Размещено на http://www.allbest.ru/

Московский государственный открытый университет

На правах рукописи

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Малоцикловая прочность элементов шлюзовых ворот транспортных гидросооружений и методы продления их ресурса

Специальность 01.02.06. - Динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры

Абросимов Виктор Григорьевич

Москва - 2010

Работа выполнена в Московском государственном открытом университете

Научный консультант - доктор технических наук, профессор Москвитин Г.В.

Официальные оппоненты:

- доктор технических наук, профессор Морозов Е.М.

- доктор технических наук, профессор Дудченко А.А.

-доктор технических наук, профессор Захаров М.Н.

Ведущая организация - Федеральное Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Новосибирская Государственная академия водного транспорта (ФГОУ ВПО НГАВТ), г. Новосибирск, ул. Щетинкина, д. 33.

Защита состоится 2010 г. на заседании диссертационного совета Д 212.137.02 при Московском государственном открытом университете (МГОУ) по адресу: 107996, Москва, ул. Павла Корчагина, дом 22. Е-mail: msou@msou.ru.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГОУ.

Автореферат разослан 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Н.В. Лукашина.

Общая характеристика работы

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.), IЧ 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.

Основное содержание работы

В первой главе проводится анализ современного состояния проблем прочности, усталости и трещиностойкости конструкций шлюзовых ворот судоходных гидротехнических сооружений каналов внутренних водных путей, который показывает, что надежная работа механического оборудования в значительной степени определяется несущей способностью элементов конструкций ворот (затворов). Дается подробное описание конструкций основных видов шлюзовых ворот СГТС (двустворчатые, откатные, сегментные). Однако, при этом отмечается, что двустворчатые ворота (ДВ) являются наиболее широко (более 80 %) применяемым типом затворов. ДВ представляют собой две многоригельные сварные створки с осями вращения в вериях (рис.1.). Основные элементы створки ДВ: металлическая обшивка (1), ригели (2), створный и вериальный столбы (3), диафрагмы (4), диагональные связи (5), служебный мостик (6), створный захват (7), гальсбант (8), упорные подушки (9) и пятовое устройство (10). Конструкционный материал- сталь М16С,09Г2С, ХСНД и др.

Рис. 1.

Средняя высота створки - около 20 м; расчетный напор столба воды - приблизительно 19,5 м в зависимости от верхнего бьефа; вес - 310 т и более. Особенности конструкций, условий эксплуатации затворов зависит от положения створок ворот, которые расположены на устоях головы (рис. 2). Работа элементов конструкций затворов СГТС связана с цикличностью приложения нагрузок, обусловленных режимом эксплуатации (рис. 2).

Рис. 2.

Цикл работы ДВ двухкамерного шлюза включает следующие этапы: 1) наполнение верхний камеры до рабочего уровня; 2) перепуск воды из верхний камеры в нижнюю до выравнивания уровней воды; 3) опорожнение нижней камеры при одновременном наполнение верхний камеры до расчетного уровня (рис. 2.). Среднее число циклов слитых призм (число циклов наполнения и опорожнение шлюза) канала им. Москвы составляет 3800 - 4000 в год, а одного из Волгоградских шлюзов - 8000-12000 в навигационный период (рис. 3).

Проведен анализ причин отказов и возникновения аварийных состояний шлюзовых ворот СГТС. Этот анализ выполнен на основании детального исследования 55 аварий на затворах. Причинами данных аварий, как правило, являлись появившиеся в процессе эксплуатации (около 200) трещины, вызвавшие частичное или полное разрушения элементов конструкций.

Рис. 3.

