Математическое моделирование безопасности окружающей среды при динамических воздействиях на фундамент машин Куранцов, Валентин Викторович

Введение к работе

Актуальность работы. В настоящее время вопросам безопасности окружающей среды от воздействий ударной волны на фундамент машин уделяется большое внимание. Рассматриваемая проблема включает большой перечень фундаментальных и прикладных задач в области чрезвычайных ситуаций техногенного характера, которые необходимо решить. Одной из главных задач является определение волновых напряжений в фундаменте машин с окружающей средой. Для обеспечения безопасности окружающей среды от ударных воздействий в фундаменте машин назрела необходимость применять различные технические средства, которые могли помочь управлять напряженным состоянием. Управление волновым напряженным состоянием можно осуществить с помощью методов численного моделирования рассматриваемого фундамента машин с окружающей средой. В работе применяется один из возможных технических средств защиты окружающей среды от ударных воздействий в фундаменте машин - полости в окрестности предполагаемого сооружения. Ударной волновое воздействие, на своем пути встречая полость, будет ее обходить. Поэтому будет снижаться напряженное состояние в предполагаемом сооружении. На основании изложенного можно утверждать, что постановка задачи, разработка методики, реализация алгоритма численного моделирования и решение задач о применении технических средств защиты окружающей среды от волновых ударных воздействий в фундаменте машин с окружающей средой, является актуальной фундаментальной и прикладной научной задачей.

Объект исследования - безопасность сооружения от ударных воздействий.

Предмет исследования - безопасность окружающей среды от воздействий ударной волны на фундамент машин.

Целью работы, является численное моделирование безопасности окружающей среды с помощью полостей от ударных воздействий на фундамент машин. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Постановка, разработка методики и реализация алгоритма решения задачи о воздействии упругой ударной волны на фундамент машин без полости и с полостью, с помощью численного моделирования волновых уравнений теории упругости.

2. Численное исследование задачи о распространении плоских продольных волн в виде импульсного воздействия (восходящая часть - четверть круга, нисходящая - четверть круга) в упругой полуплоскости.

3. Сопоставление с результатами аналитического решения на фронте плоской волны для плоского напряженного состояния.

4. Решение задачи о воздействии упругой ударной волны на фундамент машин без полости.

5. Решение задачи о воздействии упругой ударной волны на фундамент машин с полостью в виде прямоугольника (соотношение ширины к высоте один к пяти).

6. Решение задачи о воздействии упругой ударной волны на фундамент машин с полостью в виде прямоугольника (соотношение ширины к высоте один к десяти).

7. Решение задачи о воздействии упругой ударной волны на фундамент машин с полостью в виде прямоугольника (соотношение ширины к высоте один к пятнадцати).

Научная новизна работы.

1. На основе метода конечных элементов в перемещениях разработаны методика, алгоритм и комплекс программ для решения линейных двумерных плоских задач, которые позволяют решать сложные задачи при ударных воздействиях на фундамент машин. Основные соотношения метода конечных элементов получены с помощью принципа возможных перемещений. Задачи решаются методом сквозного счета, без выделения разрывов.

2. Решена задача о распространении плоских продольных волн в виде импульсного воздействия (восходящая часть - четверть круга, нисходящая - четверть круга) в упругой полуплоскости. Исследуемая расчетная область имеет 14320 узловых точек. Решается система уравнений из 57280 неизвестных.

3. Сравнение результатов для нормальных напряжений, которые получены с помощью метода конечных элементов в перемещениях, при решении задачи о распространении плоских продольных упругих волн в полуплоскости с результатами аналитического решения, показало хорошее количественное и качественное совпадение.

4. Решена задача о воздействии упругой ударной волны на фундамент машин без полости. Исследуемая расчетная область имеет 14320 узловых точек. Решается система уравнений из 57280 неизвестных. Растягивающее упругое контурное напряжение о_к имеет следующее максимальное

значение о_к = 0,51. Сжимающее упругое контурное напряжение о_к имеет

следующее максимальное значение о_к = - 0,445. Растягивающее упругое

нормальное напряжение о_х имеет следующее максимальное значение

о_х = 0,506. Сжимающее упругое нормальное напряжение о_х имеет

следующее максимальное значение о_х = - 0,347.

