значения ограниченного предела выносливости) или. характеристик долговечности (например, сравнение значений абсцисс точек перегиба двух кривых усталости) или, даже, сравнение., значений структурно чувствительных параметров (углов наклона сравниваемых кривых усталости) - не позволяет получить однозначного ответа о преимуществе того или иного рассматриваемого варианта расположения кривой усталости. Необходимы некие комплексные показатели сопротивления усталости, которые учитывали бы показатели и прочности, и долговечности, и стабильность структуры при циклическом нагружении. Рассмотрение ограниченного количества экспериментальных данных по усталости металлов позволило выявить существование таких комплексных показателей. Аналитические выражения для них были получены после нормировки — отнесения координат предела выносливости к условным точкам, в которых кривая усталости в системе логарифмических координат пересекает оси абсцисс и ординат. Результатом этих исследований стали приведенные в п.3.1 исходные формы выражений, связывающие комплексные показатели сопротивления усталости между собой, например приводимое ниже выражение для аппроксимации связи между двумя показателями прямолинейной зависимостью:

^((ст/г/а.) • 100) = 3,4590- 1,9432 ^а», 100). (1)

Для уточнения полученных зависимостей были привлечены дополнительные экспериментальные данные. Их . количественный анализ позволил уточнить процедуру преобразования данных и результаты преобразования. Традиционно упоминаемая в рамках предобработки данных нормировка может выполняться с использованием различных аналитических выражений для обрабатываемых величин. Это может быть нормировка с ориентацией на экстремальные значения, принимаемые исследуемыми величинами, например, путем нормировки каждой переменной на диапазон разброса ее значений:

Х1 X/,

(2)

Х/тлх Х/жиа

где х, ~ произвольный элемент нормированных данных,

соответствующий ему элемент исходных данных; Х™*—Х/юш " Диапазон разброса значений элементов исходных данных, либо, более надежная процедура с ориентацией на типичные или статистические характеристики данных, такие, как среднее и дисперсия:

J я

где Xi = -Hxr среднее всех элементов данных, п ы 1

¿7, = -J-^-jiixi—XiJ " стандартное отклонение величины х,

В п.3.2 рассмотрены различные формы преобразования-нормирования, а также представлен алгоритм оценки эффективности данного преобразования, основанный на расчете кросс-энтропии, являющейся в данном случае критерием степени связи между двумя массивами данных, или критерием предсказуемости значений одной случайной величины, обеспечиваемое знанием другой случайной величины, связанной с первой некоторым, пусть даже неизвестным, по форме аналитического выражения, способом. Расчет величины кросс-энтропии производился в соответствии с алгоритмами Ежова А А. и Шумского С. А. по формуле

N N

где jVxy" полное число ячеек в объединенном пространстве; Д/^- число

N

проекций ячеек на пространство X; —— - характерный разброс точек по оси Y при

•Л^X

фиксированном X; - характерный разброс всех данных по оси Y.

Величина кросс-энтропии дает оценку логарифму отношения типичного разброса значений переменной Y к типичному разбросу этой переменной, но при известном значении переменной X . Чем больше кросс-энтропия, тем больше определенности вносит знание значения X в предсказание значения переменной Y . Для нашего случая (при необходимости решения задачи подбора формы для выражения связи параметров сопротивления усталости металлов) расчет кросс-энтропии позволял выбирать. такие варианты преобразования экспериментальных данных, при использовании которых разброс данных относительно аппроксимирующей зависимости оказывался минимальным. Алгоритмы box-counting основаны на подсчете чисел заполнения значениями рассматриваемого множества точек ячеек (boxes), на которые специально разбивается пространство, образованное значениями аргумента и функции. Числа заполнения используются для оценки плотности вероятности распределения примеров по ячейкам. Набор вероятностей, получаемых при этом, позволяет сделать оценку любой статистической характеристики рассматриваемой выборки. Используемый энтропийный анализ не требует никаких предположений о характере связи между входными и выходными переменными. Таким образом, он обеспечивает наиболее общий способ определения значимости формы представления исходных данных (входа), позволяя оценивать степень предсказуемости результирующей переменной - искомой функции (выхода). На рис. 5 показаны результаты расчета кросс-энтропии для различных комбинаций параметров сопротивления усталости в случае их использования в исходной форме (1) и в случае различных вариантов нормировки показателей сопротивления усталости (2) - как один из исключенных впоследствии вариантов и (3) — как вариант наилучшего преобразования экспериментальных результатов.

В этом же разделе охарактеризованы особенности работы программы, реализующей алгоритм box-counting для подсчета кросс-энтропии. В п.3.3 детально рассмотрено и исследовано используемое в дальнейшем преобразование экспериментальных данных. Предлагаемое преобразование включает в себя два

этапа: нормировку всех кривых усталости и учет связи структурно-чувствительного параметра сопротивления усталости с характеристиками положения предела выносливости. Первое преобразование позволяет трансформировать все многоцикловые области кривых усталости, независимо от значения угла наклона к оси числа циклов нагружения в кривые вида у = (^(х))"А. Система координат, в которой выполняется это преобразование, была названа системой приведенных координат - ее образуют приведенные показатели сопротивления усталости: приведенная прочность и приведенная долговечность.

I(X,Y)

Рис.5. Результаты: расчета кросс-энтропии методом box-counting:

(1) - "+" объединенное пространство образовано параметрами сопротивления усталости в исходной форме;

(2) — "X" объединенное пространство образовано частично, преобразованными параметрами сопротивления усталости;

(3) - объединенное пространство образовано приведенными параметрами сопротивления усталости По оси абсцисс отложены размеры

- клеток, на которые было разделено объединенное пространство(фактически - это величина ошибки в определении искомых параметров)

Это относительные, параметры, для получения которых соответствующие координаты каждой точки,, принадлежащей левой ветви кривой усталости, относятся к условным значениям напряжения и числа циклов нагружения, в которых продолженная кривая усталости пересекает оси координат. В частности, для предела выносливости эти приведенные координаты рассчитываются следующим образом:

стпр = - log(a*/cr.) , Mip= - \og(Nc/N*) , tga»fnp= - log(tga^).

(5)

(6) (7)

(В выражениях 5,6,7 дополнительно выполнено логарифмирование для согласования координатных осей и умножение на -1 для перевода величин в положительную область значений.) Предложенное преобразование позволяет перевести любую кривую усталости из системы логарифмических координат на одну поверхность в трехмерном пространстве преобразованных координат. При этом образующая этой поверхности, представляет собой кривую вида у = (к^(х))"А,' а направляющая параллельна оси преобразованного угла наклона кривой усталости. На рис. 6 на примере произвольных прямых (аналогов кривых усталости, спрямленных в логарифмической системе координат) показано, как происходит преобразование и перевод прямых на поверхность.

Схематичное изображение рассматриваемой поверхности представлено на рис.7. Следующий этап преобразования заключается в совместном рассмотрении в системе приведенных координат всех пределов выносливости кривых усталости, вошедших в базу данных. Эти данные представляют собой полученные разными авторами;' результаты экспериментов на усталость, предпринятые ими с целью

%

определения положения физического предала выносливости и многоцикловой области усталости. Это преобразование схематично показано на рис. 8.

а) три произвольные прямые, аналогичные условно продолженным до пересечения с осями координат спрямленным в Многоцикловой области кривым усталости

б) те же прямые после преобразования-нормирования, заключающегося в отношении соответствующих

координат каждой точки,

принадлежащей рассматриваемой прямой к условным значениям ординаты и абсциссы точек, в которых рассматриваемая прямая пересекает ось • координат и последующего логарифмирования абсциссы и ординаты каждой полученной точки

Рис. 6. Пример применения процедуры преобразования-нормирования, переводящего три произвольные прямые на поверхность, образующая которой показана на рисунке б)

С металловедческой точки зрения в точке перехода кривой усталости с левого, круто наклоненного участка, в правый, практически горизонтальный участок, происходит смена'контролирующего механизма накопления дефектов и зарождения микротрещин. В частности, на левом участке кривой усталости накопление дефектов при циклическом нагружении связано, по мнению многих авторов, в основном с интенсивным скольжением дислокаций и их коллективными взаимодействиями различного рода. В области выносливости, то есть правее точки перегиба накопление повреждений, разрыхление металлического конструкционного материала происходит за счет коагуляции пор.

Рассмотрение экспериментальных данных в форме их преобразованных аналогов принципиальным образом меняет характер зависимостей, получаемых при совместном графическом представлении данных о точках перегиба кривых усталости. Те же самые данные, что были представлены на рис. 4, в случае парного рассмотрения преобразованных показателей сопротивления усталости позволяют получить результаты, показанные на рис. 9, 10,11.

В п.3.4 на основе обработки полученных зависимостей получены следующие аппроксимационные выражения:

Ыпр =1,9421ехр(2,515б1ёа^„р), (8)

апр= б,2565ехр(-2,2945 1§схЖпр), (9)

0 -1о0[<(»)).-1о0!г1(»)),-к>8(ОД) 2

Рис.7. • Схематичное изображение поверхности, в . пределах которой происходит расслоение нормированного пространства кривых усталости по информативному параметру

Рис.8. Схематичное изображение поверхности приведенных параметров сопротивления усталости с выделенными на ней точками, соответствующими физическим пределам выносливости металлов и сплавов, связанными с информативным параметром

Рис.9. Сопоставление приведенной прочности и приведенного угла наклона кривой усталости к, оси числа циклов нагружения (приведенная прочность -5РЯУ\ приведенный угол наклона -ТвРКУ)

Рис.10. Сопоставление приведенной долговечности и приведенного угла наклона кривой усталости к оси числа циклов нагружения (приведённая долговечность - ЫРКУ\ приведенный угол наклона - ТОРЯ У)

• I •

вРЛУ.ю

Рис.11. Сопоставление приведенной прочности и приведенной долговечности (приведенная прочность - БРЯУ; приведенная долговечность - ЫРШ0

1

0

100 ЫРЛУ.

200 200

0

апр= 11,028 Л^

-0,8997

(10)

пр

Коэффициент достоверности для зависимостей (8-10) оказался не ниже 0,93.

