Содержание к диссертации
СПИСОК УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ 8
ВВЕДЕНИЕ 10
ГЛАВА 1. РАБОТА, СТАРЕНИЕ И РАЗРУШЕНИЯ МАТЕРИАЛОВ
МЯГКИХ ОБОЛОЧЕК 16
-
Мягкие оболочки строительного назначения 16
-
Материалы мягких оболочек 19
1.2.1. Эксплуатационные свойства материалов мягких оболочек 19
1.2.2. Строение, состав и свойства структурных составляющих
материалов МО 28
-
Параметры строения армирующей основы 30
-
Механические свойства армирующей основы 32
-
Механические свойства матрицы 37
-
Адгезия и адгезионная связь между армирующей
основой и матрицей 39
1.3. Прочность и долговечность материалов МО 41
1.3.1. Напряженно-деформированное состояние материалов МО
в сооружениях 43
-
Длительная прочность материалов МО 45
-
Долговечность материалов МО в условиях воздействия атмосферных факторов 47
1.4. Старение и разрушение полимерной матрицы материалов
мягких оболочек 50
1.4.3. Прочность и разрушение полимерных материалов 50
-
Радиационно-силовая долговечность полимеров 56
-
Влияние атмосферной влаги на долговечность полимеров 57
1.4.2. Фотодеструкция поливинилхлорида 58
ВЫВОДЫ 69
ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА МЕТОДОЛОГИИ, МЕТОДОВ И
АППАРАТУРНОГО КОМПЛЕКСА ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ И
ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ СТАРЕНИЯ И РАЗРУШЕНИЯ
МАТЕРИАЛОВ МЯГКИХ ОБОЛОЧЕК 72
-
Методологические аспекты моделирования и прогнозирования процессов старения и разрушения материалов мягких оболочек 72
-
Метод моделирования воздействия эксплуатационных факторов на материалы МО 76
-
Метод конечных элементов и конечных разностей в построении структурно-имитационной модели композита 77
-
Метод анализа многомерных данных 78
-
Метод главных компонент 82
-
Метод проекции на латентные структуры 84
2.5. Выбор и обоснование показателей старения материалов мягких
оболочек 85
2.6. Моделирование воздействия эксплуатационных факторов
на материалы мягких оболочек 88
2.6.1. Разработка методики ускоренных климатических испытаний
материалов мягких оболочек 88
-
Обоснование и расчет ультрафиолетовой радиации 90
-
Расчет температуры лабораторных испытаний 93
-
Методика расчета циклов и продолжительности дождевания..98
-
Моделирование напряжённо-деформированного состояния материалов мягких оболочек 99
2.6.2. Аппаратурный комплекс для моделирования
воздействия эксплуатационных факторов на материалы
мягких оболочек 101
2,6,2,1.Разработка установок ускоренного старения материалов мягких
оболочек 102
2.6.2.2. Установка термостарения материалов МО 108
2.6.2.3. Стенд для исследования старения материалов МО в
напряженном состоянии в естественных климатических
условиях 108
-
Аппаратурный комплекс для моделирования и контролирования процессов старения и разрушения матрицы материалов мягких оболочек ПО
-
Установка для ускоренного старения плёночных материалов ПО
2.6.2.6. Аппаратура для определения механических характеристик
пленочных материалов ПО
2.6.2.7. Аппаратура для определения коэффициента светопропускания
и блеска пленочных материалов 113
ВЫВОДЫ 114
ГЛАВА 3. ЗАКОНОМЕРНОСТИ СТАРЕНИЯ И РАЗРУШЕНИЯ
МАТЕРИАЛОВ МЯГКИХ ОБОЛОЧЕК В УСЛОВИЯХ ВОЗДЕЙСТВИЯ
ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ФАКТОРОВ 117
3.1. Характеристики материалов, выбранных для исследования
механизма разрушения 117
-
Выбор системы графического изображения результатов исследования старения материалов МО в двухосном напряженном состоянии 118
-
Термосиловое старение материалов МО 121
-
Атмосферное старение и разрушение материалов МО в напряженно-деформированном состоянии 124
3.4.1. Ползучесть и деформативность материалов МО в процессе
атмосферного старения 124
3.4.2. Изменение прочности материалов МО в процессе
атмосферного старения 128
ВЫВОДЫ 137
ГЛАВА 4. ПОСТРОЕНИЕ СТРУКТУРНО-ИМИТАЦИОННОЙ
МОДЕЛИ МАТЕРИАЛОВ МЯГКИХ ОБОЛОЧЕК 139
4.1. Определяющие соотношения для структурно-имитационной
модели материалов мягких оболочек 139
-
Геометрическая модель материала мягких оболочек 148
-
Построение конечно элементной модели 152
-
Дискретизация области 152
-
Основные соотношения МКЭ 155
-
Матрица упругих постоянных для плоского деформированного состояния... 157
4.4 Упругая задача 160
-
Тестовые задачи 160
-
Сходимость численного решения упругой задачи 161
-
Влияние шага плетения армирующей основы 163
-
Влияние фазы плетения армирующей основы 165
-
Задача старения 167
4.5 Вязкоупругая задача 168
4.5.1 Алгоритм численного решения 168
4.6 Нелинейная вязкоупругая задача с учетом
накопления микроповреждений 178
4.6.1 Алгоритм численного решения 178
4.6.2 Тестовые задачи с учетом процесса накопления
микроповреждений 184
4.7 Вязкоупругая задача с учетом накопления микроповреждений
