автореферат диссертации по строительству, 05.23.15, диссертация на тему:Оценка долговечности раскосов клепаных пролетных строений с учетом стадий зарождения и развития усталостных трещин

РГБ ОЛ

.¡¡[МИНИСТЕРСТВО ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ РОССИИ МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ (МШ)

На правах рукописи ГРУДЦИНА ГАЛИНА АНАТОЛЬЕВНА

ОЦЕНКА ДОЛГОВЕЧНОСТИ РАСКОСОВ КЛЕПАНЫХ ПРОЛЕТНЫХ

СТРОЕНИЙ С УЧЕТОМ СТАДИЙ ЗАРОВДЕНИЯ И РАЗВИТИЯ УСТАЛОСТНЫХ ТРЕЩИН

Специальность:05.23.15 - Мосты и транспортные тоннели

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

МОСКВА - 1395

Работа выполнена на кафедре "САПР транспортных конструкций и сооружений" Московского государственного университета путей сообщения (ШИТ).

Научные руководители ¡доктор технических наук, профессор Н.Н.Шапошников

кандидат технических наук.профессор Ю.И.Романов

Официальные оппоненты ¡доктор технических наук,профессор H.A. Костенко

кандидат технических наук,доцент A.C.Ткач

Ведущая организация: Главное Управление Пути ЦП МПС.

Защита состоится Ч?" ¿ШяЩ 1996 в /<5~час мин на заседании диссертационного совета Д. 114.05.02 при Московском Государственном Университете Путей сообщения (МИИТ) по адресу : 101475.ГСП,г.Москва,А-55,второй Минаевский пр.,д.2.аудитория уУ/У С диссертацией можно ознакомится в библиотеке университета. Автореферат разослан " Jf " г.

Отзыв на автореферат,заверенный печатью,проста направлять по адресу университета.

Ученый секрета:^ диссертационного совета

ДП4.05.0£ доктор технических наук /ю Е.'ПЛ!альиев

¿W

- 3 -

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность проблемы. Современное состояние прикладной и вычислительной математики,материаловедения,мостостроения,машиностроения позволяет определить основные показатели долговечности и остаточного рэсурса элементов транспортных конструкций с широким привлечением методов физического и математического моделирование с использованием расчетных схем,максимально приближенных к условиям работы.

Большой вклад в решение проблем надежности транспортных конструкций внесли ученые: Александров A.B..Болотин В.В.,Бушин A.B., Бобылев К.Б..Бродский В.М..Гробовский P.M..Демешко Е.Л.,Иосилевс-

ккй Л,И. .Когаез В.П. .Костеико H.A. .Костяов П.С. .Курбацкии £.!!., Лэдшккоа Б.Я. .Мальцев В.П.,Мамутов H.A. .-.'орозов Е.М., Messe-,-¡яков В.В..Новожилова Н.И. .Косарев A.B. .Осипов В.0..Потапов В.Л. ,Потал-кин A.A., Феоктистова Е.П..Чирков В.П., Шапошников H.H., Оестопе-ров Г.С. и многие другие.

В настоящее время на железных дорогах нашей страны эксплуатируется больше количество металлических пролетных строений,в тем числе клепаных,изготовленных с конца прошлого столетия до середины текущего. Многие из них работали и работают при нагрузках,близких к допустимым,в условиях высоких скоростей двихенкл поездов и одной из'самой высокой в мире грузонапряженности.Результаты обследований эксплуатируемых мостов показали, что проблема усталостного разрушения элементов клепаных пролетных строений з настоящее время стоит

очень остро.В свете вышесказанного одной из важнейших задач,как на стадии проектирования, так и на стации эксплуатации является расчет долговечности элементов металлических пролетных строений мостов с учетом стадий зарождения и развития усталостных трещин.

Цель исследования. Благодаря работам многих ученых создана обширная экспериментальная и методологическая база,позволяющая определить основные показатели долговечности и остаточного ресурса элементов клепаных пролетных строений мостов. Но до настоящего времени при оценке долговечности элементов не учитывалась стадия живучести, поэтому в диссертации поставлена задача разработать алгоритм расчета показателей долговечности элементов клепаных пролетных строений на стадии роста усталостных трещин.