Рассмотрение зависимости приведенных параметров в пространстве приведенных координат позволяет получить следующую картину (Рис. 12 и 13).

Учитывая большое количество точек (кривых усталости), рассмотренных для получения этих зависимостей, можно говорить о неких обобщенных зависимостях поведения металлического конструкционного материала при действии циклической нагрузки в условиях разных совокупностей факторов.

Таким образом, можно выделить три основных источника и предпосылки для получения данного результата. Во-первых, это результаты различных исследований ученых-материаловедов, выявивших и экспериментально обосновавших существование интегрального показателя — "индикатора" . интенсивности прохождения процессов упрочнения-разупрочнения и, как следствие, разрушения в конструкционном материале при периодическом нагружении. Таким "индикатором" принято считать структурно-чувствительный параметр — тангенс угла наклона кривой усталости к оси числа циклов нагружения в системе логарифмических координат. Другой необходимой предпосылкой можно считать накопленные к настоящему времени экспериментальные данные по усталости металлов, в частности, предпринятые с целью определения величины предела выносливости. И, в заключение, необходимо упомянуть реализованную расчетную процедуру преобразования экспериментальных данных и обеспечение возможности их совместного рассмотрения в процессе работы информационной системы. Все это позволило получить новый объект исследования - преобразованный аналог исследуемой предметной области — изображение кривых усталости в пространстве приведенных показателей сопротивления усталости. Дальнейшее исследование заключалось в анализе этой системы-аналога и получении практически полезных результатов при восстановлении приведенных показателей сопротивления усталости в их традиционные аналоги. В п.3.4. был выполнен анализ чувствительности результатов построения обобщенной зависимости к выбору координат точек перегиба. Выбор для совместного рассмотрения точек на кривых усталости иным способом, отличным от совместного рассмотрения физических пределов выносливости не позволяет получить такие же универсального ..характера зависимости. Тем самым подтверждается особенный характер полученной обобщенной зависимости приведенных параметров сопротивления усталости.

Рис.12. Обобщенная зависимость приведенных параметров сопротивления усталости металлических материалов

Рис.13. Увеличенная часть обобщенной зависимости приведенных параметров, содержащая основную долю экспериментальных точек . ,

В п.3.5 представлены результаты исследования возможности "восстановления" показателей сопротивления усталости из их приведенных аналогов. Рассмотрен итерационный алгоритм расчета показателей сопротивления усталости. Приведена блок-схема "восстановления" показателей сопротивления* усталости и результаты расчета показателей сопротивления усталости для одной из. кривых усталости, хранящейся в базе данных.

Технически возможность восстановления показателей сопротивления усталости из их приведенных аналогов обеспечивается за счет выявленных в ходе исследования зависимостей приведенных показателей сопротивления усталости (и прочности, и долговечности) от угла наклона кривой усталости к оси числа циклов

нагружения. Искомый результат поиска - это решение, связывающее обе зависимости (проекции обобщенной зависимости приведенных параметров- сопротивления усталости на координатные плоскости, пересекающиеся по координатной оси изменения приведенного угла наклона кривой усталости к оси числа циклов нагружения).

В п.3.6. представлены результаты исследования особенностей отображения кривых усталости имеющих в многоцикловой области точку перегиба в пространство приведенных показателей сопротивления усталости. Рассмотрены нескольких групп кривых усталости, в пределах каждой из которых кривые усталости отличаются друг от друга значением только одного показателя сопротивления усталости при равенстве значений двух других параметров сопротивления усталости. Отображение групп этих кривых в пространство приведенных показателей сопротивления усталости позволяет получить алгоритм (карту) для расшифровки результатов визуализации как экспериментальных результатов, так и результатов прогнозирования. Это, в свою очередь, позволяет обеспечить возможность для интерпретации результатов исследований в рамках качественного и количественного анализа явления усталости металлов.

В главе 4 выполнено исследование обобщенной зависимости, позволившее распространить предложенное преобразование также и на те многочисленные результаты испытаний на усталость, в рамках которых физический предел выносливости не был определен. „ В п.4.1 выполнен анализ чувствительности параметров полученной обобщенной зависимости к выбору точек для совместного рассмотрения (положения пределов выносливости кривых усталости). Для того чтобы подтвердить обоснованность сопоставления в рамках обобщенной зависимости приведенных. параметров экспериментально полученных пределов выносливости были гипотетически рассмотрены различные варианты выбора точек для сопоставления в рамках обобщенной зависимости. Например, рассматривались варианты с одинаковыми для всех рассматриваемых кривых усталости точками перегиба по величине напряжения (одинаковая ордината всех точек перегиба), либо по долговечности (одинаковая абсцисса всех точек перегиба). Эффективность использования результатов различных гипотёз оценивалась с помощью расчета коэффициентов корреляции и подсчета кросс-энтропии. Исследование различных гипотез позволило определить, что в рамках зависимостей, аналогичных обобщенной, сопоставимы также и такие точки различных кривых усталости, которые отстоят от физических пределов выносливости в одинаковое количество раз. В связи с этим в п.4.2 было количественно охарактеризовано понятие "гомологического напряжения" для обоснования возможности применения процедуры приведения к данным по усталости с ограниченными пределами выносливости. Процедура расчета этой характеристики показана ниже:

Const = (агом)1/(аЛ), = (ап}м)2/(оЛ)2= .... = (0^/(0^, (И)

где (аЛ)ь (аЛ)г, ...., (оя), - пределы выносливости 1,2,...., i - й кривой усталости, (Стгом)ь (Огом)г» ....» (огом); — некоторые значения Напряжения, названные гомологическими, при которых выражение {11) становится истинным. Термин "гомологическое" взят нами по аналогии с использованием термина гомологическая температура, использование ■ которой позволяет paccMáTpHBaib в идентичных условиях металлы и сплавы, имеющие разные температуры плавления. •

Были получены выражения для проекций линий, соответствующих одинаковым значениям "гомологического напряжения":

N„p = C*exp(D-tgaffnp), , (12)

апр= A-exp(Btga^np), (13)

. 23

коэффициенты А,В,С и Э в которых связаны с коэффициентом к, показывающим, во сколько раз ограниченный предел выносливости превышает физический предел выносливости,' в соответствии со следующими выражениями:

С= 0,44161п(к)+1,9383; (14)

-0,05311п(к)+2,5247; (15)

' . А=6,1287к2-5,5584к+5,868; (16)

- В= -0,7332к2-0,4453к-1,1474; (17)

Последние два выражения применимы в том случае, когда 0,3<=к<=1,15. Если априорно. предполагается, что ограниченный предел выносливости превышает физический предел выносливости, более чем на 15%, вместо расчета коэффициентов А и В необходимо воспользоваться выражением:

, стпр='2,24991ёа^пр4-10,83иёажпр3+19,9031ёа^пр2-17,6731ёа^пр+Р, (18)

где Б, в свою очередь, находится из выражения:

0,0455кг-0,4222к+7,3732. (19)

Для коэффициентов С и Б (в случае расчета, зависимости для 7/пр) расчетные выражения не меняются и в случае выхода коэффициента к за пределы указанного выше диапазона.

' Совместное рассмотрение точек принадлежащих различным кривым усталости, для' которых число циклов нагружения, соответствующих моменту разрушения отличается от абсциссы точки перегиба также в одинаковое количество раз, позволило полупить аналогичные по характеру зависимости для разных уровней "гомологического числа циклов нагружения". По смыслу эта характеристика представляет собой эквивалентное некоторому условию число циклов нагружения, однако термин "эквивалентное число циклов нагружения" традиционно используется для обозначения некоторого условного числа циклов нагружения при постоянной величине нагрузки заменяющего другое, иногда — меньшее число циклов, при действии на систему нагрузки, изменяющейся по некоторому заданному закону (программе). Критерием замены в этом случае также является эквивалентное воздействие нагружения на конструкционный материал.

Абсолютное значение гомологического напряжения для различных кривых усталости будет различным, и оно будет зависеть как от величины предела выносливости, так и от угла наклона кривой, усталости к оси числа циклов нагружения. Но, в случае совместного рассмотрения, точки на разных кривых • усталости," соответствующие одинаковому значению гомологического напряжения, будут образовывать аналогичные обобщенной зависимости кривые. Рассмотрение семейства таких кривых позволяет получить обобщенную поверхность приведенных параметров сопротивления усталости. Программа визуализации обобщенной поверхности приведенных параметров позволяет не только исследовать обобщенную зависимость с разных точек наблюдения, но и достаточно точно позиционировать произвольную кривую усталости в пространстве приведенных координат путем задания угла наклона кривой усталости (информационного параметра) и уровня Гомологического напряжения. В п.4.3 подробно исследована обобщенная поверхность Уфйведенных параметров сопротивления усталости. На рис.14... 16 представлены '"основные элементы пространства приведенных показателей сопротивления усталости: экспериментальные точки, соответствующие физическим пределам выносливости кривых усталости, полученные опытным путем, обобщенная зависимость приведенных показателей сопротивления усталости и обобщенная поверхность приведенных показателей сопротивления усталости, линии равного уровня которой соответствуют одинаковому значению "гомологического

напряжения", то есть в одинаковое количество раз отличаются от величины физического предела выносливости.

Рис.14. Общий вид пространства приведенных координат и его основные элементы:

- экспериментальные данные (пределы выносливости кривых усталости);

- обобщенная зависимость (результаты обработки экспериментальных данных в виде последовательности точек с фиксированным шагом);

- линии равного уровня гомологического напряжения и • ■ -линии равного значения преобразованного угла наклона кривой усталости к оси числа циклов нагружения, образующие сетку обобщенной поверхности преобразованных параметров сопротивления усталости металлов.

