Автореферат (1094950), страница 2

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 2)

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе проводится анализ современного состояния проблем прочности, усталости и трещиностойкости конструкций шлюзовых ворот судоходных гидротехнических сооружений каналов внутренних водных путей, который показывает, что надежная работа механического оборудования в значительной степени определяется несущей способностью элементов конструкций ворот (затворов). Дается подробное описание конструкций основных видов шлюзовых ворот СГТС (двустворчатые, откатные, сегментные). Однако, при этом отмечается, что двустворчатые ворота (ДВ) являются наиболее широко (более 80 %) применяемым типом затворов. ДВ представляют собой две многоригельные сварные створки с осями вращения в вериях (рис.1.). Основные элементы створки ДВ: металлическая обшивка (1), ригели (2), створный и вериальный столбы (3), диафрагмы (4), диагональные связи (5), служебный мостик (6), створный захват (7), гальсбант (8), упорные подушки (9) и пятовое устройство (10). Конструкционный материал- сталь М16С,09Г2С, ХСНД и др.

Рис. 1.

Средняя высота створки - около 20 м; расчетный напор столба воды – приблизительно 19,5 м в зависимости от верхнего бьефа; вес - 310 т и более. Особенности конструкций, условий эксплуатации затворов зависит от положения створок ворот, которые расположены на устоях головы (рис. 2). Работа элементов конструкций затворов СГТС связана с цикличностью приложения нагрузок, обусловленных режимом эксплуатации (рис. 2).

Рис. 2.

Цикл работы ДВ двухкамерного шлюза включает следующие этапы: 1) наполнение верхний камеры до рабочего уровня; 2) перепуск воды из верхний камеры в нижнюю до выравнивания уровней воды; 3) опорожнение нижней камеры при одновременном наполнение верхний камеры до расчетного уровня (рис. 2.). Среднее число циклов слитых призм (число циклов наполнения и опорожнение шлюза) канала им. Москвы составляет 3800 - 4000 в год, а одного из Волгоградских шлюзов - 8000-12000 в навигационный период (рис. 3).

Проведен анализ причин отказов и возникновения аварийных состояний шлюзовых ворот СГТС. Этот анализ выполнен на основании детального исследования 55 аварий на затворах. Причинами данных аварий, как правило, являлись появившиеся в процессе эксплуатации (около 200) трещины, вызвавшие частичное или полное разрушения элементов конструкций.

Рис. 3.

Приведенные данные, наряду с особенностями конструкций ДВ, отличающихся наличием достаточно большого количества зон повышенной концентрации напряжений и деформации, и информация по спектру нагрузок (рис. 2,3) дают основание утверждать, что в конструкциях шлюзовых ворот СГТС, происходит циклическое накопление повреждений, приводящих к возникновению и распространению трещин, а количество циклов до разрушения соответствует диапазону малоцикловой усталости. Основная масса аварийных ситуаций (32%) происходит из-за возникновения трещин в напорной обшивке ворот, нижнем поясном уголке, нижнем ригеле, диагоналях, обшивке вереяльного столба. Эти ситуации могут возникать уже после 1-2 лет эксплуатации. Как правило, малоцикловые трещины развиваются от мест повышенной концентрации напряжений и деформаций (подрезы сварным швом, непровары, коррозионные повреждения и др.).

Проведенный обзор и анализ расчетно-аналитических и экспериментальных методов, применяющихся для оценки НДС, прочности, трещиностойкости и ресурса элементов шлюзовых ворот СГТС, показал, что в большинстве случаев расчет ведется аналогично расчету тонких пластин, жестко заделанных по двум или четырем сторонам. При этом, как правило, не учитывается реальная концентрация напряжения и деформаций, которая и приводит к появлению необратимых циклических деформаций и более интенсивному накоплению циклических повреждений. Кроме того, применение этих методов зачастую ограничено в силу их высокой стоимости, недостаточной точности и удобства применения. Показано, что наиболее приемлемыми методами для натурных исследований элементов шлюзовых ворот является тензометрические методы. Для полного анализа состояния металлоконструкции ворот требуются большие материальные затраты и время, а детальное обследование затворов можно проводить лишь в межнавигационный период.

На основании выполненных обзоров сформулированы задачи теоретического, экспериментального и численного исследований.

Во второй главе представлены научные основы исследования несущей способности элементов шлюзовых ворот при циклическом неупругом нагружении, а также рассмотрены основные особенности сопротивления конструкционных материалов деформированию, накоплению повреждений и распространению трещин в условиях эксплуатации.

Традиционные методы статической прочности изделий, основанные на оценке номинальной нагруженности, оказываются недостаточными и в ряде случаев наблюдается выход элементов из строя вследствие исчерпания ресурса по критерию малоциклового сопротивления в зонах местной нагруженности изделия. Во второй главе подробно рассмотрены особенности малоциклового нагружения. Приводятся основные понятия, характерные для этого вида нагружения. В частности показано, что в зависимости от характера и величины накопления односторонних деформаций, различают квазистатическое, усталостное и смешанное малоцикловое разрушение и описаны особенности этих видов разрушения. Приведены определения мягкого и жесткого малоциклового нагружения. Показано, что связь между циклическими напряжениями и деформациями определяется обобщенной диаграммой циклического деформирования, предложенной А.П. Гусенковым и Р.М. Шнейдеровичем.