Приведенные данные, наряду с особенностями конструкций ДВ, отличающихся наличием достаточно большого количества зон повышенной концентрации напряжений и деформации, и информация по спектру нагрузок (рис. 2,3) дают основание утверждать, что в конструкциях шлюзовых ворот СГТС, происходит циклическое накопление повреждений, приводящих к возникновению и распространению трещин, а количество циклов до разрушения соответствует диапазону малоцикловой усталости. Основная масса аварийных ситуаций (32%) происходит из-за возникновения трещин в напорной обшивке ворот, нижнем поясном уголке, нижнем ригеле, диагоналях, обшивке вереяльного столба. Эти ситуации могут возникать уже после 1-2 лет эксплуатации. Как правило, малоцикловые трещины развиваются от мест повышенной концентрации напряжений и деформаций (подрезы сварным швом, непровары, коррозионные повреждения и др.).

Проведенный обзор и анализ расчетно-аналитических и экспериментальных методов, применяющихся для оценки НДС, прочности, трещиностойкости и ресурса элементов шлюзовых ворот СГТС, показал, что в большинстве случаев расчет ведется аналогично расчету тонких пластин, жестко заделанных по двум или четырем сторонам. При этом, как правило, не учитывается реальная концентрация напряжения и деформаций, которая и приводит к появлению необратимых циклических деформаций и более интенсивному накоплению циклических повреждений. Кроме того, применение этих методов зачастую ограничено в силу их высокой стоимости, недостаточной точности и удобства применения. Показано, что наиболее приемлемыми методами для натурных исследований элементов шлюзовых ворот является тензометрические методы. Для полного анализа состояния металлоконструкции ворот требуются большие материальные затраты и время, а детальное обследование затворов можно проводить лишь в межнавигационный период.

На основании выполненных обзоров сформулированы задачи теоретического, экспериментального и численного исследований.

Во второй главе представлены научные основы исследования несущей способности элементов шлюзовых ворот при циклическом неупругом нагружении, а также рассмотрены основные особенности сопротивления конструкционных материалов деформированию, накоплению повреждений и распространению трещин в условиях эксплуатации.

Традиционные методы статической прочности изделий, основанные на оценке номинальной нагруженности, оказываются недостаточными и в ряде случаев наблюдается выход элементов из строя вследствие исчерпания ресурса по критерию малоциклового сопротивления в зонах местной нагруженности изделия. Во второй главе подробно рассмотрены особенности малоциклового нагружения. Приводятся основные понятия, характерные для этого вида нагружения. В частности показано, что в зависимости от характера и величины накопления односторонних деформаций, различают квазистатическое, усталостное и смешанное малоцикловое разрушение и описаны особенности этих видов разрушения. Приведены определения мягкого и жесткого малоциклового нагружения. Показано, что связь между циклическими напряжениями и деформациями определяется обобщенной диаграммой циклического деформирования, предложенной А.П. Гусенковым и Р.М. Шнейдеровичем.

Указывается на важные особенности поведения различных конструкционных материалов при малоцикловом нагружении, которые могут упрочняться с числом циклов (циклически упрочняющиеся), разупрочняться (циклически разупрочняющиеся) и стабилизироваться (циклически стабилизирующиеся материалы), а также на важное значение влияния степени ассиметрии цикла на сопротивление деформированию и накопление малоцикловых повреждений. Отмечается важное значение эффекта Баушингера.

В настоящей работе для описания сопротивления малоцикловому деформированию конструкционных материалов шлюзовых ворот в основном используются два подхода. Первый подход основан на применении уравнений состояния в форме В.В. Москвитина (обобщенный принцип Мазинга)

(S^(k) и е^(k) - напряжения и деформации в k - м полуцикле нагружения, отсчитываемые от точки разгрузки, ѓ - связывает напряжения и деформации при статическом нагружении, б - коэффициент материала); или уточняющего соотношения, распространенного Г.В. Москвитиным на более общие случае малоциклового нагружения

(1)

где Q, Q^(*), л - экспериментально получаемые параметры материала для четных и нечетных полуциклов нагружения.

Второй подход основан на уравнении обобщенной диаграммы малоциклового нагружения, которое в одном из упрощенных видов может быть записано следующим образом

(2)

где б, в, А, А^* - константы.