. »

На рис. 15 и 16 показаны две характерные области пространства приведенных показателей сопротивления усталости, соответствующие относительно малым и относительно большим углам наклона кривой усталости в обычной системе координат. Обобщенная зависимость приведенных параметров сопротивления усталости представлена последовательным рядом точек. Добавлены линии равного уровня гомологического напряжения . (составляют единую с обобщенной зависимостью систему изолиний) и линии',', сетки обобщенной поверхности, соответствующие равным значениям приведенного угла наклона кривых усталости (для представленного случая шаг изменения приведенного угла наклона при построении обобщенной поверхности составляет 0,2 при построении обобщенной зависимости шаг меньше; гомологическое напряжение меняется от 0,3 до 1,3 с шагом 0,1. Обобщенная зависимость соответствует уровню гомологического напряжения равному 1)

Рис.15. Видна обобщенную зависимость, обобщенную поверхность приведенных параметров сопротивления усталости и экспериментальные точки, соответствующие области малых углов наклона .. кривых усталости к оси числа циклов нагружения

■

Рис.16. Элементы пространства приведенных координат вблизи области перехода к большим углам наклона кривой усталости к оси числа циклов нагружения.

В п.4.4 введено понятие эквивалентных комплексов показателей сопротивления» усталости. Сопоставимость физических пределов выносливости в составе обобщенной зависимости приведенных параметров сопротивления усталости, косвенно подтверждает существование некоторых уровней напряжений (для разных материалов и совокупностей действующих факторов, не совпадающих по абсолютной величине), при которых прохождение процессов накопления повреждений в металле при циклическом нагружении будет происходить идентично. Данное положение позволяет ввести понятие "эквивалентный комплекс показателей сопротивления усталости", который характеризует различные системы (образцы, детали), находящиеся в определенном смысле в идентичных условиях, в пространстве приведенных показателей сопротивления усталости. Семейство линий, образующих вместе с обобщенной зависимостью обобщенную поверхность, и линии, лежащие в этой поверхности и соответствующие определенному значению тангенса приведенного угла наклона кривой усталости к оси числа циклов нагружения, образуют сетку из линий, позволяющую однозначно характеризовать положение кривой усталости в пространстве приведенных координат.

Уровень гомологического напряжения представляет собой, как бы, "запас" от ограниченного предела выносливости, полученного экспериментальным путем, до величины предела выносливости (его прогнозируемого значения, либо значения, получаемого экспериментальным путем). Рассматривая аналогичные построения относительно оси абсцисс, можно получить семейство линий, в пределах которых кривые усталости будут объединены одинаковым значением "запаса" по числу циклов нагружения до абсциссы точки перегиба кривой усталости. "Запас" по уровню напряжений и "запас" по числу циклов нагружения связаны друг с другом (как противолежащий и прилежащий катеты в прямоугольном треугольнике) с помощью тангенса угла наклона кривой усталости к оси числа циклов нагружения в случае'-представления кривой усталости в системе логарифмических координат. Поэтому обобщенная поверхность приведенных параметров сопротивления усталости, построенная с использованием линий равного уровня "гомологического напряжения", может быть легко перестроена (при изменении характера исходных данных для решения задачи прогнозирования) в обобщенную поверхность приведенных параметров сопротивления усталости, построенную с использованием линий равного уровня "гомологического числа циклов нагружения".

В п.4.5 охарактеризована программа построения обобщенной зависимости и обобщенной поверхности приведенных параметров сопротивления усталости. Представлен интерфейс пользователя, позволяющий выполнять основные операции с кривыми усталости, хранящимися в базе данных, в случае их представления в

пространстве приведенных показателей в качестве элементов, обеспечивающих получение обобщенной зависимости или поверхности.

Исследование результатов параллельного представления кривых усталости в традиционной и приведенной системах, координат позволило подтвердить большее удобство приведенной системы координат для количественной оценки влияния различных факторов на параметры сопротивления усталости. В п.4.6. в частности, были получены зависимости параметров обобщенной зависимости для различных комбинаций действующих факторов. На рис. 17 представлены результаты оценки параметров обобщенной зависимости приведенных параметров в зависимости от процентного содержания углерода в стали. Данные, зависимости могут быть использованы для выполнения прогнозирования положения кривой усталости в традиционных системах координат для случаев, когда экспериментальные данные отсутствуют, но имеется описание факторов, в условиях действия которых предполагается периодическое нагружение объекта исследования.

Рис. 17. Изменение коэффициентов, входящих в выражения,

описывающие обобщенную поверхность для сталей при увеличении содержания углерода • ..

(по оси абсцисс отложено процентное содержание . углерода в стали х 100)

В пятой главе изложена общая концепция построения системы методов и алгоритмов прогнозирования показателей сопротивления усталости с использованием предложенного преобразования приведением.

В п.5.1 рассмотрены обобщенные информационные схемы объекта исследования — кривой усталости металлов и преобразования информации в ходе прогнозирования, а также основные составляющие процедуры прогнозирования. Переход в пространство приведенных показателей сопротивления усталости обеспечивает формирование новых информационных объектов исследования -обобщенной зависимости и поверхности приведенных параметров сопротивления усталости. В п.5.2 представлена общая схема методов прогнозирования реализованных в составе информационной системы металлического конструкционного материала при циклическом нагружении (на рис. 18 приведены ее основные положения), перечислены требуемые исходные информационные ресурсы (виды исходных данных и зависимостей), программные средства, исследуемые объекты и выполняемые с ними операции, а также получаемый результат. В этом же разделе представлено назначение и. основные требования к . разрабатываемой . информационной системе, вытекающие из ее назначения, а именно — информационная система предназначена для сбора, хранения, преобразования по определенному „алгоритму экспериментальных данных по усталости металлов, а также визуального представления в различных системах координат информации о поведении металлов при циклическом нагружении с целью выполнения различного

рода заключений при сравнении нескольких альтернативных вариантов. Информационная система должна позволять производить анализ имеющейся информации на основе обобщения, базирующегося на процедуре приведения, а также синтезировать новое знание в форме прогноза поведения металлического материала с использованием известных и разработанных вновь методов прогнозирования показателей сопротивления усталости. Основные функциональные блоки информационной системы программно реализованы, в Федеральной службе РФ по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам получено 7 свидетельств об - официальной регистрации разработанных программ. В п.5.3. рассмотрены основные варианты использования результатов прогнозирования на этапах жизненного цикла технической системы, начиная с этапа проектирования и заканчивая выводом системы из эксплуатации. В частности, задача управления техническими системами на этапе исследования свойств материалов и проектирования решена в форме защищенного патентом РФ на полезную модель изменения в системе управления испытательным стендом, позволяющего оперативно учитывать результаты прогнозирования с целью сокращения продолжительности испытаний. В соответствии с представленной на рис. 18 схемой методов прогнозирования организована структура пятой главы. В п.5.4 представлен этап качественного анализа информации по усталости металлов и сплавов. Исходными данными для его выполнения являются результаты испытаний, представленные в базе данных г в г виде параметров различных участков кривой усталости, и описание условий, при которых происходило нагружение. В зависимости от условий решаемой задачи пользователь. имеет возможность проводить исследование либо всей информации, либо-той ее части, которая удовлетворяет сформированным критериям выборки данных. Наряду с табличной формой выведения результатов исследования, значительное удобство обеспечивает возможность графического представления выбранных из базы данных кривых усталости. В этом случае значительно упрощается выбор или подтверждение ранее сделанного вывода о предпочтительности той или иной альтернативы (варианта термической обработки, температурного режима, используемой марки стали или сплава). Сравнение выигрыша от использования оптимаййнбй альтернативы производится по результатам расчета коэффициента запаса по напряжению и коэффициента запаса по долговечности. В п.5.5 рассмотрены 'различные' уровни количественного анализа экспериментальных данных, позволяющие"' реализовать различные модификации методов ускоренного определения " параметров сопротивления усталости металлов. Выполнение экспериментальных работ, даже в ограниченном объеме (например, для определения положения левой ветви кривой" усталости), иногда представляет определенную проблему, в силу высокой стоимости и длительности проведения испытаний. В этом случае удобно использовать модифицированные обобщенные зависимости, полученные путем замены одного приведенного параметра сопротивления усталости (угла наклона кривой усталости к оси числа циклов нагружения). На этапе исходной подготовки данных выполняется преобразование параметров кривых усталости с целью получения обобщенной зависимости приведенных параметров сопротивления усталости (ОЗППСУ) и обобщенной поверхности приведенных параметров сопротивления усталости (ОПППСУ). Этими зависимостями можно пользоваться в рамках упрощенных методов прогнозирования, используемых для ускоренной отбраковки,' ''отсева", негодных альтернатив. В качестве исходных данных для выполнения такого прогноза могут использоваться результаты ограниченных по объему испытаний на усталость, в ходе которых будет определен угол наклона кривой усталости к оси числа циклов нагружения. Угол наклона кривой усталости к 28

^Исходные данные,и ..г';;л ресурсы^ программные^

^В^рдняемые операции

Л Ч Г

Экспериментальные результаты испытаний на усталость, база данных, программа визуализации результатов испытаний

Статистический и факторный анализ экспериментальных данных, стандартные программы анализа

ИИ

Информационная система, программы визуализации и исследования обобщенных зависимостей

Связь показателей сопротивления усталости с показателями сопротивления' статическому нагружению, информационная система, преобразованные обобщенные зависимости

Исследование экспериментальных результатов в исходной форме (физический и ограниченный пределы выносливости, параметры характерных участков кривой усталости) Зиг^

Различного рода преобразования исходных данных

- нормировка;

- приведение;

ОЗППСУ

ОПППСУ

Обобщенные зависимости с изменяемыми входными параметрами

Заключения качественного характера о тенденциях и закономерностях в поведении металлов при усталости

Обобщенная зависимость и поверхность приведенных параметров сопротивления усталости (ОЗППСУ, ОПППСУ)

Прогноз по усредненным значениям предела выносливости "для отсева"

Прогноз по усредненным значениям физического и ограниченного предела выносливости "для отсева"

Прогноз показателей сопротивления усталости по различным показателям сопротивления статическому нагружению

Факторный и. статистический анализ, сортировка и выборка исходных данных по различным критериям

Построение факторных функций корректировки

Построение кривых усталости с учетом Действия определяющих факторов (без учета их взаимодействия)

Технологии построения нейронных сетей

Учет межфакторных взаимодействий на основе ИНС

Построение кривых усталости с учетом действия комплексов факторов (с учетом их взаимодействия)

Рис. 18. Общая схема объединения моделей, методов и алгоритмов, использующих преобразование показателей сопротивления усталости в пространство приведенных координат

о .,.1 ".м(, ■

29

оси числа циклов нагружения необходим в качестве входного параметра для расчета положения прогнозируемой кривой усталости на обобщенной зависимости приведенных параметров сопротивления усталости. На рис. 19 упрощенно показана эта модификация метрода прогноза, которая заключается в сечении обобщенной зависимости (2) плоскостью (1), соответствующей найденному каким-либо способом углу наклона кривой усталости к оси числа циклов нагружения.