Указывается на важные особенности поведения различных конструкционных материалов при малоцикловом нагружении, которые могут упрочняться с числом циклов (циклически упрочняющиеся), разупрочняться (циклически разупрочняющиеся) и стабилизироваться (циклически стабилизирующиеся материалы), а также на важное значение влияния степени ассиметрии цикла на сопротивление деформированию и накопление малоцикловых повреждений. Отмечается важное значение эффекта Баушингера.

В настоящей работе для описания сопротивления малоцикловому деформированию конструкционных материалов шлюзовых ворот в основном используются два подхода. Первый подход основан на применении уравнений состояния в форме В.В. Москвитина (обобщенный принцип Мазинга)

(S^(k) и ε^(k) – напряжения и деформации в k – м полуцикле нагружения, отсчитываемые от точки разгрузки, ƒ – связывает напряжения и деформации при статическом нагружении, α – коэффициент материала); или уточняющего соотношения, распространенного Г.В. Москвитиным на более общие случае малоциклового нагружения

(1)

где Q, Q^(*), λ – экспериментально получаемые параметры материала для четных и нечетных полуциклов нагружения.

Второй подход основан на уравнении обобщенной диаграммы малоциклового нагружения, которое в одном из упрощенных видов может быть записано следующим образом

(2)

где α, β, А, А^* – константы.

Выполненное сравнение возможностей уравнений (1) и (2) показывает, что оба подхода позволяют отразить основные особенности диаграмм малоциклового деформирования. При этом уравнение (1) при меньшей точности оказывается более простым и в связи с этим удобным для использования при решении задач оценки малоцикловой прочности элементов шлюзовых ворот.

В качестве основного критериального уравнения, определяющего момент возникновения малоцикловой трещины, в настоящей работе используется деформационно-кинетический критерий малоцикловой прочности, разработанный в ИМАШ РАН

, (3)

где N_f – количество циклов до разрушения; N_i – количество циклов, определенное при данном размахе циклической деформации по кривой усталостного разрушения в условиях жесткого нагружения, е_необр – интенсивность деформаций, односторонне накопленных в процессе статического и циклического нагружений; е_f – величина, равная значению е_необр в момент разрушения.

В соответствии с уравнением (3) предельное состояние по разрушению (образованию трещины) материалов и конструкций определяется линейным суммированием усталостных и квазистатических повреждений. Адекватность этого критерия подтверждена достаточно большим количеством экспериментальных данных по ряду конструкционных материалов и элементов конструкций. Для описания кривой усталостного разрушения используется зависимость Мэнсона-Коффина: , или Лэнджера:

, где σ_-1 – предел выносливости гладкого образца.

В заключение второй главы рассматриваются методы учета особенностей реальной эксплуатации шлюзовых ворот и влияния их на напряженно-деформированное состояние, статическую и малоцикловую прочность, интенсивность распространения трещин. При этом учитывается наличие концентрации упругопластических напряжений и деформаций, в том числе в районе сварных соединений, кинетика циклических свойств конструкционных материалов, асимметрия цикла нагружений, нестационарность приложения нагружающих факторов, наличие остаточных напряжений и деформаций, а также конструкционные, технологические и эксплуатационные факторы.

Третья глава посвящена разработке методов экспериментального исследования напряженно-деформированного состояния, кинетики накопления повреждений и распространения трещин в высоконагруженных элементах конструкций шлюзовых ворот. Выполнен анализ различных подходов к сбору и обработке результатов экспериментальных результатов по нагружающим факторам. В качестве основных рассмотрены метод максимумов, метод экстремумов, метод размахов, метод «дождя», метод полных циклов и др. Критический анализ рассмотренных подходов показал, что для условий поставленной задачи, наиболее приемлемыми являются метод «дождя» и метод полных циклов.

В этой главе рассмотрен ряд основных современных методов и средств контроля напряженно-деформированного состояния в процессе экспериментальных натурных исследований элементов шлюзовых ворот. Выполнен анализ применимости для указанных исследований метода оптически чувствительных покрытий, метода делительных сеток, метода муара и различных методов тензометрического исследования, который показал, что первые три метода оказываются малопригодными для измерения в труднодоступных зонах шлюзовых ворот (на криволинейных поверхностях, на внутренних поверхностях, на элементах, работающих в водной среде и т.д.). Таким образом, проведенный анализ показал, что для задач настоящей работы наиболее пригодными являются различные варианты тензометрических методов.

На этапе подготовки натурного эксперимента проведены:

1. анализ условий натурной тензометрии и решаемых данными исследованиями задач;

2. анализ выбора мест и схем расположения измерительных точек на исследуемой конструкции;

3. выбор типоразмеров тензодатчиков, типов активных преобразователей, схем компенсации, типов защитных устройств, способов вывода соединительных кабелей с напорной поверхности конструкций.

Эксплуатация шлюза сопровождается цикличностью его работы, причем в процессе шлюзования и перепуска воды за навигацию может быть осуществлено до нескольких тысяч циклов при практически стационарном режиме повторного нагружения, определяемом постоянством верхнего и нижнего уровней воды в камерах шлюза при каждом срабатывании. Поэтому, основными задачами измерений было определение циклической составляющей напряжений (деформаций) при эксплуатационных режимах.

Характеристики

Список файлов диссертации