и влияния атмосферных факторов 186
4.7.1 Определяющие соотношения для деструктирующего
материала 186
-
Алгоритм численного решения 188
-
Сходимость задачи 190
4.8 Визуализация графиков распределения интенсивности
напряжений а,, параметра поврежденное со и уровня
деструкции Wu 192
4.9. Численные эксперименты 201
4.9.1 Постановка задачи 201
4.9.2. Исследование долговечности материалов МО при
варьировании геометрических параметров структурных
составляющих 201
4.9.3 Исследование долговечности материалов МО при
варьировании механических характеристик структурных
составляющих 208
4.10. Метод идентификации для уточнения определяющих
соотношений и учета изменения механических свойств
матрицы композита в процессе старения 218
ВЫВОДЫ 222
ГЛАВА 5. ЗАКОНОМЕРНОСТИ СТАРЕНИЯ И РАЗРУШЕНИЯ
МАТРИЦЫ МАТЕРИАЛОВ МЯГКИХ ОБОЛОЧЕК 224
-
Материалы для экспериментальных исследований 224
-
Закономерности изменения физико-механических свойств матрицы материалов МО в процессе старения 226
5.2.1. Закономерности изменения физико-механических свойств
ПВХ-плёнок различной толщины 226
-
Закономерности изменения физико-механических свойств ПВХ-плёнок с различным пигментным составом 246
-
Закономерности изменения физико-механических свойств ПВХ-плёнок с различными светостабилизаторами 251
5.2.3.1. Методы ИКС для анализа структурных изменений
в ПВХ-матрице МО в процессе старения 255
5.3. Разработка многомерной математической модели
процессов старения в матрице МО 262
ВЫВОДЫ 274
ГЛАВА 6. КОНСТРУКЦИОННО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ РЕКОМЕН
ДАЦИИ И МЕРОПРИЯТИЯ ПО ПОВЫШЕНИЮ ДОЛГОВЕЧНОСТИ
МАТЕРИАЛОВ МЯГКИХ ОБОЛОЧЕК 277
-
Пути повышения долговечности материалов МО 277
-
Технологические мероприятия по оптимизации нанесения полимерной матрицы на нетканую армирующую основу 280
6.3. Эксплуатационные свойства материалов МО на
нетканой армирующей основе 285
ВЫВОДЫ 289
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 290
ЛИТЕРАТУРА 294
ПРИЛОЖЕНИЯ 317
Приложение 1 318
Приложение 2 338
Приложение 3 339
Приложение 4 340
Приложение 5 344
Приложение 6 346
Приложение 7 351
СПИСОК УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ
МО - мягкие оболочка
УКИ - ускоренные климатические испытания
АМД - анализ многомерных данных
МГК- метод главных компонент
ПЛС - проекция на латентные структуры
ГК - главная компонента
а - напряжение
t - время
О) - параметр поврежденности
Н - ядро ползучести
бс - деформация ползучести
а - деформация, возникающая от наличия поврежденности
Т- температура
/л - коэффициент Пуассона
Wu - уровень деструкции
Wu0 - уровень деструкции на поверхности, подвергаемой
Воздействию атмосферных факторов Е- модуль упругости е- деформация упругости у - интегральная интенсивность воздействия атмосферных факторов
hw- глубина проникновения деструкции и1 - интенсивность напряжений [К] - глобальная матрица жесткости {Р} - вектор внешних узловых сил {[/} - вектор поля узловых перемещений [D] - матрица упругих постоянных для плоского деформированного состояния
ук - параметр чувствительности к деструкции
кх - коэффициент светопроницаемости светозащитного слоя
t - долговечность
Введение к работе
Актуальность темы. Со времени широкого внедрения и бурного развития мягких оболочек (пневматических и тентовых сооружений) прошло более 50-ти лет. С тех пор значительно расширилась область применения мягких оболочек (МО) как строительных сооружений, накопился опыт их эксплуатации, развились теории расчета и формообразования, были сформулированы требования и разработаны новые эффективные материалы ограждений. Но на сегодняшний день остаются малоизученными вопросы долговечности и прогнозирования срока службы этих материалов, которые являются в основном полимерными композитами с тканой армирующей основой из высокопрочных синтетических нитей и высокоэластичной полимерной матрицей. Напряженно-деформированное состояние является основой существования МО, и их расчет, базирующийся на теории осреднения, производится по главным растягивающим нагрузкам. Однако изучение многочисленных аварий МО показывает, что локальные разрывы материалов ограждений во многих типах сооружений, находившихся определенное время в эксплуатации, как правило, не совпадают ни с одним из мест наибольших растягивающих усилий, найденных в результате расчета. Другой аспект - срок службы этих типов строительных сооружений, который в зависимости от назначения, условий эксплуатации, технических и экономических требований может составлять от 2-Зх до 30-40 и более лет. В то же время технологи - разработчики материалов МО не имеют какого-либо инструментария для проектирования данных композиционных материалов с заданной долговечностью.