Для уточненного определения положения точки перегиба целесообразно , воспользоваться модификацией метода прогноза, рассмотренной на рис. - 20. По экспериментальным результатам определяется положение кривой усталости на образующей обобщенной зависимости (1), полученная точка проецируется до пересечения с линиями эквивалентного состояния конструкционного материала (2), полученная .точка пересечения позволяет определить угол наклона кривой усталости к ос?г числа циклов нагружения (3) и отклонение-линии эквивалентного состояния конструкционного материала от обобщенной зависимости приведенных параметров сопротивления усталости. На рис.20 к=0.8, что соответствует 20%-ному превышению величиной экспериментально полученного ограниченного предела выносливости величины физического предел выносливости исследуемого материала. Использование программы "восстановления" параметров сопротивления усталости из их приведенных аналогов- позволит определить прогнозируемое положение предела выносливости (точки перегиба) и всей кривой усталости. Исследование возможности сопоставления величины структурно чувствительного параметра сопротивления усталости (тангенса угла наклона кривой усталости к оси числа циклов нагружения) с параметрами, характеризующими свойства металлического материала (например, с параметрами сопротивления статическому нагружению), расширяет область использования обобщенных зависимостей; за счет их модифицирования путем , замены одной из координатных осей системы приведенных координат и пересчета величины приведенного угла наклона кривой усталости к оси числа циклов нагружения в значения другого, более удобного, в силу условий решаемой задачи, параметра. Восстановление приведенных параметров сопротивления усталости из их приведенных аналогов выполняется способом, аналогичным рассмотренному выше.

Рис. 19. Упрощенная модификация метода прогноза показателей сопротивления многоцикловой усталости металлов — метод сечений. * :•.

1 — плоскость, соответствующая найденному расчетным или экспериментальным путем углу наклона кривой усталости к оси числа циклов нагружения;

2 — результат определения положения физического предела выносливости на обобщенной зависимости приведенных параметров сопротивления усталости

А МпР

Рис. 20. Уточненная модификация метода прогнозирования метод проекций.

1 - результат определения положения ограниченных по объему экспериментальных данных на образующей обобщенной поверхности приведенных параметров;

2 - нахождение линии эквивалентного состояния материала, соответствующей экспериментальным данным;

3 - уточнение угла наклона кривой усталости и положения физического предела выносливости

В заключении п.5.5 рассматривается возможность выявления информации, количественно характеризующей влияние различных факторов на показатели сопротивления усталости. Итогом использования этой процедуры стали факторные функции корректировки, позволяющие уточнить смещение прогнозируемого значения предела выносливости кривой усталости от как бы усредненного его положения на обобщенной зависимости под действием конструктивных, технологических или эксплуатационных факторов. Практическое использование этих результатов заключается в возможности прогнозирования положения кривой усталости металлов и сплавов в случае влияния факторов, слабо взаимодействующих между собой. В п.5.6 на основе полученных факторных; функций корректировки предпринята попытка реализации системы учета межфакгорных взаимодействий на основе технологии искусственных нейронных сетей. С использованием стандартного пакета №иго5Ье112 реализуются две задачи — прямая задача прогнозирования показателей сопротивления усталости металлического материала на основе описания совокупности факторов, в условиях которых циклически нагружается исследуемый объект, и обратная задача, когда по результатам экспериментального определения параметров сопротивления усталости выполняется расшифровка — восстановление информации о факторах, при условии действия которых были получены исследуемые результаты.

В шестой главе представлены примеры использования информационной системы металлического конструкционного материала и разработанной системы методов и алгоритмов прогнозирования показателей сопротивления усталости для решения различных задач прикладного характера. Хранение и систематизация данных , по усталости, металлов в базе данных информационной системы обеспечивают возможность их исследования, выявления закономерностей и тенденций в изменении показателей сопротивления усталости в зависимости от действующих факторов. Разработанные вновь и известные методы прогнозирования . позволяют получить информацию об априорных кривых усталости для оптимизации

процедуры экспериментального построения кривых усталости, прогноза положения кривых усталости деталей и элементов конструкций в традиционной системе координат. Проверка адекватности прогнозирования выполнялась с использованием результатов испытаний на усталость лабораторных образцов и натурных деталей.

В п.6.1 представлены результаты выполнения анализа информации на качественном уровне на примере исследования различных выборок из данных по усталости, хранящихся в базе данных информационной системы. Графическое представление информации облегчает пользователю выполнение исследования экспериментальных результатов, например, упрощает процедуру учета взаимного влияния различных факторов. Рассмотрена также процедура прогноза положения кривой усталости с использованием ограниченных по объему испытаний лабораторных образцов. Ограниченные по объему испытания позволяют получить оценочное .значение, угла наклона многоцикловой области кривой усталости к оси числа циклов нагружения. По мере снижения уровня действующего напряжения точность определения положения кривой усталости возрастает, но также возрастает и продолжительность испытаний. На рис. 21 представлены результаты прогнозирования'' 'положения кривой усталости (предела выносливости) по результатам ограниченных по объему испытаний. Ошибка прогнозирования значения предела выносливости составила от 42 до 8% при условии, что уровень напряжения, при котором проводились испытания, превышал предел • выносливости в первом

Рис. 21. Результаты прогнозирования положения предела, выносливости и испытаний на усталость лабораторных образцов из ста1Щ..35ХГС (гладкие образцы после закалки и динамического ^наклепа испытывалнсь по схеме консольного изгиба вращающегося образца)

Проведение усталостных испытаний, даже в ограниченном объеме (например, для определения положения. левой ветви кривой усталости) часто представляет г. определенную проблему в силу высокой стоимости и длительности проведения испытаний. В этом случае удобно использовать модифицированные обобщенные зависимости, полученные путем замены одного приведенного" параметра сопротивления усталости (как правило, угла наклона кривой усталости к оси числа циклов, нагружения) на другой, например, какой-либо показатель сопротивления статическому нагружению. В п.6.2 представлен вариант использования такой усовершенствованной версии обобщенной зависимости для построения кривой усталости. Представленный пример прогнозирования показателей сопротивления 32

усталости лабораторных образцов; позволяет заключить, что при сохранении достаточно высокой точности прогноза данный вариант реализации методики прогнозирования предоставляет исследователю определенные преимущества - не возникает необходимости испытаний на усталость исследуемых объектов. Вместе с тем, в случае использования данной методики для натурных деталей возникнут сложности с экспериментальным получением показателей сопротивления статическому нагружению, либо потребуется их пересчет из показателей сопротивления статическому нагружению лабораторных образцов.

В п.6.3 представлены примеры выполнения прогноза показателей сопротивления усталости лабораторных образцов и натурных деталей с использованием обобщенной зависимости и обобщенной поверхности приведенных параметров сопротивления усталости. Прогнозирование кривой усталости в многоцикловой области выполнялось для ряда натурных деталей автомобиля (коленчатые валы с различными вариантами термической обработки, шатуны, поршневые пальцы), элементов системы взлета-посадки учебно-тренировочного самолета, других деталей и конструкций. Сопоставление результатов прогноза с результатами натурных испытаний на усталость свидетельствует, что предлагаемые методы ускоренного построения многоцикловой области кривой усталости позволяют получить требуемую для методов ускоренного построения кривой усталости точность, соответствующую 10% ошибки в определении величины предела выносливости. Вместе с тем, необходимо отметить, что существенное отличие значений. факторов от тех, что формируют область определения полученной обобщенной зависимости, что чаще наблюдается для натурных деталей, приводит к большей погрешности в прогнозируемом значении предела выносливости и требует уточнения параметров обобщенной зависимости.

В п.6.4 представлены результаты расчета параметров сопротивления усталости в случае использования расчетной программы прогнозирования, реализованной на основе технологии искусственных нейронных сетей. На Примере прогнозирования показателей сопротивления усталости поршневого пальца рассмотрена последовательность решения прямой задачи (прогнозирование положения кривой усталости по описанию действующих факторов) и обратной задачи (восстановление информации о совокупности действующих факторов по результатам построения кривой усталости на основе экспериментальных данных). При обучении нейронных сетей для компенсации недостаточной информации по различным комбинациям действующих факторов использовались результаты построения факторных функций корректировки, полученные • в результате обработки параметров обобщенной поверхности приведенных параметров сопротивления усталости. В этом случае появлялась возможность повышения эффективности обучения нейронной сети за счет использования информации о рассчитываемых пользователем комбинациях действующих факторов и соответствующих им значениях приведенных параметрах сопротивления усталости.'Данная процедура целиком обеспечена выявленными в . результате диссертационной работы количественными характеристиками обобщенной зависимости и обобщенной поверхности приведенных параметров сопротивления усталости. Оценка . точности прогнозирования показателей сопротивления усталости производилась на основе сравнения с результатами натурных стендовых испытаний на усталость. При этом для предела выносливости ошибка оказалась в диапазоне от 13,8% до 3,9%, а для долговечности (значения абсциссы точки перегиба)-в диапазоне от 25,8% до 4,01%. ; .

Точность решения обратной задачи восстановления информации о действующих факторах для рассматриваемых результатов испытаний поршневых

пальцев (АЪ = 106 циклов нагружения; ая = 120 МПа; tga^y = 0,83) оказалась менее 15,7% и оценивалась по следующей формуле:

8 = (£(£.-О,))/«* Ю0%, (20)

где: 2?, - ожидаемое предсказание по /-му выходу; О, - предсказание нейросети по 7-му выходу; п - число выходов нейронной сети.

Правильно при этом были определены значения следующих факторов: марка стали, схема нагружения, испытательная среда, режим термической обработки и способ механической обработки поверхности. Практическое применение последнего результата заключается в обеспечении возможности проведения различного рода экспертиз при необходимости проверки информации об условиях эксплуатации разрушившихся при циклическом нагружении технических объектов.