Несмотря на многообразие подходов к вопросу о многостадийности процесса усталостного разрушения,в практических расчетах его принимают состоящим, по крайней мере,из двух стадий : первая - накопления рассеянных повреждений; вторая - развития макротрещины. Границы стадий устанавливаются в зависимости от используемой модели.Поэтому,для того,чтобы разработать алгоритм оценки долговечности на стадии рхта усталости: трещин,необходимо определить, какая из существующих моделей накопления рассеянных поврехшш позволяет достоверно определить показатели долговечности рассматриваешь элементов конструкции на первом этапе разрушения. В работе задача ьыбора приоритетной модели решена на основе' системотехнического анализа к оделенной реализации ряха наиболее- распространенных юдехей накопления ' рассеянных певревдени;'; • на пршре

раскосов клепаных пролетных строений. Научная новизна.

Разработан алгоритм расчета долговечности (живучести) раскосов эксплуатируемых клепаных пролетных строений на стадии развития усталостных трещин.

Разработано программное обеспечение,позволяющее моделировать рост усталостных трещин заданной ориентации в раскосах эксплуатируемых клепаных пролетных строений с учетом стохастического-характера нагрузки,особенностей работы заклепочного соединения и геометрии сечения.

Установлены характеристики уравнения Кэриса-Зрдогана для литого железа.

Получены результаты моделирования процесса роста усталостных трещин в образцах из литого железа и раскосах пролетных строений" при воздействии эксплуатационной нагрузки.

Исследованы закономерности изменения скорости роста усталостных трещин в зависимости от типа проходящего по мосту подвижного состава.

Предлагается вариант адаптации подученных результатов исследования к решению прикладных задач оценки долговечности элементов эксплуатируемых пролетных строений на этапе роста усталостных трещин. ... ....

• Проведен системотехнический анализ и численная реализация ряда наиболее распространенных моделей накопления рассеянных пов-

реждений на примере раскоса клепаного пролетного строения с учетом закономерностей работы соединения и случайного характера нагрузки.

Достоверность полученных результатов подтверждена сопоставлением с результатами экспериментальных обследований мостов и характеристиками, полученными при испытании образцов из литого железа.

Практическая ценность.Практическая ценность работы заключается в том,что полученные результаты исследования и моделирования скорости роста трещин могут быть использованы для решения инженерных задач оценки усталостной долговечности (живучести) элементов клепаных пролетных строении. ■

Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались:

1.На международной научно-технической конференции"Расчетные методы механики деформированного твердого тела".Новосибирск, 11-14 сентября 1995.

2.На международном симпозиуме "Безопасность перевозочных процессов". Москва, 25-28 апреля 1995 г.

3. На семинарах кафедры "САПР транспортных конструкций и сооружений" (ШТа).

На защиту выносятся:

- алгоритм оценки долговечности элементов клепаных пролетных строений на этапе развития усталостной тресшны;

- результаты моделирования и исследования скорости роста усталостных трещин в раскосах эксплуатирует клепаных пролетных строений при воздействии эксплуатационных нагрузок.

Объем работы. Диссертация состоит из пяти глав.выводов,списка литературы и приложения. Она содержит 162 страницы,в том числе 27 рисунков и 10 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ В первой главе дается классификация усталостных повреждений в' элементах клепаных пролетных строений.Приводится краткий обзор ряда наиболее распространенных моделей расчета долговечности на стадиях:

- накопления рассеянных повреждений;

- возникновения и развития макротрещины.

Во второй главе проводится системный анализ ряда наиболее-распространенных моделей накопления рассеянных повреждений ,на основе которого производится выбор модели, приоритетной для данного вида конструкции,что позволяет установить пределы,в которых необходимо проводить оценку долговечности на стадии роста усталостных трещин.

Анализировались :

".- модель- расчета долговечности элементов клепаных пролетных

строений,разработанная В.О.Осиповым;

1 скорректированная модель Бэйли -.Эрдогана;.

- статистическая теория подобия усталостного разделения;ра8ра-

ботанная В.П.Когаевым; - термофлуктуационная (кинетическая) модель,предложенная С.Н.Курковым. .

В третьей главе:

1.Уточняются и систематизируются данные.позволяюпдае произвести численную реализацию информационно обеспеченных моделей накопления рассеянных повреждений на примере раскосов эксплуатируемых пролетных строений.

2.С использованием данных обследования-эксплуатируемых пролетных строений и результатов компьютерного моделирования уточняются и систематизируются данные по нагруженности рассматриваемого элемента моста 8а период эксплуатации.

3. Анализируются методики получения тангенциальных нормальных напряжений на кромке заклепочного отверстия при работе соединения в 1,11 и III стадиях.

4.Анализируются конструктивные особенности и условия эксплуатации серии металлических пролетных строений (1-55.06 м ) на отрезке пути Восточно-Сибирской железной дороги (рис.1,2).