Выполненное сравнение возможностей уравнений (1) и (2) показывает, что оба подхода позволяют отразить основные особенности диаграмм малоциклового деформирования. При этом уравнение (1) при меньшей точности оказывается более простым и в связи с этим удобным для использования при решении задач оценки малоцикловой прочности элементов шлюзовых ворот.

В качестве основного критериального уравнения, определяющего момент возникновения малоцикловой трещины, в настоящей работе используется деформационно-кинетический критерий малоцикловой прочности, разработанный в ИМАШ РАН

,(3)

где N_f - количество циклов до разрушения; N_i - количество циклов, определенное при данном размахе циклической деформации по кривой усталостного разрушения в условиях жесткого нагружения, е_необр - интенсивность деформаций, односторонне накопленных в процессе статического и циклического нагружений; е_f - величина, равная значению е_необр в момент разрушения.

В соответствии с уравнением (3) предельное состояние по разрушению (образованию трещины) материалов и конструкций определяется линейным суммированием усталостных и квазистатических повреждений. Адекватность этого критерия подтверждена достаточно большим количеством экспериментальных данных по ряду конструкционных материалов и элементов конструкций. Для описания кривой усталостного разрушения используется зависимость Мэнсона-Коффина: , или Лэнджера:

,

где у_-1 - предел выносливости гладкого образца.

В заключение второй главы рассматриваются методы учета особенностей реальной эксплуатации шлюзовых ворот и влияния их на напряженно-деформированное состояние, статическую и малоцикловую прочность, интенсивность распространения трещин. При этом учитывается наличие концентрации упругопластических напряжений и деформаций, в том числе в районе сварных соединений, кинетика циклических свойств конструкционных материалов, асимметрия цикла нагружений, нестационарность приложения нагружающих факторов, наличие остаточных напряжений и деформаций, а также конструкционные, технологические и эксплуатационные факторы.

Третья глава посвящена разработке методов экспериментального исследования напряженно-деформированного состояния, кинетики накопления повреждений и распространения трещин в высоконагруженных элементах конструкций шлюзовых ворот. Выполнен анализ различных подходов к сбору и обработке результатов экспериментальных результатов по нагружающим факторам. В качестве основных рассмотрены метод максимумов, метод экстремумов, метод размахов, метод «дождя», метод полных циклов и др. Критический анализ рассмотренных подходов показал, что для условий поставленной задачи, наиболее приемлемыми являются метод «дождя» и метод полных циклов.

В этой главе рассмотрен ряд основных современных методов и средств контроля напряженно-деформированного состояния в процессе экспериментальных натурных исследований элементов шлюзовых ворот. Выполнен анализ применимости для указанных исследований метода оптически чувствительных покрытий, метода делительных сеток, метода муара и различных методов тензометрического исследования, который показал, что первые три метода оказываются малопригодными для измерения в труднодоступных зонах шлюзовых ворот (на криволинейных поверхностях, на внутренних поверхностях, на элементах, работающих в водной среде и т.д.). Таким образом, проведенный анализ показал, что для задач настоящей работы наиболее пригодными являются различные варианты тензометрических методов.

На этапе подготовки натурного эксперимента проведены:

1) анализ условий натурной тензометрии и решаемых данными исследованиями задач;

2) анализ выбора мест и схем расположения измерительных точек на исследуемой конструкции;

3) выбор типоразмеров тензодатчиков, типов активных преобразователей, схем компенсации, типов защитных устройств, способов вывода соединительных кабелей с напорной поверхности конструкций.

Эксплуатация шлюза сопровождается цикличностью его работы, причем в процессе шлюзования и перепуска воды за навигацию может быть осуществлено до нескольких тысяч циклов при практически стационарном режиме повторного нагружения, определяемом постоянством верхнего и нижнего уровней воды в камерах шлюза при каждом срабатывании. Поэтому, основными задачами измерений было определение циклической составляющей напряжений (деформаций) при эксплуатационных режимах.