В заключении сформулированы выводы и основные результаты диссертационной работы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные результаты диссертационной работы состоят в следующем.

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.

10. 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.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ

Основное содержание, положения и результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Шетулов, Д.И. Об эффекте стесненности температурной и упругой деформаций различных материалов / Д.И.Шетулов, В.В.Андреев // Прочность, трение и износ с учетом поверхностных факторов: тезлокл. обл. науч.-техн. семинара / ННПИ.- Н.Новгород: ЦНТИ, 1991. -С.22-23.

2. Шетулов, Д.И. Влияние вида испытаний и нагружения образцов на зависимость долговечности деталей машин от повреждаемости поверхности / Д.И.Шетулов, В.В.Авдреев И Проектирование современных машин, их элементов и систем: тез.докл. участников семинара секции НТО машиностроителей. - Н.Новгород, 1993. — С.13.

3. Шетулов, Д.И. Прогнозирование долговечности деталей автомобиля / Д.И.Шетулов, В.В.Андреев, А.Н.Гущин, Н.В.Угланова //. . Методы . проектирования современных механических технических устройств, их элементов и систем: тр. секции НТО машиностроителей. — Н.Новгород, 1994. — Вып.1. - С.3-4.

4. Шетулов, Д.И. Прогноз ресурса лопасти воздушного винта движителя экраноплана / Д.И.Шетулов, М.Н Лукьянов, А.Н.Гущин, В.В. Андреев // Методы проектирования современных механических технических устройств, их элементов и систем: тр. секции НТО машиностроителей. — Н.Новгород, 1994. — Вып.1. — С.13-15.

5. Шетулов, Д.И. Результаты системного исследования метода прогноза показателей усталостной прочности и долговечности металлов по повреждаемости поверхности / Д.И.Шетулов, В.В.Андреев, Н.В.Угланова // Проблемы машиноведения: тез. докл. науч.-техн. конф. / НФ ИМАШ РАН им. А.А. Благонравова. - Н.Новгород, 1997.-С.101.

6. Шетулов, Д.И. Моделирование поведения деталей механического оборудования при циклическом нагружении / Д.И.Шетулов, В.В Андреев, Н.В.Угланова // Докл. науч.-техн. конф. по совершенствованию процессов и оборудования кузнечно-штамповочного производства / НГТУ. - Н.Новгород, 1997. - С.75-76.

7. Шетулов, Д.И. Определение предела усталости рессорной стали при наличии контактных напряжений / Д.И.Шетулов, Е.А.Сафонова, В.Н.Кравченко, В.В.Андреев // Проблемы машиноведения: тез. докл. науч.-техн. конф., посвящ. 10-летию Нижегород. фил. Ин-та машиноведения РАН. - Н.Новгород: Интелсервис, 1997. — С.83.

8. Андреев, В.В. Влияние размеров детали на точность прогноза угла наклона левой ветви кривой усталости / В.В.Андреев, В.Д.Рассохин, О.В.Пойушкин, Д.И.Шетулов // Управление строением отливок и слитков: межвуз. сб. науч. тр. - Н.Новгород: НГТУ, 1997. - С.120-122.

9. Андреев, В.В. Использование базы данных по характеристикам усталостной прочности и долговечности конструкционных материалов для уточнения прогноза кривой усталости / В.В.Андреев, Н.В.Угланова, Д.И.Шетулов // Управление строением отливок и слитков: межвуз. сб. науч. тр. - Н.Новгород: НГТУ, 1997. - С.123-124

10. Андреев, В.В. О корреляции показателей сопротивления усталости при однократном разрушении. конструкционных материалов / В.В.Андреев, В.Н.Кравченко, Д.И.Шетулов // Управление строением отливок и слитков: межвуз. сб. науч. тр. - Н.Новгород: НГТУ, 1997. -С.125-126.

11. Андреев, В.В. Прогноз параметра сопротивления усталости по повреждаемости поверхности высокопрочных сталей / В.В.Андреев, Д.И.Шетулов, С.Н..Муравьев // Технологические процессы и оборудование машино- и приборостроения: сб. науч. тр. / НГТУ.-Н.Новгород, 1997.-С.118-123.

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

13. Андреев, В.В. Учет действий человека-оператора при выполнении анализа надежности и безопасности сложных систем объектов высокорисковых производств / В.В.Андреев // Системы обработки информации и управления: межвуз. сб. науч. тр. - Н.Новгород: НГТУ, 1998. - Вып. 4. - С.78.

14. Андреев, В.В. Оценка повреждаемости поверхности высокопрочных материалов при циклических нагрузках / В.В.Андреев, Д.И.Шетулов, С.Н..Муравьев // Материаловедение и высокотемпературные технологии: межвуз. сб. науч. тр. - ННовгород: НГТУ, 1999. - Вып. 1. -С. 94-99.

15. Шетулов, Д.Й. Влияние абсолютных размеров металлических образцов (деталей) на повреждаемость поверхности / Д.И.Шетулов, Д.Ю.Бугров, В.В.Андреев II Материаловедение и высокотемпературные технологии: межвуз. сб. науч. тр. — Н.Новгород: НГТУ, 1999. - Вып. 1. —С.99-105.

16. Шетулов, Д.И. Зависимость относительной линейно-объемной температурной деформации от абсолютных размеров металлических образцов / Д.И.Шетулов, Д.Ю.Бугров, В.В.Андреев // Материаловедение и высокотемпературные технологии: межвуз. сб. науч. тр.

- Н.Новгород: НГТУ, 1999. - Вып. 1. - С.105-108.

17. Муравьев, С.Н. Оценка параметров модели усталостного поведения некоторых конструкционных материалов / С.Н.Муравьев, Д.И.Шетулов, В.В.Андреев, // Материаловедение и высокотемпературные технологии: межвуз. сб. науч. тр. — Н.Новгород: НГТУ, 1999.-Вып. 1.-С.108-110. • • .

18. Андреев, В.В. Прогнозирование усталости деталей,,изготовленных из высокопрочных сталей / В.В.Андреев, Д.И.Шетулов, С.Н.Муравьев // Материаловедение и высокотемпературные технологии: межвуз. сб. науч. тр.- Н.Новгород: НГТУ, 1999.- Вып. 1.-С.110-114.

19. Андреев, В.В. Взаимосвязь параметров кривой усталости среднесрочных сталей /

B.В.Андреев, Д.И.Шетулов И Материаловедение и высокотемпературные технологии: межвуз. сб. науч. тр. - Н.Новгород: НГТУ, 1999. - Вып. 1. - С.114-118.

20. Шетулов, Д.И. Влияние масштабного эффекта на физические процессы, происходящие на поверхности и в объеме материала / Д.И.Шетулов, Д.Ю.Бугров, В.В.Андреев // Материаловедение и высокотемпературные технологии: межвуз. сб. науч. тр. - Н.Новгород: НГТУ, 1999. - Вып. 1. - С. 118-122.

21. Андреев, В.В. Количественная оценка надежности послеаварийных действий человека-оператора / В.В.Андреев // Тез. докл. науч.-техн. конф. факультета информационных систем и технологий «ФИСТ-99». - Н.Новгород: НГТУ, 1999. - С.69.

22. Андреев, В.В. Фрактальный анализ микроструктур металлов в неравновесном состоянии / В.В.Андреев, И.В.Мазульников // Компьютерные технологии в науке, проектировании и производстве: тез. докл. I Всерос. науч.-техн. конф. - Н.Новгород, 1999. - Ч. 10. - С.23.

23. Андреев, В.В. Использование процедуры системного анализа для уточнения метода прогноза показателей сопротивления усталости / В.В. Андреев // Интеграция. Информационные технологии. Телекоммуникации: тр. 4-й Междунар, конф. - М., 1999. -

C.11-12.

24. Андреев, В.В. Результаты системного исследования метода прогноза показателей сопротивления усталости и металлов по повреждаемости поверхности / В.В.Андреев, Д.И.Шетулов, Н.В.Угланова // Проблемы машиностроения и надежности машин. — М., 1999.

- №4.-С.105-109.

25. Андреев, В.В. Количественный учет корректирующих действий и зависимостей при выполнении оценки надежности человеко-машинных систем / В.В.Андреев // Надежность и качество в промышленности, энергетике и на транспорте: тр. междунар. конф. - Самара, 1999.-С.341-342

26. Андреев, В.В. Моделирование поведения металла в условиях циклического нагружения с использованием приведенных .показателей сопротивления усталости / В.В.Андреев // Компьютерные технологии в науке, проектировании и производстве: тез. докл. II Всерос. науч.-техн. конф. - Н.Новгород, 2000. - Ч. 9. - С. 12.

27. Андреев, В.В. Моделирование структурной наследственности металлов с использованием приведенных показателей сопротивления усталости / В.В.Андреев, И.В.Мазульников // Компьютерные технологии в науке, проектировании и производстве: тез. докл. II Всерос. науч.-техн. конф. - Н.Новгород, 2000. - Ч.9.-С.11.

• 28. Андреев, В.В. Управление структурной наследственностью металлов с учетом приведенных показателей сопротивления усталости / В.В.Андреев, И.В.Мазульников, Д.И.Шетулов // Материаловедение и высокотемпературные технологии: межвуз. сб. науч. . :тр.-Н.Новгород: НГТУ.2000.-Вып. 2.-С.132-135. ^

: 29. Андреев, В-В.. Моделирование поведения металла в многоцикловой области с использованием приведенных показателей сопротивления усталости / В.В.Андреев, Д.ИДЦетулов // Материаловедение и высокотемпературные технологии: межвуз. сб. науч. тр.

- Н.Новгород:;НГТУ, 2000. — Вып. 2. - С.135-137.

30. Андреев, В.В. Исследование ^уточненных моделей доведения, эксплуатационного персонала при управлении системами обеспечения безопасности / В.В.Андреев // Системы

обработки информации и управления: межвуз. сб. науч. тр. - Н.Новгород, 2000. - Вып. 6. -С.72-73.

31. Андреев, В.В. Прогноз« характеристик сопротивления усталости металлов в многоцикловой области с использованием приведенных параметров кривой усталости /

B.В.Андреев // Математика; Компьютер. Образование: сб. науч. тр. - М.: Прогресс-Традиция, 2000. - Вып.7. - 4.2. - С.477-479.

