Статья
| Наименование | Термофлуктуационный кинетический подход к построению аналитических моделей надежности деталей машин | ||||
| Авторы |
|
||||
| Раздел | Машиностроение | ||||
| Год | 2026 | Выпуск | 86 | Страницы | 146 - 154 |
| УДК | 539.4:621.81 | EDN | NWESQZ | ||
| Аннотация | В работе предложен новый метод построения физико-вероятностных аналитических моделей прочностных отказов деталей машин на основе стандартного функционально-параметрического определения надежности объектов и эргодинамической концепции деформируемых твердых тел, использующей принципы статистической физики и молекулярно-кинетической теории повреждаемости атомно-молекулярной структуры материалов. В результате проведенных исследований получено новое универсальное кинетическое уравнение скорости повреждаемости кристаллической структуры материалов нагруженных элементов, устраняющее размерностные и физические противоречия предшествующих версий и корректно работающее во всем диапазоне рабочих напряжений. Уравнение интегрировано в вероятностную функционально-параметрическую модель надежности исследуемых объектов, позволяющую рассчитывать вероятность их безотказной работы и гамма-процентный ресурс без сбора статистики отказов. Выявлены и проанализированы ограничения модели, связанные с масштабным уровнем применения коэффициентов «мнимости» структурного перехода «идеальный кристалл — реальный кристалл» и погрешностями квазистационарного приближения. Предложенная физико-вероятностная модель надежности может быть использована для проектной и эксплуатационной аналитической оценки долговечности деталей машин на основе описания процесса накопления дефектов атомно-молекулярной структуры материала впервые с учетом его одновременного упрочнения-разупрочнения в заданных условиях нагружения. | ||||
| Реферат | Цель. Разработка нового термофлуктуационного кинетического подхода к построению физико-вероятностных аналитических моделей прочностных отказов деталей машин без анализа статистики их отказов.
Методика. Предлагаемый подход к построению физико-вероятностных моделей отказов нагруженных элементов, сформулированный на базе функционально-параметрического направления теории надежности технических объектов и эргодинамической концепции деформируемых твердых тел, использующей принципы статистической физики и молекулярно-кинетической теории повреждаемости атомно-молекулярной структуры их материалов, включает следующие этапы: - выбор в качестве параметра их функционирования текущей плотности энергии Uеt дефектов структуры материала как случайной величины, изменяющейся за время t эксплуатации от начального распределения Uе0 до предельного значения uеt* со случайной скоростью накопления дефектов; - построение зависимостей функционально-параметрической теории надежности для проектной оценки вероятности их безотказной работы R(t)=P(Uеt < uе*), вероятности отказов F(t)=P(Uеt < uе*) и гамма-процентного ресурса tγ; - вывод нового кинетического уравнения повреждаемости их материалов для оценки скорости накопления дефектов на основе модернизации известных вариантов кинетических зависимостей; - формулирование условий однозначности краевой задачи. Результаты. Сформулировано новое универсальное кинетическое уравнение скорости повреждаемости атомно-молекулярной структуры материалов нагруженных элементов, устраняющее размерностные и физические противоречия предшествующих версий и корректно работающее во всем диапазоне рабочих напряжений. Уравнение интегрировано в универсальную физико-вероятностную прочностную модель надежности исследуемых элементов, позволяющую аналитически оценивать вероятность их безотказной работы и гамма-процентный ресурс без использования статистических данных. Выявлены и проанализированы ограничения модели, связанные с применением коэффициентов «мнимости» перехода с макромасштабного уровня на атомный, и погрешностями квазистационарного приближения. Научная новизна. Предложен термофлуктуационный кинетический подход к построению физико-вероятностных моделей отказов (надежности) деталей машин, в основу которого вместо механики сплошных сред положены научные и методологические принципы функционально-параметрического направления теории надежности технических объектов и эргодинамическая концепция повреждаемости и разрушения твердых тел, а замкнутые системы уравнений создаваемых моделей отказов исследуемых элементов впервые позволяют: - выполнять проектную оценку их долговечности без сбора и анализа статистики как наработок до отказа, так и параметров функционирования; - учитывать процессы упрочнения-разупрочнения структуры их материалов в ходе эксплуатации; - корректно работать во всём диапазоне рабочих напряжений, устраняя физические противоречия известных кинетических уравнений повреждаемости и разрушения кристаллической структуры их материалов. Практическая значимость. Предложенный метод позволяет оперативно, без сбора и анализа статистики отказов формулировать физико-вероятностные модели прочностной проектной или эксплуатационной надежности деталей машин, функционирующих в разнообразных режимах внешнего нагружения до момента возникновения прочностного или износового отказа. |
||||
| Ключевые слова | надежность, термофлуктуационный подход, отказ, кинетическое уравнение, повреждаемость, плотность энергии дефектов, долговечность, гамма-процентный ресурс. | ||||
| Финансирование | |||||
| Благодарности | |||||
| Список источников |
1. ГОСТ Р 27.102-2021. Надежность в технике. Надежность объекта. Термины и определения. М.: Российский институт стандартизации, 2021. 46 с.
