Адаптация модели многоцикловой усталости для оценки ресурса металлоконструкции плавучих кранов

В статье решается актуальная задача повышения достоверности оценки остаточного ресурса металлоконструкций плавучих кранов, длительно эксплуатирующихся под действием значительных статических и циклических нагрузок.

Цель статьи — разработка и обоснование методики оценки остаточного ресурса плавучих кранов на основе адаптированной математической модели поврежденной среды, учитывающей совместное действие механизмов мало- и многоцикловой усталости при сложном непропорциональном нагружении.

Работа выполнена на основе комплексного подхода, включающего: обобщение фундаментальных положений механики поврежденной среды и теорий усталостного разрушения; математическое моделирование процессов накопления повреждений с использованием эволюционных уравнений, учитывающих кинематическое упрочнение и историю нагружения; конечно-элементное моделирование напряженно-деформированного состояния металлоконструкций; численную верификацию модели на основе экспериментальных данных для конструкционных сталей; разработку двухуровневой методики, интегрирующей глобальный анализ конструкции и локальный анализ в опасных зонах. Обоснована необходимость учета явлений многоцикловой усталости и нестационарного деформирования, которые не учитываются в традиционных упруго-расчетных схемах, что может приводить к неконсервативным оценкам.

В качестве методологической основы предлагается адаптированная математическая модель поврежденной среды, развитая в работах Ю.Г. Коротких и его научной школы. Данная модель, в отличие от классических подходов, учитывает историю нагружения, кинематическое упрочнение и совместное действие механизмов мало- и многоцикловой усталости. Приведены результаты верификации модели на примере конструкционных сталей, демонстрирующие ее высокую точность при описании процессов накопления повреждений в условиях многоосного напряженного состояния.

Разработана и представлена комплексная методика оценки ресурса, интегрирующая конечно-элементный анализ глобальной конструкции плавучего крана и последующий локальный анализ напряженно-деформированного состояния с использованием адаптированной модели. Показано, что предлагаемый подход позволяет перейти от консервативных оценок к прогнозированию, основанному на моделировании реальной истории эксплуатационных нагрузок, и тем самым существенно повысить обоснованность решений по продлению срока службы ответственных инженерных объектов.

1. Волков И. А., Игумнов Л. А., Тарасов И. С. Оценка усталостной долговечности материалов и конструкций при малоцикловом нагружении // Вычислительная механика сплошных сред. 2017. Т. 10, № 1. С. 17–30. https://doi.org/10.7242/1999-6691/2017.10.1.2. EDN: ZEYCOZ.

2. Чернявский О. Ф., Чернявский А. О. Описание деформационных свойств материалов при расчетах малоцикловой усталости // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Математика. Механика. Физика. 2021. Т. 13, № 3. С. 53–61. https://doi.org/10.14529/mmph210307. EDN: GGRBFL.

3. Волков И. А., Коротких Ю. Г. Уравнения состояния вязкоупруго-пластических сред с~повреждениями. Москва: Физматлит, 2008. 424 с. ISBN 978-5-9221-0965-9. EDN: MUWRUX.

4. Волков И. А., Игумнов Л. А., Казаков Д. А. [и др.]. Определяющие соотношения нестационарной ползучести при сложном напряженном состоянии // Проблемы прочности и пластичности. 2016. Т. 78, № 4. С. 436–451. EDN: XEGSPD.

5. Волков И. А., Игумнов Л. А., Казаков Д. А. [и др.]. Модель поврежденной среды для описания длительной прочности конструкционных материалов (металлов и их сплавов) // Проблемы прочности и пластичности. 2017. Т. 79, № 3. С. 285–300. EDN: ZGUZCB.

6. Cao X., Zou L., Lu Ch. Augmentation method of fatigue data of welded structures based on physics-informed CTGAN. Fracture and Structural Integrity. 2025;72:162–178. https://doi.org/10.3221/IGF-ESIS.72.12. EDN: VUUYWV.

7. Коструб В. А., Мирошников А. А. Анализ напряженно-деформированного состояния металлоконструкции консольного ферменного крана // Вестник Луганского государственного университета имени Владимира Даля. 2022. № 7 (61). С. 81–84. EDN: UGWFUT.

8. Волков И. А., Игумнов Л. А., Казаков Д. А. [и др.]. Уравнения состояния нестационарной ползучести при сложном нагружении // Прикладная механика и техническая физика. 2018. Т. 59, № 3 (349). С. 191–202. https://doi.org/10.15372/PMTF20180320. EDN: URHZBY.

9. Яблоков А. С., Волков А. И., Шишулин Д. Н. Оценка напряженно-деформированного состояния и усталостной долговечности металлоконструкции плавучего крана КПЛ 16-30 по его фактической эксплуатационной нагруженности // Вестник Волжской государственной академии водного транспорта. 2017. № 52. С. 56–70. EDN: ZGPQJD.

10. Волков И. А., Ереев М. Н., Коротких Ю. Г., Тарасов И. С. Модель повреждённой среды для оценки долговечности конструкций при совместном действии механизмов мало- и многоцикловой усталости // Вычислительная механика сплошных сред. 2012. Т. 5, № 1. С. 54–60. EDN: OWGKBL.

11. Волков И. А., Игумнов Л. А. Введение в континуальную механику поврежденной среды: монография. Москва: Физматлит, 2017. 304 с.

12. Игумнов Л. А., Волков И. А., Шишулин Д. Н., Белов А. А. Методология обоснования ресурса ответственных инженерных объектов // Известия Российской академии наук. Механика твердого тела. 2026. № 1. С. 215–231. https://doi.org/10.31857/S1026351926010115. EDN: ZGFUJP.

13. Равин А. А., Хруцкий О. В. Инженерные методы прогнозирования остаточного ресурса оборудования // Вестник Астраханского государственного технического университета. Серия: Морская техника и технология. 2018. № 1. С. 33–47. https://doi.org/10.24143/2073-1574-2018-1-33-47. EDN: YOQFAU.

14. Yu W., Sun X., Chen X. From mechanism empirical to physics-informed: a comprehensive review of multiaxial non-proportional low-cycle fatigue life prediction. International Journal of Structural Integrity. 2025;16(5):1048–1091. https://doi.org/10.1108/IJSI-01-2025-0008.

15. Ge X., Zhang C., Liu G. [et al.]. A Fatigue Damage Accumulation Model Considering Load Interaction and Material Parameters Under Variable Load Conditions. Fatigue & Fracture of Engineering Materials & Structures. 2025;48(6):2518–2539. https://doi.org/10.1111/ffe.14624.

16. Lopez Leon J. M., O’Nora N., Gordon A. P. A Review of Multiaxial Fatigue Life Predictions Methods and a Novel Graphical User Interface. ASME Turbo Expo 2025: Turbomachinery Technical Conference and Exposition. 2025;V008T24A011. https://doi.org/10.1115/GT2025-154093.