32. Андреев, ' В.В. Систематизация и обработка информации по испытаниям конструкционных материалов с использованием их приведенных показателей сопротивления усталости / В.В.Андреев // Информационное общество. Информационные ресурсы и технологии. Телекоммуникации: материалы 5-й Междунар. конф. - М: ВИНИТИ, 2000. -

C. 11-14.

33.ТИетулов, Д.И. Метод интегрального описания процессов разрушения и обобщенного представления механических свойств металлических конструкционных материалов / Д.И.Шетулов, В.В.Андреев // Изв. Акад. инженерных наук РФ/ Волго-Вятское регион, отд-ние: Юбилейный том, посвящ. 85-летию акад. А.М.Прохорова.- М.- Н.Новгород, 2001. -С.426-435.

34; Шетулов, Д.И. О взаимосвязи параметров сопротивления усталости и статической деформации с повреждаемостью поверхности при изменении абсолютных размеров образцов (деталей) / Д.И.Шетулов, М.Б.Козлов, В.В.Андреев // Новые технологии в машиностроении, металлургии, материаловедении и высшем образовании: межвуз. сб. науч. тр. - Н.Новгород: НГТУ, 2001. — С.174-179.

35. Козлов, М.Б. О влиянии поверхностных явлений на масштабный эффект / М.Б.Козлов, Д.И.Шетулов, В.В.Андреев // Новые технологии в машиностроении, металлургии, материаловедении и высшем образовании: межвуз.сб.науч.тр.-Н.Новгород: НГТУ, 2001.- С.179-183.

36. Андреев, В.В. Прогноз предела выносливости по -«предельным» показателям сопротивления усталости материалов / В.В.Андреев, Д.И.Шетулов // Новые технологии в машиностроении, металлургии, материаловедении и высшем образовании: межвуз. сб. науч. тр. - Н.Новгород: НГТУ, 2001. - С. 183-186.

37. Андреев, В.В. Прогноз поведения металла при циклических нагрузках с использованием обобщенной зависимости приведенных показателей сопротивления усталости / В.В.Андреев // Новые технологии в машиностроении, металлургии, материаловедении и высшем образовании: межвуз. сб. науч. тр. - Н.Новгород: НГТУ, 2001. - С. 186-194;

38. Шетулов, Д.И. Взаимосвязь параметров сопротивления усталости и статической деформации как основа для прогнозирования прочности и долговечности металлических / Д.И.Шетулов, В.В.Андреев, В.Н.Кравченко, Ю.П.Кисляков // Тр. Междунар. форума по проблемам науки, техники и образования. - М.: АНЗ, 2001. - Т.2 - С.28-29.

39. Андреев, В.В. Прогноз разрушения металлических материалов при действии циклических нагрузок / В.В.Андреев, М.Б.Козлов, В.Н.Кравченко, Д.И.Шетулов // Тр. Междунар. форума по проблемам науки, техники и образования. - М.: АНЗ, 2001. - Т. 2. - С.49-51.

40. Андреев, В.В. Топография обобщенной зависимости приведенных параметров сопротивления усталости металлов "/ В.В.Андреев, Д.И.Шетулов, М.Н.Андриашевич, С.Н.Бабушкин // Тр. Междунар. форума по проблемам науки, техники и образования. - М.: АНЗ, 2001. —Т. 2.-С.51-53.

41. Андреев, В.В. Принципы построения информационной системы прогноза поведения металлического конструкционного материала при циклических нагрузках с использованием приведенных показателей сопротивления усталости / В.В.Андреев // Тр. Междунар. форума Форума по проблемам науки, техники и образования. — М.: АНЗ, 2001. - Т. 2. - С.27-28.

42. Андреев, В.В. Информационная модель металлических систем при действии циклических нагрузок / В.В.Андреев // Проблемы информатики в образовании управлении, экономике и технике: сб. материалов всерос. науч.-техн. конф .-Пенза* 2001.-С.71-73.

43. Андреев, В.В. Приведение показателей сопротивления усталости для обобщенной зависимости / В.В.Андреев И Информационные системы и технологии. «ИСТ-2001»: тез. докл. всерос. юбилейной науч.-техн. конф.-Н.Новгород, 2001.-С.131-132.

44. Андреев, В.В. Информационная модель металлических систем, испытывающих воздействие циклических нагрузок / В.В.Андреев // Информационные технологии в науке, проектировании и производстве: материалы 3-й Всерос. науч.-техн. конф. (Computer Based Conference). - Н.Новгород, 2001. - С.31-32.

45. Андреев, В.В. Прогноз разрушения металлов' при циклическом нагружении на основе показателей сопротивления статическому нагружению / В.В.Андреев, А.Н.Войлоков, В.А.Малыгин, Д.И.Шетулов // Материаловедение и металлургия: тр. ун-та / НГТУ. -Н.Новгород, 2002. - Т.32. - С. 88-91.

46. Андреев, В.В. Прогноз многоцикловой области кривой усталости металлов на основе их отображения в пространство приведенных показателей сопротивления усталости /,

B.В.Андреев // Методы и средства измерений: материалы 4-й Всерос. науч.-техн. ,конф. (Computer Based Conference). -Н.Новгород, 2002. -С. 15, . . ..,

47. Андреев, В.В. Исследование отображения многоцикловой области кривой усталости металлов на обобщенную зависимость приведенных параметров сопротивления / В.В. Андреев // Материаловедение и металлургия: тр.ун-та / НГТУ. — Н.Новгород, 2002. —Т. 32. -

C. 84-88.

48. Андреев, В.В. Трансформация приведенных показателей сопротивления усталости металлов для уточнения факторных функций корректировки / В.В. Андреев // Информационные системы и технологии. «ИСТ-2002»: тез. докл. всерос. науч.-техн. конф. — . Н.Новгород, 2002. - С.146-147.

49. Андреев, В.В. Прогнозирование кривых усталости металлов по угловым характеристика предела выносливости / В.В.Андреев, С.Н.Бабушкин // Будущее технической науки Нижегородского региона: тез. докл. регион, молодежного науч.-техн. форума. — Н.Новгород, 2002.-С.188. .

50. Андреев, В.В. Прогнозирование кривых усталости металлов по приведенным показателям сопротивления усталости / В.ВАндреев, М.Н.Андриашевич // Будущее технической науки Нижегородского региона: тез. докл. регион, молодежного науч.- техн. форума.-Н.Новгород, 2002.-С. 185.

51. Андреев, В.В. Систематизация данных о влиянии факторов различной природы на положение кривой усталости металлов / В.В.Андреев // Прогрессивные технологии в машиностроении и приборостроении: сб. науч. тр. всерос. науч.-техн. конф. - Н.Новгород -Арзамас: НГТУ; Арзамас, фил. НГТУ, 2002. - С. 304-i 10.

52. Андреев, В.В. Использование связи между показателями сопротивления статическому и циклическому нагружению для прогноза многоцикловой области кривой усталости в металлических конструкционных материалах / В.В.Андреев, Д.И.Шетулов, В.Н.Кравченко // Прогрессивные технологии в машиностроении и приборостроении: сб. науч. тр. всерос. науч.-техн. конф. - Н.Новгород - Арзамас: НГТУ; Арзамас, фил. НГТУ, 2002. - С.310-312.

53. Андреев, В.В. Прогноз усталостной долговечности и прочности натурных деталей системы взлета-посадки летательных аппаратов на базе методов ускоренного построения кривой усталости металлов / В.В.Андреев, В.Н.Кравченко, С.Г.Самарин // Прогрессивные технологии в машиностроении и приборостроении: сб. науч. тр. всерос. науч.-техн. конф. -Н.Новгород - Арзамас: НГТУ; Арзамас, фил. НГТУ, 2002. - С.312-317.

54. Андреев, В.В. Информационная система металлического конструкционного материала при циклическом нагружении / В.В.Андреев // Информационное общество. Интеллектуальная обработка информации. Информационные технологии: материалы 6-й междунар. конф. - М: ВИНИТИ, 2002. - С.20-22.

55. Андреев, В.В. Оценка точности прогнозирования предела выносливости металлов по отклонению многоцикловой области кривой усталости от обобщенной зависимости /. В,В.Андреев, М.Н.Андриашевич // Будущее технической науки Нижегородского региона: тез. докл. второго регион, молодежного науч.-техн. форума. — Н.Новгород, 2003. - С. 142.

56. Андреев, В.В. Исследование метода прогнозирования предела выносливости металлов, основанного на сопоставлении. углов наклона, характерных участков кривой усталости / В.В.Андреев, С.Н.Бабушкин // Будущее технической науки Нижегородского региону: ,тез. докл. Второго регион, молодежного науч.-техн. форума. — Н.Новгород, 2003. - С.142.

57. Андреев, В.В. Построение обобщенной поверхности приведенных параметров сопротивления усталости металлов / В.В.Андреев, И.А.Круглов // Будущее технической науки Нижегородского региона: тез. докл. второго регион, молодежного науч.-техн. форума. - НЛовгород, 2003. - С. 148.

58. Андреев, В.В. Электронный шаблон пояснительной записки как способ организации самостоятельной работы студента при курсовом проектировании / В.В.Андреев // Информационные технологии в учебном процессе: материалы всерос. науч.-метод. конф. -Н. Новгород, 2003. - C.112-114.

59. Андреев, В.В. Обратная трансформация - приведенных параметров сопротивления усталости / В.В.Андреев // Материаловедение и металлургия: тр. ун-та / НГТУ. -Н.Новгород, 2003. - Т. 38. - С. 136-142.

60. Андреев, В.В.Использование взаимной связи между показателями сопротивления многоцикловой усталости металлов для интерпретации результатов прогноза предела выносливости / В.В.Андреев, Д.И.Шетулов, С.Н.Бабушкин // Материаловедение и металлургия: тр. ун-та / НГТУ. - Н.Новгород, 2003. - Т. 38. - С. 183-190.

61. Андреев, В.В. Особенности моделирования предметной области информационной системы металлов при циклическом нагружении / В.В.Андреев, В.В.Кондратьев // Современные методы теории краевых задач: материалы Воронежской весенней математической школы "Понтрягинские чтения - XIV". - Воронеж: В ГУ, 2003. - С. 5.