2. ГОСТ 27.005-97. Надежность в технике. Модели отказов. Основные положения. Минск: Госстандарт республики Беларусь, 2005. 43 с.
3. Абрамов О. В. Функционально-параметрическое направление теории надежности и проблема обеспечения техногенной безопасности // Надежность и качество сложных систем. 2025. № 1. С. 5–11. DOI: 10.21685/2307-4205-2025-1-1 EDN VOLLQD
4. Аноп М. Ф., Катуева Я. В. Обеспечение безотказного функционирования уникальных технических систем на основе функционально-параметрического подхода // Надежность и качество: труды Международного симпозиума. 2016. Т. 1. С. 145–148. EDN WHDNSL
5. Назаров Д. А. Применение онтологий деградационных процессов элементов электротехнических систем к функционально-параметрическому направлению теории надежности // Современная наука: актуальные проблемы теории и практики. Серия: Естественные и технические науки. 2024. № 11/2. С. 109–114. DOI: 10.37882/2223-2966.2024.11-2.23 EDN ITYLTU
6. Бриккель Д. М., Ерофеев В. И., Никитина Е. А. О методах оценки степени поврежденности материалов // Вестник научно-технического развития. 2022. № 3 (166). С. 3–25. DOI: 10.18411/vntr2022-166-1 EDN NSLMHQ
7. Петров М. Г. Исследование долговечности материалов с использованием кинетической концепции разрушения // Прикладная механика и техническая физика. 2021. Т. 62. № 1. С. 165–178. DOI: 10.15372/PMTF20210118 EDN FQQQIO
8. Регель В. Р., Слуцкер А. И., Томашевский Э. Е. Кинетическая природа прочности твердых тел. М.: Наука, 1974. 560 с.
9. Федоров В. В. Основы эргодинамики и синергетики деформируемых тел. Ч. 3: Основы эргодинамики деформируемых тел. Калининград: Изд-во ФГБОУ ВПО «КГТУ», 2014. 222 с.
10. Федоров В. В. Кинетика повреждаемости и разрушения твердых тел. Ташкент: Изд-во «Фан» УзССР, 1985. 165 с.
11. Antsupov A. V. (jr), Antsupov A. V., Antsupov V. P. Estimation and assurance of machine component design life-time // 2nd International conference on industrial engineering (ICIE-2016). Procedia Engineering. 2016. Vol. 150. P. 726–733. DOI: 10.1016/j.proeng.2016.07.094 EDN XFHPVX
12. Анцупов А. В. (мл.), Анцупов А. В., Анцупов В. П. Аналитический метод проектной оценки ресурса элементов металлургических машин // Известия вузов. Черная металлургия. 2017. Т. 60. № 1. С. 30–35. DOI: 10.17073/0368-0797-2017-1-30-35 EDN XSHTLL
13. Анцупов А. В. (мл.), Анцупов А. В., Анцупов В. П. Анализ современных кинетических термофлуктуационных моделей прочностных отказов деталей машин // Технологии металлургии, машиностроения и материалообработки. 2025. № 24. С. 182–196. EDN PUZPZS
14. Погодаев Л. И., Кузьмин В. Н. Структурно-энергетические модели надежности материалов и деталей машин. СПб.: Академия транспорта Российской Федерации, 2006. 608 с. EDN OWDYTZ
15. Третьяков А. В., Зюзин В. И. Механические свойства металлов и сплавов при обработке давлением. 2-е изд. М.: Металлургия, 1973. 224 с.
16. Слободянский М. Г., Корчунов А. Г. Предиктивная оценка показателей долговечности барабанного окомкователя по критерию прочности неприводных опорных катков на основе микромасштабного моделирования напряженного состояния материала // Сборка в машиностроении, приборостроении. 2024. № 4. С. 179–187. DOI: 10.36652/0202-3350-2024-25-4-179-187 EDN ZMTSVU
17. Слободянский М. Г., Корчунов А. Г. Вероятностная оценка долговечности металлургического оборудования на основе микроструктурного моделирования напряженного состояния материала // Вестник машиностроения. 2024. Т. 103. № 6. С. 443–451. DOI: 10.36652/0042-4633-2024-103-6-443-451 EDN EPJGAW
18. Слободянский М. Г. Прогнозирование отказов деталей металлургического оборудования по критериям прочности, изготовленных из серого чугуна, на основе микроструктурного моделирования напряженного состояния // Вестник БГТУ им. В. Г. Шухова. 2024. № 3. С. 90–106. DOI: 10.34031/2071-7318-2024-9-3-90-106 EDN UZBZPI
|
||||
| Полный текст |
|
||||