Содержание к диссертации
ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ 7
ВВЕДЕНИЕ 8
1. ОБЗОР, И АНАЛИЗ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ ПО ВЛИЯНИЮ РАДИАЦИОННЫХ СРЕД НА ПОВЕДЕНИЕ МАТЕРИАЛОВ И КОНСТРУКЦИЙ. МЕТОДЫ ПОСТРОЕНИЯ
РАСЧЁТНЫХ СХЕМ , 13
Ы. Радиационные среды н некоторые особенности их воздействия на
материалы и конструкции 13
LLL Воздействие радиационных сред на конструкции железобетонных и металлических ёмкостей, предназначенных для хранения радиоактивных
отходов 14
1.1,2. Основные дифференциальные и интегральные характеристики поля радиационного излучения, воздействующего на материал
конструкции 18
L13. Характеристики параметров, определяющих радиационное
воздействие на материалы и элементы конструкций 21
1.2. Влияние радиационных сред на прочностные и деформационные
характеристики материалов 24
1.2. L О методике проведения экспериментов по изучению влияния
облучения на механические свойства бетонов 24
L2.2. Влияние радиационного облучения на механические характеристики
бетонов 25
1,2.2,1. Линейные деформации бетонов 26
Прочность и модуль упругости бетонов 27
Термическое расширение бетонов 28
L23. Основные механические характеристики бетонов со стальным
ломом 30
L2.4. Анализ экспериментальных исследований по бетонам и
конструкции из них 32
1.3. Влияние радиационных сред на механические характеристики
металлов 34
L3.L Основные эффекты, вызванные нейтронным облучением
опредёляюгцие работоспособность конструкционных металлов 35
L3.2. Влияние облучения на кратковременные механические
характеристики 36
1,3.2Л, Диаграмма растяжения и изменение модуля упругости металлов
под влиянием нейтронного облучения 36
13.2.2 Изменение условного предела текучести^ предела прочности при
нейтронном облучении нержавеющих сталей 37
1,3.2,3- Изменение характеристик кратковременной прочности в
зависимости от температуры 39
1,3-2-4. Изменение пластических свойств сталей и сплавов под влиянием
нейтронного облучения 40
1,3,2.5. Высокотемпературное радиационное охрупчивание сталей 42
1-3-2,6. Низкотемпературное радиационное охрупчивание сталей 43
1.3.3, Влияние облучения на длительные механические характеристики.... 44 1.3.3.1. Зависимость радиационного распухания конструкционных сталей
от дозы и температуры облучения 44
1,33.2. О методике проведения экспериментов по изучению влияния
облучения на сопротивление ползучести и длительную прочность 48
1.3.3.3, Изменения сопротивления ползучести облучаемых сталей и
сплавов 49
1,3-3,4, Длительная прочность облучённых сталей и сплавов 52
L3.3.5, Влияние вида напряжённого состояния на длительную прочность
стали в условиях реакторного облучения 53
1.4. Расчётные схемы и методы расчёта, используемые в задачах
строительной механики конструкций, взаимодействующих с
радиационными средами 55
ВЫВОДЫ ПО 1 ГЛАВЕ 109
2. МОДЕЛИРОВАНИЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИЙ С УЧЁТОМ
ВОЗДЕЙСТВИЯ РАДИАЦИОННЫХ СРЕД 111
2.1, Математическое моделирование процесса деформирования и разрушения элементов конструкций с учётом радиационных
эффектов 111
2.LL О существующих подходах к описанию поведения элементов
конструкций с учётом совместного воздействия радиационных и
агрессивных сред 111
Модель деформирования элемента конструкции с учётом воздействия радиационных сред 115
Параметры, описывающие процесс разрушения элемента
конструкции, подверженного воздействию радиационных сред 116
2. L 4, Модели, описывающие изменение дозы облучения (флюенса)
нейтронного потока по объему конструкции 118
2.1.5. Модели, описывающие изменение радиационных деформаций 121
2,2- Построение модели деформирования материалов с учётом
воздействия радиационных сред 123
2.3. Физические соотношения для случая сложного напряженного
состояния 125
2.4. Модель деформирования толстостенной цилиндрической
оболочки из нелинейного материала в условиях радиационного
воздействия и неравномерного поля температур 127
2.5. Верификация построенной модели деформирования
толстостенной цилиндрической оболочки - 130
2.6. Деформирование и долговечность изгибаемого бруса в условиях
радиационного облучения 132
2.7, Модель деформирования армированного конструктивного
элемента, находящегося в плоском напряженном состоянии и
подвергающегося радиационному облучению 137
2J.L Физические соотношения для дисперсно-армированного материала
(фибробетона) 138
2.7.2. Физические соотношения для направленно армированного
материала (железобетона) , 139
2.8. Методика идентификации построенных моделей по
экспериментальным данным 141
2.8. L Определение коэффициентов модели для фибробетона 141
2.8.2. Определение коэффициентов модели для бетона 144
2.9. Разрешающее уравнение фибробетонной пластины в условиях
радиационного облучения 146
2.10. Осесимметричное деформирование направленно армированной
оболочки в условиях радиационного облучения 150
ВЫВОДЫ ПО 2 ГЛАВЕ 165
3. ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ НАПРЯЖЕННОГО
ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ
КОНСТРУКЦИЙ В УСЛОВИЯХ РАДИАЦИОННОГО
ОБЛУЧЕНИЯ 167
Сводка основных уравнений для расчёта прямоугольной дисперсно-армированной пластины с учётом радиационного облучения 167
Методология и алгоритм расчёта пластины при действии нагрузки и радиационного облучения 170
3.3. Применения метода сеток к решению разрешающего
дифференциального уравнения пластинки 175
3.4. Верификация задачи расчёта нелинейной разно модуль ной
пластины 180
6
3,5. Анализ напряжённо-деформированного состояния прямоугольной
фибробетонной пластины в условиях радиационного облучения 184
3.5.1. Анализ результатов расчёта пластины при совместном действии
нагрузки и радиационного облучения в случае, когда радиация действует
на верхнюю сторону пластины 185
3.5.2. Анализ результатов расчёта пластины под действием нагрузки и
радиационного облучения для случая, когда радиация действует на
нижнюю сторону пластины 193
3.5.3. Анализ результатов расчета пластины, лежащей на упругом
основании, под действием нагрузки и радиационного облучения 198
3.5.4. Анализ результатов расчета пластины под действием
неравномерной нагрузки и радиационного облучения 201
ВЫВОДЫ ПОЗ ГЛАВЕ 223
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИИ 224
ЛИТЕРАТУРА \ 227
ПРИЛОЖЕНИЕ 251
ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ
Ф — флюенс, доза облучения, (интегральная доза облучения), нейтрон/см2,
/— интенсивность потока нейтронов, нейтрон/(см2 сек),
Єф — радиационное распухание,
t - время,
Т— температура, С
-деформация,
о-- напряжение,
у/— секущий модуль,
Е — модуль упругости,
у— коэффициент Пуассона,
х, у, z - координаты,
Ре_ Рн - внутренние и наружное в оболочке давления соответственно,
гв. гн — внутренний и наружный радиусы оболочки соответственно,
г,О, z -координаты,
X— кривизна,
z0 - координата нейтральной оси пластины,
W— прогиб.
Условные обозначения, не вошедшие в список, пояснены в тексте диссертации.
Введение к работе
Актуальность темы. Значительная часть зданий и инженерных сооружений, возведённых из композиционных материалов (бетона и железобетона), подвергается воздействию не только эксплуатационных нагрузок и температуры, но и воздействию агрессивных и радиационных сред. Многочисленные результаты экспериментальных исследований и натурных наблюдений свидетельствуют о том, что воздействие радиационных факторов
Т приводит к существенным изменениям механических свойств материала
конструкции, а в некоторых случаях к изменению работы самой конструкции.
1\ По мере воздействия радиации изменяются свойства и матрицы и арматуры,
происходит распухание материалов- В результате напряженное состояние конструкции изменяется, а срок жизни уменьшается. Многие конструкции в последнее время оказались в зоне воздействия радиационных факторов. К примеру, конструкции в зоне действия последствий аварии на Чернобыльской АЭС, различные несущие конструкции ядерных реакторов, конструкции могильников и хранилищ, служащих для складирования отработанного топлива и захоронения других радиоактивных отходов. Все эти конструкции должны удовлетворять нескольким требованиям:
— обеспечение защиты объектов от отрицательного воздействия
радиационных факторов;
- обеспечение необходимой прочности и долговечности элементов
конструкций на определённый период эксплуатации.
/* Так как под влиянием радиационного облучения изменяется напряжёипо-
деформированное состояние элементов конструкций, то для прогнозирования этого изменения необходимо иметь расчётные модели и методы расчета, учитывающие отрицательное воздействие радиационных факторов.
Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы является развитие теории расчёта пластинчатых конструкций в условиях радиационного облучения, включая разработку модели и методики расчёта, а также исследование поведения некоторых элементов конструкций (пластин,
оболочек) из армированного материала с учётом наведённой и изменяющейся неоднородности, вызванной воздействием радиационных сред.
Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи:
- провести анализ и систематизацию экспериментальных данных по
влиянию радиационных сред (нейтронного облучения) на поведение
материалов и конструкций и методов построения расчётных схем;
провести моделирование напряжённо-деформированного состояния (дисперсно-армированных) пластинок и армированных оболочек из разномодульных материалов с учётом воздействия радиационных сред;
разработать методику расчёта, алгоритм, программу и выполнить численное моделирование напряжённо-деформированного состояния прямоугольной дисперсно-армированной (фибробетоипои) пластины в условиях радиационного воздействия;
провести анализ эффектов, вызываемых в материале пластины совместным действием нагрузки и радиационной среды.
