Введение к работе
Разработка и тиражирование энергосберегающих технологий реформирования ЖКХ включена в «Перечень важнейших инновационных проектов государственного значения на период 2003—2006 годов» В рамках данного направления одной из актуальных задач является расширенное применение трубопроводов из полимерных материалов Уникальный комплекс механических и химических свойств полимерных материалов делает их практически незаменимыми при изготовлении элементов конструкций трубопроводов в энергетическом и химическом машиностроении, строительстве. В этой связи востребованы методики, позволяющие прогнозировать деформацию, прочность и долговечность элементов конструкций трубопроводов из термопластических материалов (полиэтилена, поливинилхлорида, полипропилена).
АКТУАЛЬНОСТЬ ИССЛЕДОВАНИЙ диссертационной работы определяется как потребностью в теоретически обоснованных проектных решениях при конструировании трубопроводов из нового поколения термопластичных полимерных материалов, так и поиском новых применений полимерных трубопроводов в народном хозяйстве.
Применение трубопроводов из полимерных материалов для горячего водоснабжения в климатических условиях России сопряжено с необходимостью решения вопросов прочности и долговечности их элементов, с учетом особенностей механического поведения термопластов в диапазоне температур - от 0 С до +80 С. В настоящее время их решение осуществляется преимущественно экспериментальными методами. В этой связи разработка теоретических методов для оценки прочности и долговечности элементов конструкций полимерных трубопроводов является актуальной как в научном, так и в практическом отношении.
і КА
Ї00ї'(
Вопросы прочности и долговечности элементов трубопроводов рассматривались в работах Работнова Ю.Н., Фролова К В., Махутова Н.А., Малинина Н. Н., Аскельрада Э.Л., Ильина В.П., Якобсена А.Я., Гусенкова А.П., Магалифа В.Я., Якобсона Л С, Ромейко В.С , Шестопала А.Н., Персиона А А., Хасилева В.Я., Мережкова А.П. и др.
В инженерной практике расчет НДС в элементах конструкций проводится на основе упрощенных схем в рамках теории упругости, деформационной теории пластичности, с использованием аппарата сопротивления материалов, строительной механики Результаты исследований последних 10 лет указывают на необходимость разработки конструкции полимерных трубопроводов на основе расчетов напряженно-деформированного состояния их элементов с учетом сложных реологических свойств современных материалов и характера вероятных нагрузок. В этой связи тема диссертационной работы является актуальной в научном и практическом отношениях
ЦЕЛЬЮ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ являлось:
теоретическое исследование прочности и долговечности элементов конструкций трубопроводов из термопластических полимерных материалов, деформирующихся в диапазоне температур от 0 С до +80 С;
оценка прочности криволинейных труб и компенсаторов тепловых расширений полимерных трубопроводов;
исследование влияния температурного поля на напряженно-деформированное состояние и долговечность конструкций многослойных полимерных трубопроводов горячего водоснабжения с теплоизолирующим слоем;
исследование влияния параметров нагружения на циклическую усталость полимерных труб.
Эти цели достигаются постановкой и решением следующих основных задач;
-
трехмерной задачи о деформации прямолинейных и криволинейных труб из гиперупругих материалов под действием внутреннего давления, осевых и изгибающих усилий в диапазоне температур от О С до +80 С, с учетом зависимости механических свойств от температуры;
-
задачи о деформации двух типов конструкций компенсаторов термических расширений трубопроводов («компенсирующей скобы» и «компенсирующей петли») в температурном диапазоне от О С до +80 С, с учетом гиперупругого поведения полимерного материала и зависимости свойств материала от температуры;
-
задачи о циклической прочности труб из вязкоупругих термопластических материалов с учетом эффектов локализованного разогрева;
-
задачи о долговечности (ресурсе) полипропиленовых труб в трубопроводах горячего водоснабжения с учетом реализующегося в них НДС и наличия в материале дефектов структуры.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА результатов диссертационной работы заключается в следующем.
-
Получены новые численные решения нелинейной задачи в трехмерной постановке о деформации прямолинейных и криволинейных труб, находящихся под действием внутреннего давления в однородных и неоднородных ПОЛЯХ температуры, с учетом гиперупругого поведения полимерных материалов. Показано, что напряжения, реализующиеся в трубах из гиперупругих полимерных материалов, ниже, а деформации - выше значений, полученных в приближении линейно-упругой модели. Наличие градиента температуры в стенке полимерных труб обуславливает качественные изменения в распределении напряжений по сравнению со случаем однородного температурного поля.
-
Выполнен теоретический прогноз влияния гиперупругого поведения термопластических материалов (полипропилена, полиэтилена) на прочность и долговечность прямолинейных и криволинейных труб, многослойных коаксиальных
трубчатых элементов полимерных трубопроводов в диапазоне температур от О С до +80 С.
-
На основе новых численных решений задачи о деформации криволинейных труб из гиперупругих полимерных материалов получен теоретический прогноз долговечности элементов полимерных трубопроводов при стационарных и циклически изменяющихся нагрузках (при внутреннем давлении в диапазоне от 0.5 до 5 МПа, при температурах от 0 С до +80 С).
-
Впервые решена трехмерная задача о деформации двух типовых конструкций компенсаторов тепловых расширений полимерных трубопроводов («компенсирующей петли» и «компенсирующей скобы») с учетом гиперупругого поведения материала. Показано, что при деформации компенсирующей петли, максимальные значения интенсивности напряжений, реализующиеся в ее стенках, в 2 и более раз ниже, чем при таких же изменениях длины в компенсирующей скобе.
-
Получены теоретические оценки долговечности (ресурса) полимерных труб, подвергающихся циклическим нагрузкам, в зависимости от амплитуды и частоты воздействий, условий закрепления элемента трубы, начальной температуры. Показано, что увеличение номинальной эксплуатационной температуры от +20 С до +80 С способно снизить долговечность полипропиленового трубопровода при циклической деформации в 10 раз.
Диссертационная работа выполнялась в рамках программ фундаментальных исследований РАН на 1998-2000 гг. «Новые материалы и технологии», программы развития науки СО РАН "Научные основы конструирования новых материалов и создания перспективных технологий", тематики г/б исследований Томского государственного университета в 2001-2002 гг.
-7-Полученные в работе численные решения задач о деформации криволинейных и прямолинейных труб из термопластических полимерных материалов, с учетом гиперупругого поведения, а также теоретические оценки долговечности элементов конструкций трубопроводов в диапазоне эксплуатационных температур трубопроводов горячего водоснабжения могут быть использованы при конструировании трубопроводных систем. Результаты диссертационной работы используются в НПО «Стройполимер» г. Москва, заводе «Строй-полимерпрогресс», Томском государственном университете. На основе полученных в диссертации результатов, были разработаны конструкции соединительных узлов полимерных трубопроводов и тепловлагозащитной облицовки, на которые в Российском агентстве по патентам и товарным знакам диссертантом получено 8 патентов на изобретения. Результаты диссертационной работы использованы при разработке нормативных документов Госстроя России и вошли в «Своды правил по проектированию и строительству. Проектирование и монтаж трубопроводов из полипропилена «Рандом сополимер» СП 40-101-96. Издание официальное Госстроя России» М: Изд-во ФГУП ЦНС, 2002
