Введение к работе
Актуальность темы. Практика эксплуатации биологических защит железобетонных ядерных реакторов свидетельствует о большой эффективности применения железобетона в качестве конструкционного материала защиты. Наряду с вновь создаваемыми специальными защитными материалами, в реакторостроении и в будущем будет по-прежнему широко использоваться железобетон в защитных конструкциях.
В мощных энергетических ядерных реакторах, биологическая защита подвергается воздействию высокой температуры, абсолютная величина и характер распределения которой зависят от радиационного и теплового потоков, испускаемых активной зоной, от условий теплообмена на поверхностях защиты, а также от защитных и теплофизических свойств бетона. Для расчета температурного и ионизирующих полей в конструкции биологической защиты нужны сведения о значениях теплофизических характеристик бетона и их зависимостях от температуры и радиации. Однако в настоящее время при расчетах, например, температурных полей в массивных конструкциях вообще, и в биологических защитах в частности, в большинстве случаев умышленно не учитывается зависимость теплофизических характеристик материала от температуры. Это допущение до некоторой степени может быть оправдано, с одной стороны, отсутствием для большинства защитных бетонов достаточно надежных и систематизированных сведений о зависимости теплофизических характеристик от температуры; с другой - недостаточностью расчетного и экспериментального материала, позволяющего судить о правомерности этого допущения для различных конструкций биологических защит, работающих в различных температурных уровнях. Создание новых бетонов, предназначенных для строительства биологических защит, работающих при высоких температурах, требует углубленного изучения их теплофизических характеристик. Известно, что во время работы свойства материала под действием различных физических полей (температуры, ионизирующего излучения и т. д.) могут значительно изменяться, что может приводить как к увеличению напряжений в конструкции, так и к их уменьшению. Эти изменения иногда называют макронеоднородностью.
Тела с непрерывной неоднородностью по способу ее описания могут быть условно разделены на две группы, которые можно назвать телами с прямой и косвенной (наведенной) неоднородностью.
К первой группе относятся материалы, механические характеристики которых приобрели различные значения по объему тела в процессе изготовления или обработки конструкции или её элементов. Причинами такой неоднородности являются, например, взрывное воздействие, процессы цементации горного массива, поверхностная обработка, цианирование металлов и т.д.
Ко второй группе следует отнести материалы, свойства которых изменяются в процессе эксплуатации. Это происходит при наличии температурных полей, радиационных воздействий, влажности и т.д.
При выборе функций, описывающих изменение свойств вдоль координат тела, относящегося к первой группе, в основу должны быть положены лишь результаты экспериментальных исследований. В телах с косвенной неоднородностью изменение механических характеристик вдоль координат обусловлено не только зависимостью свойств от порождающего фактора (температуры, радиации и пр.), но и от распределения этого фактора в теле. Если первая часть задачи может быть решена так же, как и в телах с прямой неоднородностью, то есть экспериментально, то вторая — является результатом решения соответствующих уравнений, например, уравнения теплопроводности в задачах термомеханики.
С учетом вышеизложенного, отметим, что исследование изменения свойств материала и влияние этих изменений на напряжённое состояние защитных биологических конструкций, применяемых при строительстве и эксплуатации АЭС, является весьма актуальной и важной задачей сегодняшнего дня.
Цель диссертационной работы: выявление основных закономерностей напряженно-деформированного состояния железобетонных цилиндрических конструкций, выполняющих функции защитных экранов АЭС, при изменении физико-механических параметров материала (модуля упругости, коэффициента Пуассона) под действием физических полей.
Объект исследования: толстостенные железобетонные оболочки (бесконечно длинные цилиндры, железобетонные цилиндры конечной длинны, корпусы высокого давления).
