Введение к работе
Актуальность темы. Водный транспорт является важной частью транспортной инфраструктуры страны, активно способствуя развитию экономики. На внутренних водных путях России эксплуатируется более 720 гидротехнических сооружений, 111 судоходных гидротехнических сооружений (далее – СГТС) и 6000 затворов. Серьезной проблемой является снижение уровня безопасности СГТС из-за ухудшения их технического состояния. Так 335 сооружений включены в отраслевой Регистр судоходных гидротехнических сооружений, подлежащих декларированию безопасности. Данные сооружения относятся к стратегически важным объектам Российской Федерации, а по классификации угроз – к техногенно - опасным объектам.
На основе проведенного декларирования безопасности СГТС на 01.01.08 г. установлено, что 20,9 процентов сооружений имеют нормальный уровень безопасности, 60,8 процентов – пониженный, 14,2 процента – неудовлетворительный и 4,1 процент – опасный. Эксплуатация гидротехнических сооружений при неудовлетворительном техническом состоянии может привести к техногенным авариям и таким катастрофическим последствиям, как затопление нижележащих территорий с прохождением волны прорыва высотой до 30 метров, прекращение судоходства, остановка работы ГЭС и водоснабжения, нарушение экологического равновесия на затопленных обширных территориях.
Как показал анализ многочисленных источников и многолетний опыт эксплуатации СГТС, рост общего числа циклов наполнения и опорожнения шлюзовых камер (срабатывания призм) за каждую навигацию увеличивается, и, следовательно, происходит увеличение количества повторно-статических нагружений несущих элементов. По мере наработки возникают повреждения в конструкциях шлюзовых ворот, в первую очередь, в водонапорной обшивке и ее опорных элементах. Повреждения образуются, как правило, в виде трещин длиной от 50-100 мм до трех и более метров, что влечет за собой необходимость выполнения ремонтных работ и сопряжено с простоями при эксплуатации водного пути. Межремонтные периоды на СГТС по водонапорной обшивке составляют зачастую только одну навигацию.
В связи с отмеченным, актуальным являются установление основных закономерностей сопротивления малоцикловому деформированию и разрушения элементов шлюзовых ворот с учетом нелинейного поведения материала, реальной геометрии конструкции, условий эксплуатации и технологической наследственности на основе разработанных расчетно-экспериментальных методов, а также создание методов оценки прочности, ресурса в зависимости от конструкционных, технологических факторов, создание методов продления ресурса с использованием современных методик реконструкции, разработка и внедрение в заинтересованных научных и производственных организациях рекомендаций по увеличению ресурса шлюзовых ворот на стадии проектирования, изготовления, монтажа и эксплуатации.
Проведение вышеуказанных исследований, безусловно, способствует повышению безопасности, надежности, ресурса и экономии энергоресурсов, что полностью соответствует Приоритетным направлениям развития науки, технологий и техники РФ, утвержденным Президентом РФ 21 мая 2006 г. Пр-843 и Перечню технологий, имеющих важное социально-экономическое значение для обороны и безопасности государства (критические технологии), утвержденному распоряжением правительства РФ от 25 августа 2008 г. № 1243-р.
Объектами и предметами исследования настоящей работы являются: конструкции затворов механического оборудования СГТС, созданные с использованием электросварки и других технологических операций; проблемы прочности и ресурса конструкционных материалов, элементов конструкций двустворчатых шлюзовых ворот при малоцикловом нагружении.
Научная цель исследования:
- установление основных закономерностей сопротивления малоцикловому деформированию и разрушения элементов шлюзовых ворот с учетом нелинейного поведения материала, реальной геометрии, особенностей конструкции, условий эксплуатации и технологической наследственности на основе разработанных экспериментально - расчетно методов;
- разработка методов оценки прочности и ресурса в зависимости от конструкционных и технологических факторов;
- разработка методов продления ресурса элементов конструкций на основе современных методик их реконструкции; разработка и внедрение рекомендаций по увеличению ресурса шлюзовых ворот на стадии проектирования, изготовления, монтажа и эксплуатации.
Для достижения поставленных научных целей применялись экспериментальные и расчетные методы исследования.
