Ученые Южно-Уральского государственного университета представили метод, который позволяет заблаговременно обнаруживать скрытую угрозу для конструкций атомных реакторов, газотурбинных двигателей и металлургического оборудования. Речь идет о процессе постепенного накопления деформаций, когда от многократных циклов «пуск-останов» конструкция медленно, но необратимо меняет форму, пока не придет в негодность.
«Наиболее ярко такая картина видна в металлургическом производстве, – поясняет профессор кафедры технической механики ЮУрГУ Александр Чернявский. – Например, рассмотрим устройства типа чаши шлаковоза. После окончания плавки шлак, нагретый примерно до полутора тысяч градусов, переливают в специальную транспортировочную чашу. От многократного воздействия неравномерного нагрева чаша постепенно меняет свою форму: от цикла к циклу накапливаются изменения размеров, достигающие в конце концов многих десятков сантиметров. Металлурги прекрасно осведомлены об этом процессе и воспринимают «термическое коробление» как неизбежное следствие высоких температур, просто меняя изношенный элемент. Но в атомной или ракетной технике отнюдь не всегда можно заменить деталь, если она покоробилась».
Изучением этого явления ученые Южно-Уральского госуниверситета занимаются уже много лет. Выяснилось, что изменения размеров деталей вовсе не зависят от свойств материалов, а вызваны неравномерным нагревом конструкций как по пространству, так и по времени. Эти открытия помогли решить важные практические задачи. Например, при создании проекта реактора БН-600 для Белоярской атомной электростанции расчеты показали риск появления опасных деформаций, грозящих аварией. Совместно с инженерами-конструкторами этот риск был успешно ликвидирован, благодаря чему весь срок эксплуатации реактор работал стабильно, без возникновения нежелательных термических изменений.
Развитие современных численных методов и программного обеспечения существенно повысило точность инженерных расчётов. Однако попытки моделировать накопление деформаций цикл за циклом, рассматривая всю «жизнь» конструкции, оказываются слишком ресурсоемкими даже для сегодняшней суперкомпьютерной техники. Исследователи ЮУрГУ предложили вариант нестандартного использования этих численных методов. Их способ сочетает высокую точность моделирования процессов деформации с умеренной вычислительной нагрузкой, что даёт возможность эффективно применять её прямо в ходе проектировочных работ.
Полученные результаты важны для ответственных конструкций, подвергающихся воздействию высоких – и переменных во времени – температур. К ним относятся, например, теплонапряженные элементы газотурбинных двигателей, тепловых и атомных электростанций, металлургического оборудования. В последнее время к этому списку добавилась и ракетная техника: многократные пуски-остановы двигателей разрабатываемых возвращаемых ракет могут приводить к недопустимым изменениям формы и размеров деталей. Новые расчетные методы позволят обеспечить дополнительные гарантии безопасности.
Результаты исследования опубликованы в журнале «Атомная энергия» (https://doi.org/10.1007/s10512-025-01192-1), входящем во второй квартиль научных изданий Scopus.