5. Решена задача о воздействии упругой ударной волны на фундамент машин
с полостью в виде прямоугольника (соотношение ширины к высоте один к
пяти). Исследуемая расчетная область имеет 14320 узловых точек.
Решается система уравнений из 57280 неизвестных. Рассматриваются
некоторые точки на свободной поверхности упругой полуплоскости.
Полость, с соотношением ширины к высоте один к пяти, уменьшает
величину упругого растягивающего контурного напряжения о_к в 1,14

раза. Полость, с соотношением ширины к высоте один к пяти, уменьшает величину упругого сжимающего контурного напряжения о_к в 1,22 раза. Полость, с соотношением ширины к высоте один к пяти, уменьшает величину упругого растягивающего нормального напряжения о_х в 1,093 раза. Полость, с соотношением ширины к высоте один к пяти, уменьшает величину упругого сжимающего нормального напряжения о_х в 1,03 раза.

6. Решена задача о воздействии упругой ударной волны на фундамент машин с полостью в виде прямоугольника (соотношение ширины к высоте один к десяти). Исследуемая расчетная область имеет 14320 узловых точек. Решается система уравнений из 57280 неизвестных. Рассматриваются некоторые точки на свободной поверхности упругой полуплоскости. Полость, с соотношением ширины к высоте один к десяти, уменьшает величину упругого растягивающего контурного напряжения о_к в 1,961 раза. Полость, с соотношением ширины к высоте один к десяти, уменьшает величину упругого сжимающего контурного напряжения о_к в 2,572 раза. Полость, с соотношением ширины к высоте один к десяти, уменьшает величину упругого растягивающего контурного напряжения о_х в 1,788 раза. Полость, с соотношением ширины к высоте один к десяти, уменьшает величину упругого сжимающего контурного напряжения о_х в 1,866 раза.

7. Решена задача о воздействии упругой ударной волны на фундамент машин с полостью в виде прямоугольника (соотношение ширины к высоте один к пятнадцати). Исследуемая расчетная область имеет 14320 узловых точек. Решается система уравнений из 57280 неизвестных. Рассматриваются некоторые точки на свободной поверхности упругой полуплоскости. Полость, с соотношением ширины к высоте один к пятнадцати, уменьшает величину упругого растягивающего контурного напряжения о_к в 3,35 раза. Полость, с соотношением ширины к высоте один к пятнадцати, уменьшает величину упругого сжимающего контурного напряжения о_к в 3,50 раза. Полость, с соотношением ширины к высоте один к пятнадцати, уменьшает величину упругого растягивающего контурного напряжения о_х в 2,79 раза. Полость, с соотношением ширины к высоте один к пятнадцати, уменьшает величину упругого сжимающего контурного напряжения о_х в 2,916 раза.

Практическая ценность работы.

1. Методика и результаты решенных задач рекомендуются для использования в научно-технических организациях, специализирующихся в области защиты окружающей среды с помощью полостей от ударных воздействий на фундамент машин.

2. Проведенные в работе исследования имеют как фундаментальное, так и прикладное значение.

Достоверность результатов.

Сравнение результатов нормальных напряжений, полученных с помощью

метода конечных элементов в перемещениях, при решении задачи о распространении плоских продольных волн в виде импульсного воздействия (восходящая часть - четверть круга, нисходящая - четверть круга) в упругой полуплоскости, с результатами аналитического решения, показало хорошее качественное и количественное согласование.

Основные научные положения. Автором защищаются основные научные положения:

3. Методика, алгоритм и комплекс программ для решения линейных двумерных плоских задач, которые позволяют решать сложные задачи при ударных воздействиях на фундамент машин с окружающей средой.