Основные задачи экспериментального исследования:
- разработка методики сбора данных по нагрузкам шлюзовых ворот и методов схематизации основных нагружающих факторов. Исследование реальной истории нагружения основных несущих элементов шлюзовых ворот;
- разработка методов и средств контроля основных параметров напряженно-деформированного состояния (НДС), накопления повреждений и распространения трещин в статическом и циклическом нагружениях натурных элементов конструкций. Исследование НДС, малоцикловой прочности и трещиностойкости элементов двустворчатых, откатных и сегментных ворот;
- создание методики, оснастки и оборудования для проведения модельных исследований элементов шлюзовых ворот. Разработка методики трансформации реальных нагружающих факторов шлюзовых ворот на модельные элементы. Реализация методики, подтверждение адекватности предложенных модельных испытаний и проведение соответствующих лабораторных испытаний;
- доводка экспериментальных установок, создание приспособлений и методов обработки результатов исследования сопротивления конструкционных материалов шлюзовых ворот малоцикловому сопротивлению.
Основные задачи теоретического исследования:
- исследование напряженно-деформированного состояния шлюзовых ворот на основе разработанной конечно-элементной модели в циклической упругопластической постановке. Исследование сходимости и вычислительной устойчивости метода расчета. Сравнение результатов решения тестовых задач и экспериментальных исследований;
- проведение численного исследования НДС основных модельных элементов ворот при малоцикловом нагружении. Определение полей циклических упругопластических напряжений и деформаций основных зон шлюзовых ворот;
- разработка инженерного метода определения усталостной долговечности шлюзовых ворот при проведении конструкторских и проектировочных работ;
- определение основных закономерностей распределения напряжений и деформаций шлюзовых ворот в связи со сложными сочетаниями конструкционно-технологических факторов и условий нагружения.
Методологическую и теоретическую основы настоящего исследования составили труды отечественных и зарубежных ученых в области исследования деформирования и разрушения твердых тел в условиях неупругого переменного нагружения (С.В. Серенсен, В.В. Москвитин, А.П. Гусенков, Н.А. Махутов, Е.М. Морозов, В.П. Когаев, Р.М. Шнейдерович, А.Н. Романов, В.В. Ларионов, Лэнджер, Коффин, Мэнсон и др.). Разработкой методов и проведением исследований в области прочности шлюзовых ворот занимались многие авторы. Статическую прочность изучали I.A. Harringx, Н.М. Савнин и др., разработкой новых конструкций шлюзовых ворот, созданием технологий их производства – М.Л. Кузьмицкий, А.И. Лиходед, Н.Г. Паничкин, В.А. Кривошей, В.И. Савенко, Г.Л. Мажбиц и др. Малоцикловая прочность двустворчатых ворот СГТС составила научный интерес А.П. Гусенкова, В.П. Когаева, В.В. Ларионова, Г.В. Москвитина.
Изучение публикаций отмеченных авторов позволило сделать вывод о том, что комплексные актуальные задачи малоцикловой прочности шлюзовых ворот СГТС решены недостаточно. Несмотря на большой объем выполненных исследований, в представленных работах не удалось создать расчетно-экспериментальных методов исследования НДС, прочности и ресурса несущих элементов, позволяющих в рамках физически нелинейной теории с учетом влияния технологических факторов и параметров технологической наследственности проводить расчет элементов шлюзовых ворот СГТС.
Научная новизна настоящего исследования заключается в том, что впервые на базе разработанных в диссертации экспериментально - расчетных методов были получены основные закономерности распределения полей деформаций и напряжений в несущих элементах шлюзовых ворот с учетом определяющих сочетаний нагрузочных, конструкционных и технологических факторов. Обоснован повторно-статический характер разрушения в эксплуатации элементов водонапорной обшивки. Разработан метод экспериментального исследования сопротивления конструкционных материалов циклическому упругопластическому нагружению и обоснованы новые виды уравнений состояния и критериев разрушения. На основе натурных и модельных испытаний, расчета ресурса при повторно - статическом нагружении используемых типов водонапорной обшивки предложены способы повышения долговечности исследуемой конструкции. Разработаны и апробированы методы технологического упрочнения путем ацетиленокислородного оплавления радиуса подреза в зонах сварных соединений. Получен комплекс механических свойств и расчетных характеристик основных конструкционных материалов, требуемых для оценки ресурса конструкции.