В настоящей работе использовались малобазные фольговые датчики с базой 1 мм, сопротивлением 100 Ом (продольные и поперечные), соединенные последовательно между собой в цепочки. Всего было установлено около 160 тензорезисторов. Схема наклейки тензодатчиков представлена на рис. 1. Места размещений тензорезисторов в процессе натуральных исследований выбирали с учетом появлений трещин в тех или иных элементах конструкций, а также в зонах возможной повышенной концентрации напряжений. Для тензометрирования были выбраны следующие зоны (рис. 1):

1) напорная водонепроницаемая обшивка ворот в зоне приварки к двутавровым балкам стрингеров на уровне второго и третьего ригелей (зоны I и II);

2) поясной уголок нижнего ригеля вереянного столба (зона III);

3) торцевой лист напорной части вереянного столба в зоне первого и второго ригелей (зона IV и V).

Цепочки тензодатчиков, состоящих из непрерывных двухкомпонентных розеток, наклеивались на поверхности элементов в околошовной зоне по двум взаимно перпендикулярным направлениям (рис.4). Большинство установленных на элементах водонапорной обшивки и опорных конструкциях тензорезисторов работало в процессе исследований под водой.

Рис. 4.

Измерение перемещений обшивки ворот производили при помощи приборов индикаторного типа (стрелочного) с визуальным отсчетом. Индикатор неподвижно закреплялся с возможностью регулировки.

Известно, что получение информации о параметрах НДС натурных конструкций шлюзовых ворот в реальных условиях эксплуатации сопряжено со значительными трудностями материального и технического характера. С целью получения более полной информации по НДС рассматриваемых конструктивных элементов в настоящей работе был создан метод модельных экспериментальных исследований статической и малоцикловой прочности. Для проведения указанных исследований были изготовлены фрагменты натурных конструкций (шпации) и в масштабе 1:2. Данные модельные элементы испытывали в лабораторных условиях, моделирующих реальные условия эксплуатации. Условия нагружения моделировали с использованием полей перемещений, полученных в натурном эксперименте. Металл моделей соответствовал металлу шлюзовых ворот. В процессе испытаний проводилось подробное тензометрирование полей циклических упругопластических деформаций. Более подробно разработанная методика и полученные результаты представлены в главе 5 диссертации.

Очевидно, что прочность и ресурс шлюзовых ворот определяется не только представленными выше факторами, но и механическими свойствами конструкционных материалов в условиях эксплуатации. В соответствии с этим была разработана методика, оснастка, оборудование и методы обработки результатов исследования сопротивления конструкционных материалов шлюзовых ворот малоцикловому нагружению. Данная методика разработана в рамках деформационно-кинетических подходов и базируется на результатах фундаментальных исследований ИМАШ РАН, таких как обобщенная диаграмма циклического неупругого деформирования Гусенкова - Шнейдеровича и деформационно-кинетический критерий малоцикловой прочности.

Исследование характеристик сопротивления малоцикловому нагружению конструкционных сталей М16С, ст. 3сп, 09Г2С и др., проводилось с применением специальных средств и аппаратуры. При испытаниях была использована сервогидравлическая испытательная установка типа МТS, обеспечивающая нагружение образца в требуемом режиме (мягкое, жесткое, ассиметрия). Испытания выполнялись в условиях растяжения-сжатия при непрерывной регистрации параметров нагружения и деформирования. Исследования сопротивления конструкционных материалов малоцикловому нагружению проводилось как для основного материала, так и для материала сварных швов. Для случая, когда для эксплуатационных разрушений характерным является появление вертикальных трещин в зоне сварного шва обшивки, вырезка образцов проводилась в зоне сварного соединения в направлении, перпендикулярном шву, где на поверхности возникали условия повторного растяжения-сжатия.

Рис. 5

Изготовление обшивки двустворчатых ворот из металла толщиной 10 мм позволяло осуществлять вырезку образцов для испытаний на растяжение-сжатие непосредственно из листа обшивки. При этом толщина металла оказалась недостаточной для изготовления образца с требуемыми захватными частями, в связи, с чем была использована конструкция с навинчивающимися и привариваемыми по торцам головками (рис. 5).