В четвертой главе проведена численная реализация, ряда наиболее распространенных .информационно обеспеченных моделей накопления рассеянных повреждений, с учетом переменного коэффициента концентрации и закономерностей работы заклепочного соединения.

Производится статистическое моделирование процесса . накоиле-; ига рассеянных-повреждений, с-.учетом случайного/характера нагрузки,

с использованием экспериментальных данных и экспериментально-теоретической методики определения напряжений на кромке наиболее нагруженного заклепочного отверстия.

Сравнение с результатами экспериментальных наблюдений проводилось по уровню значимости расхождения между двумя средними величинами. В результате нуль-гипотеза,состоящая в том,что в двух рассматриваемых случаях мы имеем дело с одной и той же случайной величиной,оказалась верна лишь в случае использования модели .разработанной В.О.Осиповым.

В пятой главе при решении задачи определения долговечности на второй стадии разрушения в работе предлагается вариант расчета трещины 1-ого типа наиболее вероятной ориентации.

В расчетах используется зависимость Пэриса-Эрдогана:

с11/с1п-С(лК)п . ' (1)

Используя метод сечения,были получены аналитические зависимости для коэффициента интенсивности напряжений в виде функций от действующих напряжений по фронту распространения трещины и длины трещины. В основе расчетоз лежит дополнительное условие равновесия,которое сводится к тому,что .усилие,передававшееся ранее через площадь,занятую трещиной' (Р '),уравновешивается дополнительным усилием (Р"), возникающим в вершине трещины от концентрации наг.р.дакш 5а:

- и -

?'- Р" ""

Р'-]бп(1ГТр; (3)

Р"~^ ба dFкц (4)

где РТр- площадь трещины;

Гкц- площадь зоны концентрации напряжений; бй - окружное напряжение в окрестностях трещины; бп - номинальное расчетное напряжение в области трещины, определяемое для бездефектной детали. Так как напряжения по толщине элемента в первом ¡¡риближении принимаются постоянными (что подтверждается анализом шшряженно -деформированного состояния), получим:

п

К1Расч - ( Я бп/_б1 11) , (5)

1-1

где К1расч " расчетный коэффициент интенсивности ; бп - номинальные напряжения;

б; - напряжения,действующие на участке трещины с длюпй : 1} - длина участка трещины. Путем сравнительного анализа химического состава,механически/ свойств и способа производства ряда сталей,а также численного моделирования скорости роста усталости. трещин в образцах из лито-

- I'c -

го железа .были установлены параметры уравнения Пэриса-Эрдогана и Kic для литого железа.

Исследование изменчивости напряженно-деформированного состояния в зависимости от уровня внешней нагрузки и с учетом особенностей работы заклепочного соединения осуществлялось при помощи конечно-элементного комплекса "SUPER".Используемый в работе метод основан на переходе от численного значения напряжений в плоскости распространения трещины .полученной при конкретной нагрузке к напряжениям при любой нагрузке в предположении о справедливости закона Гука.

При составлении расчетной схемы учитывались то,что трещина возникает в период работы соединения в третьей стадии и рассматриваемое сечение раскоса имеет две оси симметрии. Расчет велся для двух трещин .Деформированная схема для первого и второго случая показана на рис. 3,4.

Анализ зон излома в месте образования усталостных трещин показал, что в ряде случаев долом носил хрупкий характер.

Хрупкий долом элемента наступает при-условии: -

■" К1расч <' Kic ■'. ..'•"•.' '№)

Разработано программное обеспечение,с помощью которого моделировался процесс роста усталостных трещин в образцах из литого железа-и раскосах эксплуатируемых пролетных строений.' • : - Учитывая случайный характер " нагрузки,с помощью компьютерного юделирОБ&чия было получено более 4000 усталостных 'трейан.-Сценка-точности cjyaecii'^.i^ac:- н? огнове гкслеримектатьнйх данных.Pi-

Деформированная схема

зультатн статистической обработки данных компьютерного "моделирования приведены в виде графиков роста уоталостшк трешда и 1-ис--тограмм (рис. 5,6).

Исследованы закономерности изменения скорости роста устачоствых трещин в зависимости от типа проходящего по мосту подвижного состава (рис,7,8).

Для упрощения расчетов составлены таблицы,позволяющие с вероятностью 0.98 определить максимальное подрастание трещины в зависимости, от типа проходящего по мосту подвижного состава и длины обнаруженной трещины.Пример типовой таблицы приведен на странице 19 (таблица 1).

Приложение содержит матрицы циклов,программы , написанные на языке С.'