4. Численное исследование задачи о распространении плоских продольных волн в виде импульсного воздействия (восходящая часть - четверть круга, нисходящая - четверть круга) в упругой полуплоскости.

5. Сопоставление с результатами аналитического решения на фронте плоской волны для плоского напряженного состояния.

6. Решение задачи о воздействии упругой ударной волны на фундамент машин без полости.

7. Решение задачи о воздействии упругой ударной волны на фундамент машин с полостью в виде прямоугольника (соотношение ширины к высоте один к пяти).

8. Решение задачи о воздействии упругой ударной волны на фундамент машин с полостью в виде прямоугольника (соотношение ширины к высоте один к десяти).

9. Решение задачи о воздействии упругой ударной волны на фундамент машин с полостью в виде прямоугольника (соотношение ширины к высоте один к пятнадцати).

Апробация работы.

Отдельные результаты и работа в целом доложены:

10. На Международном семинаре «Проблемы безопасности сложных систем» (Москва, РУДН, 2008 и 2009).

11. На Всероссийской научно-практической конференции «Безопасность и экология технологических процессов и производств» (Персияновка, Донской государственный аграрный университет, 2009, 2010, 2011, 2012 и 2013).

12. На Всероссийской научно-практической конференции «Техносферная безопасность, надежность, качество, энергосбережение» (Ростов-на-Дону -Новомихайловский, Ростовский государственный строительный университет, 2008, 2009, 2010, 2011 и 2012).

13. На Международной конференции «Проблемы управления безопасностью сложных систем» (Москва, ИПУ РАН, 2008, 2009, 2010, 2011 и 2012).

14. На Всероссийской конференции с международным участием «Информационно-телекоммуникационные технологии и математическое моделирование высокотехнологических систем» (Москва, РУДН, 2009, 2010,2011 и 2012).

6. На Всероссийской молодежной конференции «Математическое моделирование в проблемах рационального природопользования» (Москва, РГСУ, 2012).

7. На Международной научно-практической конференции «Инженерные системы» (Москва, РУДН, 2009 и 2010).

8. На Международной научно-технической конференции «Инновационные технологии в развитии строительства, машин и механизмов для строительства и коммунального хозяйства, текущего содержания и ремонта железнодорожного пути» (Смоленск, МГУПС, 2011 и 2012). Публикации.

По теме диссертации опубликовано 35 работ.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Основное содержание изложено на 244 страницах, в том числе текста 76 страниц, рисунков 98 страниц и списка литературы 70 страниц из 436 наименований.

Похожие диссертации на Математическое моделирование безопасности окружающей среды при динамических воздействиях на фундамент машин

Математическое моделирование безопасности сооружений с грунтовой и воздушной средами при сейсмических воздействияхСитник Светлана Владимировна

Управление безопасностью окружающей среды с помощью полостей при взрывных воздействиях в сооружениях неглубокого заложенияКуранцов Виктор Аркадьевич

Численное моделирование безопасности сооружений неглубокого заложения при внешних взрывных воздействияхСазонов, Константин Борисович

Математическое моделирование безопасности некоторых объектов речного порта при взрывных воздействияхШепелина, Полина Валерьевна

Научно-методологические основы совершенствования безопасности систем формирования газовой среды обитаемых космических объектовЗорина Нина Георгиевна

Математическое моделирование защиты окружающей среды от взрывных воздействий на объектах хранения опасных веществШиянов, Сергей Михайлович

Разработка метода комплексной оценки воздействия автотранспорта на экологическую безопасность городской среды для обоснования мониторинга и защитных мероприятийСапожкова, Наталья Васильевна

Исследование, анализ и управление процессами пожарной безопасности и рисками экологических последствий воздействия пожаров на окружающую средуИншаков Юрий Захарович

Механико-технологические основы теории деформации почвы рабочими органами почвообрабатывающих и посевных машин (моделирование методом конечных элементов, оптимизация и автоматизированное проектирование)Имамов, Имран Сабир оглы

Моделирование асинхронной машины методом зубцовых контуровБерте Сулейман