Исследование характеристик сопротивления деформированию и разрушению металла сварного соединения представляет специальную задачу. В зависимости от технологии сварки, применяемых электродов и т.д., зоны основного металла, металла шва и термического влияния могут обладать различными статистическими и циклическими свойствами. Для получения позонных характеристик необходимо использовать методику, позволяющую проводить измерения и управление режимом нагружения в зоне, относящейся к определенному типу металла шва. Такие условия могут быть созданы при испытании корсетных образцов и измерении в минимальном сечении деформаций с помощью поперечного деформометра. Располагая корсетную часть образца в том или ином месте сварного соединения, можно получить позонные характеристики сопротивления малоцикловому деформированию и разрушению металла различных зон шва.

В четвертой главе диссертации приведены результаты, полученные соискателем при проведении исследований напряжено-деформированного состояния, малоцикловой прочности и трещиностойкости элементов шлюзовых ворот, применяемых в гидротехническом строительстве. Приведены результаты исследования реальной нагруженности основных несущих элементов шлюзовых ворот, полученные на основе разработанных методик. Рассматриваемые конструкции эксплуатируются в весьма сложных условиях воздействия нагружающих факторов, которые можно разделить на три группы: основные, дополнительные и катастрофические.

Основным видом нагружения, который рассматривается в настоящей работе, как было сказано ранее, является гидростатическое давление за счет разницы уровней бьефов. Воздействие этого давления на элементы металлоконструкций затворов носит циклический характер, связанный с выполнением соответствующих технологических операций, схематически представленных на рис. 2,3.

Рис. 6.

Приводятся результаты экспериментального исследования закономерностей сопротивления конструкционных материалов шлюзовых ворот основному виду нагружения - малоцикловому нагружению. С использованием представленного выше оборудования и разработанной методики такие исследования были выполнены для сталей М16С, ст. 3сп, 09Г2С и др. Для этих материалов представлены полученные экспериментальные данные по циклическим диаграммам деформирования (рис. 6) с учетом их кинетики и кривым усталости (было испытано более 100 образцов). По результатам этих исследований построены средние и минимальные для данного полуцикла кривые деформирования по всем испытанным сталям, а также получены кривые усталости (рис. 7). Здесь 1,2,3 - кривые минимальных, средних и максимальных значений долговечности; 4 - кривая долговечности с запасами прочности n_N = 3, n_е = 1,25.

Рис. 7.

Как показывают данные, представленные на рис. 6,7, испытанные конструкционные материалы можно отнести к циклически стабилизирующимся. Количество циклов до разрушения (появления трещины) располагается в диапазоне от 400 до 610⁵ при соответствующих значениях амплитуды циклической симметрической деформации от 2% до 0,2%, что соответствовало диапазону малоцикловой усталости.

Таблица 1

Сталь	у0,2, МПа	у0,2, МПа	у0,2/ув	д%	Ш%
М16С Ст. 3сп 09Г2С 10ХСНД 16Г2АФ	460,7 456,0 505,0 586,0 621,0	274,2 268,0 345,0 411,0 470,0	0,595 0,587 0,683 0,701 0,756	29,7 31,9 32,0 30,5 29,2	58,5 52,0 69,6 58,6 58,0

В Таблице 1 представлены полученные данные по статическим характеристикам испытанных материалов. Эти данные показывают, что названные материалы обладают достаточной статической прочностью и пластичностью.

На основе разработанной методики было проведено экспериментальное исследование полей циклических упругопластических деформаций и перемещений на ряде затворов гидротехнических сооружений канала им. Москвы (шлюз №8 и др.) и Волгоградских гидроузлов (шлюз № 30,31 и др.). В Таблице 2 представлены некоторые режимы эксплуатации шлюзов, на которых были проведены натурные исследования. Всего регистрация проведена на 31 режиме.