вывода

1. Разработан алгоритм расчета долговечности раскосов пксплуатнг.у емых клепаных пролетных строений на стадии развития усли:ос?.ц.л трещин.

2. Разработано программное обеспечение,по^сдявдо к«.-;»\:и|.'>гаи» рост усталостных трещин заданной ориентации ь раскссах

руешх клепаных пролетных строений с учетом с гекконе-: мг'/ир:*. тера нагрузки,особенности работы заклепочного соединения и геометрии сечения.

Рис 5. Гродтхи роста усталос/пхнг с чи&еткэ мх'мироба-л/я

реальнегя мпру&и

■ Лер£ая трещина

500 »¡юз 15ч г

С(сутха)

Рис.6. Гист02ранмаразбитияггрещиныдо 1.кр од Пербоя трещина

МО 5

аоог аоо I

1008

1500

1-1.

21101

1(0

ода аоог азш

Старая трещина

Апра? /пэесццня

I

«4 1»0

т

¿50

13Ь

ПЕРВАЯ ТРЕЩИНА

Лскомоткзы

С(<угки)

2267

I

2153 381)4

ста усгалхткыт трешнн при в,~;_.сйствш1 конкретного тша пс,;зн:июго состава

ВТОРАЯ ТРЕЩИНА

Грузоаыг и.мм) «26.0 Цмм) 4

Локомотм&ы

I с(сугки)

И;' 26.0 ¡¡|

Цмм) ^

; с(сутхи)

г-е»-

94 159

126 220

Пассажирские

224

376

со

I

Рис. 8. Рост усталостных трещин при прохождении по мосту определенного типа подвижного состава

Подрас/пдние лрещинс/ при /7/Mxoj*âewu /ûo единиц лод/ижного cor/vcrâa f S мм)

Tafo и и, a i

^^-^JLIUHQ обнаруженной öud_ ^^^¿ттрещинй/ (мм) пера cocmaôa H.5 -¡2.0 /t. g -/aо â.9 -8.0 7.9 -б О Sff-*.0 3.9 -20 /.g -о

Грузобые cûcmaSot 0,005гЮ 0,0// 32 7 Q02/Ô09 0,О229Г8 0,024302. Q02OO9

Пассажирские состадь/ 0,0023 7£ aO04á~28 O.OOff¿'/ 0,0О98*3 ЦО/О207 Q0//3O7

/iùrtûMûmuOot 0,003//g аг>о 73/2 0,0*3*43 i qo/wff jq¿>/ss¿>s ao'óó's/?

I

ю

пОЭфсрициен/т? ¡/Vù//r?£iàaf4usvi/ год лояблг^ия r/pptcjuw ТЪомцй 2.

Год nesS I ! I

лечи S i¡'3:>0¡ i9ö1

щинм I j ;

! ¡

Hj \ t. W j j /29

№8 1Э59

/■'9 \ / /

1363

/■û

1561

a??

Û.S4

1963

Û.9/

288

196Г

Q*'

m 6

ff.Ji

/967

1968 1969

as*

ÑW

3. Установлены характеристики уравнения Пэриса-Эрдогана для литого железа.

4.Выведена аналитическая зависимость расчетного коэффициента интенсивности напряжений в виде функции от напряжений действующих вдоль фронта распространения трещины,длины трещины и геометрии сечения.

5.Получены результаты моделирования процесса роста усталостных трещин в образцах из литого железа и раскосах пролетных строений при воздействии эксплуатационной нагрузки.

6.Исследованы закономерности изменения скорости роста усталостных трещин в зависимости от типа проходящего по мосту подвижного состава.

7.В диссертации предлагается вариант адаптации полученных результатов исследования к' решению прикладных задач оценки долговечности элементов эксплуатируемых пролетных строений на этапе роста усталостных трещин.

8. Проведен системотехнический анализ и численная реализация ряда наиболее распространенных моделей накопления рассеянных повреждений на примере раскоса клепаного пролетного строения с учетом закономерностей работы соединения и случайного характера нагрузки.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах: ■ ■.■■'.'"'.■".'. 1.Грудцш» Г. А.Оценка долговечности раскосов клепаных пролетных сисений мостов ¡¡а стации развития усталостных • тре-

щин./Моск. гос. ун-т путей сообщения. -М.,1996.- 28 с.-Деп.ВИНИТИ 17.05.96,N 1582-В 96.

2. Тезисы международной научно-технической конференции:Расчетные методы механики деформированного твердого тела".Новосибирск, 11-14 сентября 1995.

3. Тезисы международного симпозиума "Безопасность перевозочных процессов".Москва,25-28 апреля 1995 .