Диссертационная работа выполнена в рамках научно-исследовательских тем, разработанных на кафедре строительных материалов Казанского государственного архитектурно-строительного университета, в соответствии с программами «Архитектура и строительство» в 1994 - 2004 гг. (№ г.р. 01940004683, 01990007669, 01200115266), работ, выполненных по плану НИР РААСН и межотраслевой программы сотрудничества Минобразования РФ и Спецстроя РФ «Наука, инновации, подготовка кадров в строительстве» на 2001-2005 гг. (№ г.р. 01200311307).
Цель и задачи исследования. Целью работы является развитие научных основ прогнозирования и повышения долговечности материалов мягких оболочек, а также разработка инструментария для проектирования материалов с заданными свойствами.
В соответствии с поставленной целью определены следующие задачи:
1. Выявить механизм разрушения материалов МО в условиях эксплуатации.
Разработать методы и аппаратный комплекс для моделирования факторов ответственных за разрушение материалов МО.
Разработать методологию моделирования процессов старения и разрушения, а также прогнозирования долговечности материалов МО.
Разработать математические модели процессов старения и разрушения материалов МО.
Разработать конструкционно-технологические рекомендации по повышению долговечности материалов МО.
Научная новизна работы. Разработаны теоретические основы прогнозирования и повышения долговечности материалов МО.
Разработана методология моделирования процессов старения и разрушения материалов МО, базирующаяся на содержательном и формальном моделировании.
Разработана математическая модель процессов разрушения материалов МО, учитывающая структурную механику, вязкоупругие свойства и ползучесть полимерной матрицы композита, деструкцию и накопление в ней микроповреждений, а также интенсивность воздействия эксплуатационных факторов и атмосферостойкость самого материала.
На основе проекционных математических методов разработана многомерная модель процессов, вызывающих изменение эксплуатационных свойств материалов МО, позволяющая выделить в больших массивах данных физико-механических параметров композита скрытые (латентные) переменные, анализировать связи, существующие в исследуемой системе, а также прогнозировать изменение свойств материала, таких как прочность, модуль упругости, цвет, блеск, коэффициент светопропускания и др.
Разработан компьютерный инструментарий - структурно- имитационная модель материалов МО, которая позволяет рассчитывать и визуализировать кинетические процессы, происходящие в структурных составляющих композита в период эксплуатации: распределение напряженно-деформированного состояния, поврежденность и деструкцию. Модель позволяет рассчитывать долговечность материалов МО при варьируемых геометрических и физико-механических параметрах структурных составляющих композита.
Выявлен механизм разрушения материалов МО в напряженно-деформированном состоянии под воздействием атмосферных факторов, заключающийся в структурной перестройке армирующей основы, которая вызывает локальные зоны перенапряжений в полимерной матрице композита с образованием в ней сквозных трещин, через которые далее происходит прямое воздействие атмосферных факторов на армирующую основу и ее разрушение.
Установлены закономерности изменения физико-механических свойств материалов матрицы исследуемого композита в зависимости от ее состава и толщины, а также от интенсивности воздействия эксплуатационных факторов.
Основные положения, выносимые на защиту: теоретические положения прогнозирования и повышения долговечности материалов МО; - методология моделирования процессов старения и разрушения материалов МО в условиях эксплуатации; математические модели процессов старения и разрушения материалов МО; методы прогнозирования эксплуатационных свойств материалов МО; механизм разрушения материалов МО в напряженно-деформированном состоянии под воздействием атмосферных факторов; закономерности изменения физико-механических свойств материалов матрицы композита в зависимости от состава и интенсивности воздействия эксплуатационных факторов; - методы повышения долговечности материалов МО. Практическая значимость работы. Предложен общий методологический подход для моделирования процессов старения и разрушения материалов МО в атмосферных условиях эксплуатации.