62. Андреев В.В., Друмов A.B., Дмитриев Д.В. Программа обработки исходных данных с результатами испытаний на усталость металлов (Per. номер 2002611697 от 04.10. 2002). Программы для ЭВМ. Базы данных. Топологии интегральных микросхем: Официальный бюллетень Рос. Агентства по патентам и товарным знакам. — М., 2003. — С.24.

63. Андреев, В.В., Друмов, A.B., Дмитриев, Д.В. Программа отбора экспериментальных точек обобщенной зависимости приведенных параметров сопротивления усталости в соответствии с заданными критериями (Per. номер 2002611698 от 04.10. 2002). Программы для ЭВМ. Базы данных. Топологии интегральных микросхем: Официальный бюллетень Рос. Агентства по патентам и товарным знакам. - М., 2003. — С.24.

64. Андреев, В.В., Друмов, A.B., Дмитриев, Д.В. Программа преобразования обобщенной зависимости приведенных параметров сопротивления усталости металлов из трехмерной декартовой в цилиндрическую систему координат (Per. номер 2002611699 от 04.10. 2002). Программы для ЭВМ. Базы данных. Топологии интегральных микросхем: Официальный бюллетень Рос. Агентства по патентам и товарным знакам. — М., 2003. - С.24.

65. Шегулов, Д.И. Расчеты прочности и долговечности материалов на основе взаимосвязи параметров сопротивления усталости и статической деформации / Д.И.Шетулов,

B.В.Андреев, М.Б.Козлов, В.Н.Кравченко // Изв. вузов. Черная металлургия. — М., 2003. -№ 6. — С.54-56.

66. Андреев, В.В. Предел выносливости металлов на обобщенной зависимости приведенных параметров сопротивления усталости: научное издание, тип. НГТУ / В.В.Андреев. -НЛовгород, 2003. - 304 с.

67. Андреев, В.В. Позиционирование предела выносливости металлов относительно обобщенной зависимости приведенных параметров сопротивления усталости / В.В.Андреев // Современные проблемы машиностроения: тр. ун-та / НГТУ. - Н.Новгород, 2003. - Т.40. -

C. 81-93. .

68. Андреев, В.В. Информационные технологии "восстановления" показателей сопротивления усталости металлов из их приведенных аналогов на основе минимизации ошибки прогнозируемого параметра / В.В.Андреев // Системы обработки информации и управления: тр. ун-та / НГТУ. - Н.Новгород, 2003. - Т. 37. - С. 72-74.

69. Андреев, • В.В. Интерпретация обобщенной поверхности приведенных параметров сопротивления усталости металлов с использованием основ методологии оценки повреждаемости поверхностных аномальных слоев / В.В.Андреев, Д.И.Шетулов // Технологическое управление качеством поверхности деталей машин: материалы междунар. науч. конф. / ИСМ HAH Украины. - Киев, 2003. - С. 204-206.

70. Андреев, В.В. Информационная система прогнозирования показателей сопротивления многоцикловой усталости / В.В.Андреев, В.В.Кондратьев // Технологическое управление качеством поверхности деталей машин: материалы междунар. науч. конф. / ИСМ НАН Украины. - Киев, 2003. - С. 206-208.

71. Андреев, В.В. Уточнение положения характерных областей обобщенной поверхности приведенных параметров сопротивления усталости металлов / В.В.Андреев, И.А.Круглов // Современные техника и технологии: тр. IX Междунар. науч.-практич. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых. — Томск, 2003. - Т.2. — С. 80-81.

72. Андреев, В.В. Автоматизация процедуры прогнозирования показателей сопротивления усталости металлов на базе программного комплекса / В.В.Андреев, И.А.Круглов, Д.И.Шетулов // Современные техника и технологии: тр. IX Междунар. науч.-практич. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых. — Томск, 2003. — Т.2. — С. 81 -83.

73. Andreev, V.V. Use of connection between metal "S-N"-curve parameters for it's forecasting / V.V.Andreev, S.N.Babushkin // Proceeding of the 9th International Conference "Modern Technique and Technologies".-Tomsk, TPU, 2003.-P.181-183. '

74. Andreev, V.V. Forecasting the high-cycle area of the metal fatigue curve by the "Endurance limit angle" / V.V.Andreev, S.N.Babushkin, D.I.Shetulov // Proceeding of the 9th International Conference "Modern Technique and Technologies". - Tomsk, TPU, 2003. - P.200-202.

75. Андреев, B.B. Прогнозирование ресурса оборудования . на основе моделирования характерных точек кривой усталости / В.В.Андреев // Актуальные проблемы надежности технологических, энергетических и транспортных машин: сб. тр. междунар. науч.-техн. конф., посвящ. 90-летию Самарского I ТУ. В 2 т.- М.: Машиностроение, 2003.-Т.1.-С.39-42.

76. Андреев, В.В. Преобразование показателей сопротивления многоцикловой усталости металлов для прогнозирования предела выносливости / В.В.Андреев, М.Н.Андриашевич // Актуальные проблемы надежности технологических, энергетических и транспортных машин: сб. тр. междунар. науч.-техн. конф., посвящ. 90-летию Самарского ГТУ. В 2 т. — М., Машиностроение, 2003.-Т. 1. — С.42-44.

77. Андреев, В.В. Использование "гомологического" напряжения для прогнозирования многоцикловой области кривой усталости металлов / В.В.Андреев // Материаловедение и металлургия: тр. ун-та / НГТУ. - Н.Новгород, 2004. - Т.42. - С. 139-149.

78. Андреев, В.В. Об эмпирическом способе пересчета различных форм представления показателя сопротивления многоцикловой усталости металлов и сплавов / В.В.Андреев // Материаловедение и металлургия: тр. ун-та / НГТУ. - Н.Новгород, 2004. - Т.42. - С.150-153.

79. Андреев, В.В. Характеристика метода прогнозирования многоцикловой области кривой усталости металлов на основе приведенных параметров сопротивления усталости в сравнении с другими методами ускоренного построения кривой усталости / В.В.Андреев, М.Н.Андриашевич // Материаловедение и металлургия: тр. ун-та / НГТУ. — Н.Новгород, 2004.-Т.42.-С. 154-159.

80. Андреев, В.В. Количественная оценка связи параметров сопротивления многоцикловой усталости металлов / В.В.Андреев, В.Н.Кравченко, С.Г.Самарин // Изв. вузов. Черная металлургия. - М., 2004.-№ 4. - С.67-68.

81. Андреев, В.В. Практическая реализация информационной системы прогнозирования механических свойств металлов при циклическом нагружении / В.В.Андреев, М.Н.Андриашевич // Информационные системы и технологии. «ИСТ-2004»: тез. докл. всерос. науч.-техн. конф. — Н.Новгород, 2004. — С.88-89.

82. Андреев, В.В. Разработка алгоритма для реализации информационной системы прогнозирования механических свойств металлов при циклическом нагружении /

B.В.Андреев, М.Н.Андриашевич // Будущее технической науки: тез. докл. III Молодежной науч.-техн. конф. - Н.Новгород: НГТУ, 2004. - С.88-89.

83. Андреев, В.В. Исследование влияния различных ' факторов - на величину уравновешивающего момента рычажного механизма / В.В.Андреев. А.А.Мальцев // Будущее

' технической науки: тез. докл. III Молодежной науч.-техн. конф. - Н.Новгород: НГТУ, 2004. -

C.157-158. <

84. Андреев, В.В. Уточнение процедуры прогноза показателей сопротивления многоцикловой- усталости с использованием стендовых натурных испытаний деталей автомобиля / В.В.Андреев, М.Н.Андриашевич // Будущее технической науки: тез. докл. III Молодежной науч.-техн. конф. - Н.Новгород, 2004. - С. 165-166.

85. Андреев, В.В. Поиск новых характеристик состояния материала при циклическом нагружении в процессе обобщения экспериментальных данных / В.В.Андреев, М.Н.Андриашевич // Будущее технической науки: тез. докл. III Молодежной науч.-техн. конф. - Н.Новгород, 2004. - С.221-222.

86. Андреев, В.В. Обобщение экспериментальных данных по периодическому нагружению металлов в составе зависимости, содержащей угловые характеристики многоцикловой области кривой усталости / В.В.Андреев, С.Н.Бабушкин // Будущее технической науки: тез. докл. III Молодежной науч.-техн. конф. - Н.Новгород, 2004. - С.256.

87. Андреев, В.В. Разработка программы визуализации результатов расчета приведенных показателей сопротивления усталости металлов / В.В.Андреев, Е.В.Кленова // Будущее технической науки: тез. докл. III Молодежной науч.-техн. конф - Н.Новгород, 2004. - С. 257.

88. Андреев, В.В. Количественная оценка неоднозначного влияния частоты нагружения на показатель сопротивления усталости металлов / В.В.Андреев, С.Н.Бабушкин // Будущее технической науки: тез. докл. III Молодежной науч.-техн. конф. - Н.Новгород, 2004.- С.258.

89. Andreev, V.V. Modeling of subject domain for cyclically loaded metallic structural material . informational system / V.V. Andreev, V.V. Kondratiev // Proceedings of the III International

-Conference "System Identification and Control Problems "SICPRO'04", Moscow, 28-30 January '2004 / Institute of Control Sciences.- Moscow: Institute of Control Sciences, 2004. - P. 1581-1582.

90. Андреев, В.В. Прогнозирование поведения металлических материалов при циклическом нагружении с использованием кинематических характеристик , процесса накопления повреждений / В.В.Андреев // Идентификация систем и задачи управления. "SICPRO'04" : тр. III Междунар. конф» / Ин-т проблем управления им. В. А. Трапезникова РАН. - М.: ИПУ РАН, 2004.-С.1582-1585.

91. Андреев, В.В. Взаимная связь между параметрами сопротивления многоцикловой усталости металлов / В.В.Андреев, В.Н.Кравченко, С.Г.Самарин // Вестник КнАГТУ: сб. науч. тр. - Комсомольск-на-Амуре, 2004. - Вып.4. - 4.1. - С.137-140.