Таблица 2

Режимы работы шлюза	Число режимов	Количество датчиков
		Деформаций	Всего измерений
1. Снятие показаний при опорожненной камере 2. Снятие показаний в процессе наполнения камеры и опорожнения на отметках: 5 м 10 м 15, 25 м 3. Снятие показаний при "ремонтных режимах" 4. Снятие показаний при сбросе гидравлической подушки 5. Снятие показаний при наполнении камеры с нуля	1 5 5 5 5 5 5	32 32 32 32 29 29 29	32 160 160 160 145 145 145

Перед проведением тензометрирования была проведена процедура тестирования тензодатчиков и применяемой аппаратуры. Тарировку фольговых тензодатчиков проводили с помощью моста, датчики разбивали на группы по сопротивлениям в 0,1 Ом. Коэффициенты тензочувствительности определяли по 5 датчикам, взятым из партии, при помощи тарировочной балки, изготовленной из того же материала, что и обшивка ворот.

Результаты обработки проведенных тензометрических исследований представлены в диссертации в 12 таблицах, содержащих данные экспериментов по 4-м зонам. В Таблице 3 в качестве примера представлены данные по обработке результатов измерений для I,II, III и V зоны. Как показали измерения, изменения циклических деформаций от цикла к циклу не наблюдается.

Полученные величины циклических деформаций свидетельствуют о том, что материал ворот шлюза в эксплуатационных условиях в максимально напряженных местах работает за пределами пропорциональности. Выявленный в результате натурного тензометрирования уровень циклической напряженности подтверждает возможность малоциклового разрушения элементов ворот шлюза.

Таблица 3

Зона	№ датчика	Максимальная циклическая деформация, %	Размах продольной циклической деформации (средние значения), %	Размах поперечной циклической деформации (средние значения), %	Интенсивность циклической деформации, %
	1	- 0,32		0,355	0,382
	3	- 0,37
I	5	-0,375
	2	+0,055	0,05	_
	4	+0,045
	1	+0,245	--	0,233	0,235
	4	+ 0,23
	5	+0,225
II	2	- 0,08	0,09	--
	3	- 0,1
	1	- 0,205		0,195	0,344
	4	- 0,185
III	2	+ 0,33	0,345	--
	3	+ 0,36
	1	- 0,18	0,172	_	0,409
V	3	- 0,165
	2	+ 0,415	--	0,41
	4	+ 0,4

Пятая глава диссертации посвящена результатам модельных исследований НДС и малоцикловой прочности несущих элементов шлюзовых ворот. В работе выполнен ряд исследований модельных элементов с различным конструктивным исполнением сварных соединений.

Рис. 8. Модель шпации панели элемента ворот коробчатого сечения

В качестве модельных элементов использовались шпации (рис. 8), геометрически подобные натурным, с масштабом моделирования 1:2 и плоских образцов (рис. 9). Для изучения характеристик деформирования и разрушения исследуемых моделей были проведены испытания достаточно большого количества объектов. В качестве испытательных машин были использованы установки типа УМ-4 и УРС-50.

Рис. 9. Модельный элемент для проведения испытаний на прочность и ресурс

Для фиксации модели на машине было сконструировано специальное приспособление, крепящееся к станине испытательного оборудования (рис. 10). Принудительный захват водонапорной обшивки в центре модели позволял задавать пластине нужное отнулевое перемещение различной величины. Модель к раме крепилась несколькими болтами, что создавало ей жесткое защемление. Чтобы избежать перемещений полок модели под нагрузкой, на них наваривали ребра жесткости с обеих сторон, достигая условий деформирования, характерной для натурной конструкции. Центрирование и крепление моделей и плоских образцов обеспечивалось специальной направляющей рамой.

Рис.10. Схема испытаний на прочность и ресурс.