Разработан программный продукт для компьютерного проектирования материалов МО с заданной структурой и свойствами - «Структурно-имитационная модель - КОМПОЗИТ» № 6109 от 10.05.2006.
Разработаны практические рекомендации по повышению долговечности материалов МО.
Разработаны и внедрены методики и аппаратурный комплекс для исследования и прогнозирования эксплуатационных свойств материалов МО.
Внедрение результатов исследований. Теоретические положения диссертационной работы, а также результаты экспериментальных исследований используются в учебном процессе при подготовке инженеров по специальности 290300, что отражено в типовой программе дисциплины «Долговечность строительных материалов».
Методологические основы исследования старения и прогнозирования эксплуатационных свойств полимерных строительных материалов использованы при разработке межгосударственного стандарта ГОСТ 30 973-2002 «Профили поливинилхлоридные для оконных и дверных блоков. Метод определения сопротивления климатическим воздействиям и оценки долговечности». «Методика и установка ускоренных испытаний резино-тканевых материалов» внедрены в Загорском филиале НИИРП. «Рекомендации по повышению качества и увеличению сроков службы прорезиненных тканей для крупногабаритных пневматических сооружений» внедрены на Уфимском заводе РТИ. «Методика проектирования пневмоэлементов спецназначения с высокой точностью формы» внедрена в НПО «Вектор».
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы представлялись и докладывались на ежегодных конференциях КГАСУ (Казань, 1986-2005), а также на конференциях общероссийского и международного уровня, таких как: Дальневосточная конференция по мягким оболочкам (Владивосток, 1983, 1987, 1991), Всесоюзная (Всероссийская) конференция по старению и стабилизации полимеров (Душанбе, 1989; Москва, 2001), «Эксплуатационная устойчивость материалов.П Совещание» (Звенигород. 1994), Всесоюзная конференция по механике полимерных и композиционных материалов (Рига, 1990), Международная конференция по теории оболочек и пластин (Казань, 1996); «Математическое моделирование и краевые задачи» (Самара, 2003); «Математическое моделирование в механике сплошных сред. Методы граничных и конечных элементов» (Санкт-Петербург, 2003); «Современные проблемы математики, механики, информатики» (Тула, 2003), «Вторая конференция по прикладной информатике» (Казимиш Долни, 1999), Международная школа-конференция «Современные методы анализа многомерных данных» (Черноголовка, 2005; Самара, 2006), «Теория и практика повышения долговечности и эффективности работы строительных конструкций с/х зданий и сооружений» (Челябинск, 1985), «Фундаментальные исследования и новые технологии в строительном материаловедении» (Белгород, 1989), «Современные проблемы строительного материаловедения» (Казань, 1996), «Актуальные проблемы строительного материаловедения. Третьи академические чтения» (Саранск,1997), «37 международный семинар по моделированию и оптимизации композитов - МОК'37 (Одесса, 1998), «Полимеры в строительстве. Первые научные чтения» (Казань, 1999), «Наука, инновации, подготовка кадров в строительстве на 2001-2005гг.» (Москва, 2003, 2004), Академические чтения РААСН, посвященные 75-летию со дня рождения Ю.М.Баженова (Белгород, 2005);
Достоверность результатов работы подтверждается соответствием численного моделирования процессов старения и разрушения материалов МО результатам физических экспериментов, сходимостью большого количества экспериментальных данных, полученных в лабораторных условиях и при натурных испытаниях, использованием аттестованного аппаратурного комплекса.
Личный вклад автора. Автором самостоятельно сделана постановка задачи, а также разработана программа теоретических и экспериментальных исследований. Разработан и изготовлен экспериментальный аппаратурный комплекс, включающий ряд установок, а также созданы методики для их аттестации. Проведены все экспериментальные исследования, сделан анализ результатов и выявлены закономерности старения и разрушения материалов МО. Разработаны методы повышения долговечности материалов МО.
Автор признателен д.ф.-м.н., профессору Р.А. Каюмову и д.ф.-м.н. А.Л.Померанцеву за совместную работу и полезные советы.
Публикации. По теме диссертации опубликовано: 53 работы (в журналах по списку ВАК 7 статей), в том числе ГОСТ, получено 4 авторских свидетельства.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 6 разделов, основных выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 352 страницах машинописного текста, включающего 29 таблиц, 157 рисунков и фотографий, список литературы из 232 наименований и 7 приложений.
Похожие диссертации на Экспериментально-теоретические основы прогнозирования и повышения долговечности материалов мягких оболочек строительного назначения