92. Андреев, В.В. Прогнозирование многоцикловой области кривой усталости металлов по приведенным параметрам сопротивления усталости с использованием дробного факторного эксперимента / В.В.Андреев, В.Н.Кравченко, С.Г.Самарин // Вестник КнАГТУ: сб. науч. тр. -Комсомольск-на-Амуре, 2004. - Вып.4. - 4.1. - C.141-144.

93. Андреев, В.В. Моделирование характеристик механических свойств металлов при циклическом нагружении на базе информационной. системы / В.В.Андреев // Информационные технологии: тр. / НГТУ. - Н.Новгород, 2004. - Т. 48. - Вып. 1. - С. 99-107.

94. Андреев, В.В., Кленова, Е.В. Визуализация результатов расчета приведенных показателей сопротивления усталости металлов (Per. номер 2004612633 от 06.12.2004). Программы для ЭВМ. Базы данных. Топологии интегральных микросхем: Официальный бюллетень Федеральной службы по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам. -М., 2005.-С.98.

95. Андреев, В.В. Преобразование параметров многоцикловой усталости металлов для ■ -представления их в приведенной системе координат / В.В.Андреев, М.Н.Андриашевич //

Материаловедение и металлургия: тр. ун-та. / НГТУ. - Н.Новгород, 2005.- Т. 50.- С. 189-196.

96. Андреев, В.В., Андриашевич, М.Н. Визуализация результатов оценки показателей сопротивления усталости металлов, полученных различными методами прогнозирования. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №2005610565. Зарегистрировано в реестре программ для ЭВМ Федеральной службы по интеллектуальной

• собственности, патентам и товарным знакам 2.03.05.

. 97. Андреев, В.В., Варламова, Е.Д., Коровин, В.А. Восстановление информации об условиях испытаний на -усталость металлов с использованием искусственных нейронных сетей. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2005611876.

Зарегистрировано в реестре программ для ЭВМ Федеральной службы по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам 22.09.05.

98. Андреев, В.В., Гусарова,« С.А., Андриашевич, М.Н. Прогнозирование показателей сопротивления усталости металлов с использованием искусственных нейронных сетей. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2005611877. Зарегистрировано в реестре программ для ЭВМ Федеральной службы по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам 22.09.05.

99. Андреев, В.В., Кондратьев, В.В., Андриашевич, М.Н. Устройство для управления механическим вибратором. ¡Решение Федеральной службы по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам от 06.09.05 о выдаче патента на полезную модель по заявке №2005123466(026436)

100. Andreev, V.V., Kondratiev, V.V. Laws of metals behavior at cyclic loading as a methodological basic for création of information system: Program (with paper abstracts) of tHhk. International conférence "System identification and control problems" / V.A. Trapesnicov InsS^J of Control Sciences. - M., 2005.-P.19

101. Андреев, B.B. Влияние концентрации напряжений на параметры многоцикловой усталости / В.В.Андреев, М.Н.Андриашевич; НГТУ. - Н.Новгород, 2004. - 6 с. - Деп. в ВИНИТИ РАН 20.04.2004, №654-В2004.

102. Андреев, В.В. Анализ влияния частоты циклов нагружения на характерные области кривой усталости / В.В.Андреев, М.Н.Андриашевич; НГТУ. - Н.Новгород, 2004. - 5 с. - Деп. в ВИНИТИ РАН 20.04.2004, №651-В2004.

103. Андреев, В.В. Оценка влияния коррозионной активности окружающей среды на предел выносливости / В.В.Андреев, М.Н.Андриашевич; НГТУ. - Н.Новгород, 2004. — 7 с. - Деп. в ВИНИТИ РАН 20.04.2004, №652-В2004.

104. Андреев, В.В. Уточнение влияния температуры испытаний на многоцикловую область кривой усталости / В.В.Андреев, М.Н.Андриашевич; НГТУ. - Н.Новгород, 2004. - 5 с. - Деп. в ВИНИТИ РАН 20.04.2004, №655-В2004.

105. Андреев, В.В. Изучение влияния асимметрии цикла нагружения на параметры кривой усталости / В.В.Андреев, М.Н.Андриашевич; НГТУ. - Н.Новгород, 2004. - 5 с. - Деп, в ВИНИТИ РАН 20.04.2004, №653-В2004.

106. Андреев, В.В. Информационная система прогнозирования показателей сопротивления многоцикловой усталости металлических материалов / В.В.Андреев; ВИНИТИ РАН. - М., 2005. - 15 с. - Деп. в ВИНИТИ РАН 02.02.2005, №145-В2005.

107. Андреев, В.В. Преобразование экспериментальных данных по многоцикловой усталости для; построения математической модели металлического конструкционного материала при периодическом нагружении / В.В.Андреев; ВИНИТИ РАН. - М., 2005. — 14 с. - Деп^в ВИНИТИ РАН 02.02.2005, №147-В2005. вЪф

108. Андреев, В.В. Математическое моделирование многоцикловой области крипта ~ ' усталости металлов на основе систематизации и обобщения экспериментальных данных / В.В.Андреев; ВИНИТИ РАН.-М.,2005.-15 с.-Деп. в ВИНИТИ РАН 02.02.2005, №146-В2005.

109. Андреев, В.В. "Конструирование" методов прогнозирования показателей сопротивления усталости металлов на основе процедуры приведения / В.В.Андреев; ВИНИТИ РАН. - М., 2005. -15 с. - Деп. в ВИНИТИ РАН 02.02.2005, №144-В2005.

110. Андреев, В.В. Использование системного анализа для построения информационной системы прогнозирования поведения металлов при циклическом нагружении / В.В.Андреев // Научно-техническая информация. Сер.1, Организация и методика информационной работы. - 2005.-№ 3. - С.32-35.

111. Андреев, В.В. Системный анализ предметной области информационной системы металлов при циклическом нагружении / В.В.Андреев, М.Н.Андриашевич // Будущее технической науки: тез. докл. IV Междунар. молодежной науч.-техн. конф.- Н.Новгород, 2005.-С.188-189.

112. Андреев, В.В. Способ оценивания показателей сопротивления усталости металлов на основе процедуры приведения / В.В.Андреев // Известия вузов. Черная металлургия.- М., 2005.- №9.- С.68. ' <

ИЗ. Андреев, B.B. Визуализация результатов прогноза в информационной системе металлического конструкционного материала при циклическом нагружении / В.В.Андреев // Материаловедение и металлургия: тр. ун-та / НГТУ.- Н.Новгород, 2005. - Т. 50. - С. 196-201.

114. Андреев, В.В. Закономерности поведения металлов при циклическом нагружении как методологическая основа для создания информационной системы / В.В.Андреев, В.В.Кондратьев // Идентификация систем и задачи управления. "SICPRO'05": тр. IV Междунар. конф. / Ин-т проблем управления им. В.А. Трапезникова РАН. - М.: ИПУ РАН, 2005. - С. 569 -578.

115. Андреев, В.В. Диагностика изменений в структуре материала с использованием обобщенных критериев сопротивления усталости / В.В.Андреев // Контроль. Диагностика. -М.: Машиностроение, 2005. - № 6. - С. 61 -64.

116. Кондратьев, В.В. Основные функциональные блоки информационной системы металлического конструкционного материала для прогнозирования его показателей

,^^|Ьротивления усталости / В.В.Кондратьев, В.В.Андреев // Моделирование и оптимизация Н^^РЩсных систем. Информационные технологии и развитие образования. - Н.Новгород, 2004. — (Веста. Волжской гос. акад. водного транспорта; вып. 9). - С. 15-21.

Личный вклад автора в работах, опубликованных в соавторстве, заключается в следующем:

[1, 2, 7, 8,14,15,20, 88, 101-1051 Результаты количественного и качественного анализа влияния факторов на структурно чувствительные показатели сопротивления усталости

[3,4,6,18,38,39, 52,65, 84 ] Результаты применения разработанных методов прогнозирования для оценки показателей сопротивления усталости натурных деталей и лабораторных образцов

[5,24,95,111 ] Обобщение наблюдаемых экспериментально закономерностей в поведении показателей сопротивления усталости металлов на основе методологии системного анализа

[9,40,55, 57,62-64, 70, 72,81,82, 87,94, 96,97,98, 116] Проектирование структуры, разработка интерфейса, формирование требований к функциональным особенностям и работе, а также отладка алгоритмов работы элементов информационной системы металлического конструкционного материала при циклическом нагружении, проверка результатов работы отдельных элементов и системы в целом

[ 10,16, 22, 27, 28, 33,34,38,45,49,52, 56,65,74, 86 ] Результаты расширения возможностей методов прогнозирования показателей сопротивления за счет связи параметров состояния металлического материала со структурно чувствительным показателем сопротивления усталости и преобразованными параметрами кривой усталости металлов

[ 11,35,69,110] Уточнение процедуры и алгоритмов прогнозирования, исследование существующих методов ускоренного построения кривых усталости, в частности — методологии оценки повреждаемости поверхности металлов при циклическом нагружении

^12,53, 65, 83,92] Проверка результатов прогнозирования методами ускоренного построения кривых усталости на основе результатов расчета параметров кривых усталости, полученных для лабораторных образцов и деталей в ходе натурных испытаний на усталость

[17, 60] Уточнение количественных характеристик ("весовых" коэффициентов), учитывающих межфакторные взаимодействия в величине показателей сопротивления усталости

[99] Поиск способа использования в системе управления механическим вибратором экспериментальной установки для проведения испытаний на усталость металлических образцов методов ускоренного построения кривых усталости, разработка общей схемы системы управления

[ 19,36, 71,73,476, 80, 85,91,1151 Поиск связи между различными формами преобразованных выражений для параметров кривой усталости и показателей сопротивления усталости

[29,33,50,57,61, 79, 89,95,101,114] Построение и характеристика общей схемы прогнозирования показателей сопротивления усталости металлов на основе приведенных показателей сопротивления усталости

Подписано в печать 10.11.2005. Формат 60x84 Бумага офсетная. Печать офсетная. Усл.-изд. л. 2,0. Тираж 120 экз. Заказ 713.

Нижегородский государственный технический университет. Типография НГТУ. 603600, Нижний Новгород, ул. Минина, 24.

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

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.

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.

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