DEFORMATION OF A CYLINDRICAL SHELL FROM A TITANIUM ALLOY UNDER THE INFLUENCE OF AN AGGRESSIVE HYDROGEN-CONTAINING MEDIUM

Abstract

Механизмы водородного охрупчивания и деградации свойств конструкционных материалов изучены недостаточно глубоко, в частности, это относится к титановым сплавам. Ниже отмечается важность решения проблемы прогнозирования поведения нагруженных металлических конструкций с учетом влияния водородного охрупчивания. Рассмотрена модельная задача по исследованию напряженно-деформированного состояния цилиндрической оболочки, нагруженной внешним давлением и подвергающейся водородному охрупчиванию, в форме воздействия агрессивной среды различной концентрации на внутреннюю поверхность оболочки. Материал оболочки является нелинейно деформируемым с жесткостными свойствами, зависящими от концентрации водорода в конкретной точке. Используются модифицированные определяющие соотношения для начально изотропных разносопротивляющихся материалов, сформулированные на основе подхода, связанного с нормированными пространствами напряжений. Получены уравнения нелинейного деформирования оболочки с учетом влияния водорода и при больших прогибах. Для решения дифференциальных уравнений применена конечно-разностная аппроксимация повышенной точности в сочетании с двухшаговым методом последовательных возмущений параметров. Приводятся эпюры перемещений и напряжений по длине оболочки, а также эпюры концентрации водорода и напряжений по толщине оболочки, рассчитанные авторами в специально разработанном программном обеспечении. The mechanisms of hydrogen embrittlement and degradation of the properties of structural materials have not been studied deeply enough, in particular, this applies to titanium alloys. The importance of solving the problem of predicting the behavior of loaded metal structures, considering the influence of hydrogen embrittlement, is noted below. A model problem is considered to study the stress-strain state of a cylindrical shell loaded with external pressure and subjected to hydrogen embrittlement in the form of exposure to an aggressive medium of various concentrations on the inner surface of the shell. The shell material is non-linearly deformable with stiffness properties depending on the concentration of hydrogen at a particular point. Modified defining relations are used for initially isotropic materials with different resistance, formulated on the basis of an approach associated with normalized stress spaces. The equations of nonlinear deformation of the shell are obtained considering the influence of hydrogen and at large deflections. To solve differential equations, a finite-difference approximation of increased accuracy is used in combination with a two-step method of sequential perturbations of parameters. Diagrams of displacements and stresses along the length of the shell are given, as well as diagrams of hydrogen concentration and stresses along the thickness of the shell, calculated by the authors in specially developed software.