Научная новизна работы:
проведена систематизация экспериментальных данных и выполнен анализ эффектов, вызываемых в материалах радиационным воздействием, и показано, что под воздействием радиационного облучения происходит значительная деградация свойств материалов;
построена модель деформирования толстостенной цилиндрической оболочки из нелинейного материала в условиях радиационного воздействия и неравномерного поля температур; произведена верификация этой модели;
- построены модели деформирования армированного (фибробетонного и
железобетонного) конструктивного элемента, находящегося в плоском
напряжённом состоянии и подвергающегося радиационному облучению;
- проведена идентификация моделей на основе экспериментальных данных по деформированию фибробетона и бетона;
- получены соотношения модели деформирования дисперсно-армированной пластины в условиях радиационного облучения;
— получены модели осесимметричного деформирования армированной цилиндрической оболочки в условиях радиационного облучения;
— разработаны методика, алгоритм, программа и выполнено численное
исследование поведения дисперсно-армированной (фибробетонной) пластины
ч с учетом совместного действия нагрузки и радиационной среды.
Практическая ценность и реализация результатов состоит в разработке методики, алгоритма и программы расчета элементов конструкций из разномодульного материала с учетом радиационного воздействия. Результаты могут использоваться научными и проектными организациями при расчете и прогнозировании поведения элементов конструкций с учетом влияния радиационной среды.
Достоверность результатов работы подтверждается сопоставлением результатов расчета по предложенным математическим моделям с некоторыми экспериментальными данными; сопоставлением полученных результатов расчетов напряженно-де формированного состояния с данными, полученными другими авторами, и решением ряда тестовых задач.
Публикации. Основные результаты диссертационной работы
^ опубликованы в 12 работах.
Апробация работы. Основные результаты работы обсуждались на:
Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы
s' строительства и строительной индустрии» (Тулаэ 2000 - 2001 гг.);
межвузовской конференции «Разработка методов расчёта, диагностику проектирования, строительства, эксплуатации существующих и вновь создаваемых сооружений» Саратовского государственного технического университета (Саратов, 2001г.); 11-м Российско-Украинском Симпозиуме «Новые информационные технологии в решении проблем производства, коммунального хозяйства, экологии, образования, управления и права»
11
(Пенза» 2002і\); Международной научно-технической конференции
«Эффективные строительные конструкции: теория и практика» (Пенза,
2001 г.); 3-й Международной научно-технической интернет конференции
«Актуальные проблемы строительства и строительной индустрии» (Тула,
2002г.); на студенческой научно-практической конференции «Молодые
специалисты железнодорожному транспорту» (Саратов 2002п). В полном
,ц,\ объеме работа докладывалась на расширенном заседании кафедры "Мосты и
транспортные сооружения" Саратовского государственного технического
университета в октябре 2003 года.
У*
Обьем работы- Диссертация объемом 162 страницы машинописного
текста, состоит из введения, трех глав, основных результатов и выводов,
списка использованной литературы из 237 наименований, приложения,
включает 191 рисунок, 16 таблиц.
В первой главе диссертации приведен обзор работ, посвященный анализу
экспериментальных данных по влиянию радиационных сред на поведение
материалов и конструкций, и методов построения расчётных схем.
Достаточно подробно рассмотрено влияние радиационного облучения на
длительные и кратковременные механические характеристики металлов.
Проанализированы существующие модели, методы расчёта и расчётные
^i схемы, используемые в задачах строительной механики конструкций,
взаимодействующих с радиационной средой.
f Во второй главе диссертационной работы рассматриваются вопросы,
связанные с построением и исследованием модели дисперсно-армированной (фибробетонной) пластины и армированной цилиндрической оболочки, подвергающихся радиационному воздействию. Приводится исследование деформирования и долговечности изгибаемого бруса в условиях радиационного облучения. Произведена идентификация и верификация построенных моделей.
Третья глава диссертационной работы посвящена вопросам расчета на
пряженно-деформированного состояния дисперсно-армированной
(фибробетонной) пластины под воздействием нагрузки в условиях
радиационной среды. Приводятся и анализируются результаты численных
экспериментов.
В заключении и общих выводах формулируются основные результаты работы.
На защиту выносятся:
- результаты анализа экспериментальных данных по влиянию
радиационных сред на механические характеристики материалов и поведение
конструктивных элементов;
- модели деформирования разномодульного армированного
конструктивного элемента, находящегося в плоском напряжённом состоянии
и подвергающегося радиационному облучению (фибробетоп, железобетон);
- модель деформирования фибробетонной пластины с учетом воздействия
радиационной среды;
модель осесимметричного деформирования армированной оболочки в условиях радиационного воздействия;
методика, алгоритм и результаты численного анализа фибробетонной пластины с учетом совместного действия нагрузки и радиационной среды.
Автор приносит свою искреннюю благодарность научному руководителю Заслуженному деятелю науки РФ, доктору технических наук» профессору Овчинникову Игорю Георгиевичу и научному консультанту кандидату технических наук, доценту Бочкареву Андрею Владимировичу за внимание и ценные советы, высказанные им в процессе выполнения работы.