Достоверность положений диссертационной работы подтверждается сопоставлением результатов использования предлагаемого прикладного метода оценки НДС с собственными данными экспериментальных исследований, другими известными экспериментами и результатами решения соответствующих тестовых задач. Подтверждением достоверности результатов диссертации является и то, что численные и экспериментальные исследования были выполнены в рамках деформационной теории циклического упругопластического нагружения, разработанной в трудах С.В.Серенсена, В.В.Москвитина, Н.А.Махутова, Р.М.Шнейдеровича, А.П.Гусенкова и др. советских и российских ученых, и широко применяющейся в настоящее время для описания процессов деформирования и накопления повреждений в рассматриваемых условиях нагружения.
Практическая значимость исследования заключается в разработке комплекса подходов, дающих возможность проводить на стадиях проектирования и эксплуатации расчет ресурса элементов водонапорной обшивки по критерию сопротивления действию повторно-статических нагрузок. Предложена система конструктивных и технологических решений, обеспечивающая повышение ресурса водонапорной обшивки до 3-4 навигаций против 1-1,5 в настоящее время. Предложенные мероприятия по увеличению ресурса обоснованы экспериментально - расчетными исследованиями натурных и модельных элементов конструкции, внедрены и прошли проверку при эксплуатации Волго-Донского судоходного канала и шлюзов канала им. Москвы.
Экономическая эффективность основных выводов диссертации, а также созданного пакета прикладных программ, определяется широким их применением в ряде организаций (Центральное конструкторское бюро «Ленгидросталь», г. Санкт-Петербург), внедрением органами государственного надзора за безопасностью СГТС план-графика по программам разработки к представлению деклараций безопасности СГТС в 2000-2001 гг. С использованием результатов диссертации разработаны нормативные документы, регламентирующие структуру декларации безопасности СГТС, порядок ее разработки, представления и утверждения. В результате выполненных научно-исследовательских работ выработаны предложения по максимально возможному удлинению сроков службы существующих металлоконструкций шлюзов, их восстановлению и замены, а также по совершенствованию конструкции ворот и затворов гидросооружений.
Результаты диссертации внедрены на предприятиях: ФГУП "Канала имени Москвы" Тушинский район гидротехнических сооружений, 2004 г.; Открытое Акционерное Общество "Череповецкий порт", 2004 г.; ОАО "Столичная судоходная компания", 2004 г.; ФГУ "Волго-Донское государственное бассейновое управление водных путей и судоходства", 2010 г.; ФГУ "Волжское государственное управление водных путей и судоходства", 2010 г.
Апробация результатов. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались: на совещаниях в ФГУП «Волжское ГБУ», технических советах Городецкого района гидротехнических сооружений, научных семинарах и конференциях в BAW (федеральный институт водного строительства Германии) в рамках сотрудничества российских и германских гидротехников (ВГАВТ 1996 г., 1998 г., 2000 г., 2001 г., 2004 г., Карлсруэ), международном форуме «Великие реки» (Н.Новгород 2001 г., 2005 г., 2006 г.), межвузовских координационных совещаниях по проблемам безопасности, надежности и ресурса (Брянск 1994 г., Н.Новгород 1996 г., Ульяновск 2005 г.), I Всероссийском съезде по теоретической и прикладной механике (Н.Новгород 2006 г.), международных пользовательских конференциях фирмы CAD-FEM (Москва, МГУ 1999 г., 2000 г., Потсдам (Берлин) 2001 г.), II Всероссийской научно-технической конференции «Компьютерные технологии в науке, проектировании и производстве (Н.Новгород 2001 г.), научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава МГАВТ (1997-2007 гг.), научно-практической конференции «Обеспечение безопасности и надежности судоходных гидротехнических сооружений» (Ростов-на-Дону, 2008 г.), XVII международном семинаре «Технологические проблемы прочности» (Подольск, 2010 г.), общеуниверситетском научном семинаре "Механика неоднородных структур и систем" при МГОУ (Москва, 2010 г.).
Вклад автора в проведенное исследование заключается в проработке состояния вопроса, постановке цели и задач исследований, постановке экспериментальных исследований, разработке математических моделей и расчетных программ, в ведущем участии в проведении экспериментальных исследований, расчетов, внедрении результатов исследований.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 36 работ, включая 25 статей в журналах, входящих в перечень издательств, рекомендованных ВАК РФ.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, восьми глав, выводов (заключения), списка литературы из 339 наименований и приложения, в котором представлены результаты практического внедрения проведенных исследований. Общий объем диссертации 357 страниц, включая 177 рисунков и 31 таблицу.