Цель исследования. Разработать научно-обоснованные методы расчета толстостенных железобетонных цилиндров с учетом наведенной неоднородности материала, на основе уточненного моделирования сформулировать упрощающие гипотезы и разработать методику инженерных расчетов. Задачи исследования:
расчет толстостенной неоднородной цилиндрической железобетонной конструкции, подверженной температурному и радиационному воздействию;
для толстостенного неоднородного железобетонного цилиндра находящегося под влиянием физических полей вывести разрешающие уравнения в напряжениях и перемещениях;
определить по сечению железобетонной конструкции защиты распределение температурного поля и ионизирующего излучения;
подобрать аппроксимирующие функции изменения физико-механических параметров вдоль радиуса и высоты цилиндрической железобетонной конструкции;
исследовать неоднородные железобетонные конструкции, находящихся под одновременном воздействием переменных по высоте физических полей на напряжённо-деформированное состояние;
для железобетонных конструкций защиты привести сравнительный анализ решений полученных двумя независимыми методами: вариационно-разностным методом и методом конечных элементов;
реализовать методику с использованием программного комплекса MatLab. Научная новизна
развиты научные представления и установлены основные закономерности влияния наведенной неоднородности на железобетонную цилиндрическую конструкцию, выполняющую функцию теплового и биологического экранов;
выведены для толстостенного железобетонного цилиндра разрешающие уравнения в напряжениях с учетом наведенной неоднородности;
получено для бесконечно длинной железобетонной цилиндрической трубы, подверженной температурным и радиационным воздействиям, аналитическое и численное решение с целью определения напряженно-деформированного состояния;
исследовано для железобетонного цилиндра конечной длины, находящегося под действием физических полей с учетом косвенной неоднородности материала, напряженно-деформированное состояние;
исследовано влияния двумерной неоднородности материала элементов строительных конструкций теплоэнергетических установок на термоупругое напряжённо-деформированное состояние;
предложена методика решения, алгоритм и программы расчёта на ЭВМ, на базе энергетических методов, осесимметричной задачи термоупругости при произвольных граничных условий на торцовых поверхностях железобетонных конструкций.
Достоверность полученных результатов подтверждается:
совпадением результата численного решения задачи о напряженно-деформированном состоянии неоднородного цилиндра с известными решениями и экспериментальными данными;
сравнением результатов решения задач для различных материалов с решениями, полученными другими авторами;
сравнением результатов решения модельных задач с известными аналитическими решениями;
проверкой выполнения всех граничных условий, дифференциальных и интегральных соотношений.
Вычислительные процедуры производились на базе современных ПЭВМ с использованием программного комплекса MatLab.
Для решения поставленных задач применены методы исследований:
математического моделирования и оптимизации;
численные;
численно-аналитические. Практическая значимость работы:
разработана инженерная методика расчета трубобетонной конструкции по определению максимальных напряжений на действие физических полей и механических нагрузок;
учитывая достаточно сложный и неодинаковый для разных бетонов характер изменения физико-механических характеристик от температуры, предложена аппроксимация функций модуля Юнга полиноминальным выражением;
учет косвенной неоднородности материала при расчетах позволяет уменьшить толщину железобетонной трубы, более рационально распределить арматуру по сечению, увеличить максимальные значения силовых нагрузок.
Результаты работы могут быть использованы при проектировании и расчете экранов «сухой» защиты реакторов.
Апробация работы. Результаты исследования доложены на: международной научно-практической конференции «Строительство-2012» (Москва, МГСУ, 2012 г.), двух Международных научно-практических конференциях «Строительство» (Ростов-на-Дону, 2011, 2012 гг.), научном семинаре кафедры «Сопротивление материалов» Ростовского государственного строительного университета (Ростов-на-Дону, 2013 г.),
Результаты исследований внедрены в лекционном и практическом курсе, в дипломном проектировании, в научно-исследовательских работах студентов, магистров и аспирантов кафедр: «Железобетонные конструкции», «Сопротивление материалов» Ростовского государственного строительного университета.
Публикации. Результаты исследования изложены в 7 публикациях: 3 изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 3 статьи в других изданиях, 1 монографии.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, 4-х глав, заключения и библиографии. Общий объём диссертации 158 страниц; содержит 34 рисунка, 14 таблиц. Библиография включает 134 наименования на 14 страницах.