В процессе нагружения регистрировались перемещения и деформации обшивки модели. Деформацию измеряли тензорезисторами с малой базой (1,0 мм). Для записи сигналов с тензорезисторов использовали автоматический измеритель деформаций с цифропечатающим устройством. Перемещения фиксировали прибором часового типа, установленным непосредственно вблизи перемещающегося штока, что давало возможность измерять максимальное перемещение обшивки модели. Цепочки тензорезисторов с прямоугольными розетками устанавливали вблизи сварных швов и на противоположной стороне водонапорной обшивки в зонах максимальных перемещений. Для моделей это соответствовало середине длинной стороны. шлюзовый ворота нагружение

Для определения главных деформаций е₁ и е₂ тензорезисторы устанавливали максимально близко к основанию валика сварного шва. Испытанию подвергались следующие типы моделей и плоских образцов с различными видами сварных соединений:

тип 1 - модель с приваренной обшивкой толщиной 5 мм, внахлест с балкой № 12; перемещение 1,5 мм, 3 мм, 5 мм и 6 мм;

тип 2 - модель с приваренной обшивкой толщиной 5 мм, встык с балкой № 12; перемещений 1,5 мм, 3 мм, 5 мм и 6 мм;

тип 3 - модель с приваренной обшивкой толщиной 5 мм, встык с балкой № 12 со снятым механическим способом усилением сварного шва с напорной стороны; перемещения 1,5 мм, 3 мм, 5 мм и 6 мм;

тип 4 - модель с приваренной обшивкой толщиной 5 мм, встык с балкой № 12 со снятым усилением сварного шва (валика) механическим способом с обеих сторон; перемещение 1,5 мм, 3 мм, 5 мм и 6 мм.

В таблице 4 в качестве примера приведены данные экспериментальных исследований малоцикловой прочности образцов шпаций, моделирующих технологию сварки встык.

Таблица 4

Д мм	еi max, %	еi max, % средн.	Nтр, циклы	Nтр, средн. циклы
6,0 6,0 6,0 6,0 6,0	0,413 0,405 0,409 0,408 0,398	0,4066	3056 3074 3250 3388 3167	3187
5,0 5,0 5,0 5,0 5,0	0,311 0,301 0,298 0,283 0,286	0,2958	5516 5009 6533 5855 7119	6006,4
3,0 3,0 3,0 3,0 3,0	0,250 0,251 0,232 0,231 0,210	0,2348	10086 12132 11096 14060 16831	12840,2
1,5 1,5 1,5 1,5 1,5	0,154 0,171 0,162 0,143 0,153	0,1546	90653 79150 88730 100900 71665	86219,6

Во время испытаний был отмечен общий характер развития трещин под действием повторно - статической нагрузки. Все они начинали развиваться от подреза, сделанного сварным швом в основном металле. Место разрушения моделей находилось в средней части длинной стороны. Количество циклов нагружения, при которых появлялись поверхностные трещины и число циклов до образования сквозных разрушений приведены в 5-ти таблицах диссертации. Эти данные получены при испытании образцов шпаций, моделирующих технологию сварки внахлест, технологию сварки внахлест (первый ремонт без разделки трещины), технологию сварки внахлест (второй ремонт с разделкой трещин), технологию сварки встык и технологию сварки встык (первый ремонт без разделки трещины). На рис. 11 показаны данные об экспериментальных полях деформаций для рассматриваемой модели по параметру приложенного перемещения и кривые малоцикловой усталости данного образца.

Рис. 11

Проведенное тензометрирование позволило отметить ряд характерных особенностей распределения деформаций в зонах усталостного разрушения исследованных объектов:

1. Максимальные деформации е₁ в моделях обнаружены в направлении меньшей оси прямоугольной пластины водонапорной обшивки. Имеется значительный градиент в этом направлении деформаций по мере удаления от основания сварного шва. Характерным также является местное увеличение рассматриваемых деформаций в центральной части пластины в зоне приложения нагрузки. Измеряемая прямоугольными розетками тензорезисторов вторая компонента деформации на поверхности в направлении большей оси прямоугольной пластины, оказывается существенно меньше, чем е₁. Уровень этих деформаций е₂ в зоне сварного шва составляет порядка 0,1 %, что по сравнению с первой компонентой в 3-4 раза меньше. По мере приближения к центру пластины в зоне местного увеличения деформаций в центре пластины начинается рост компоненты деформаций в направлении большей из осей. В результате этого достигаются значения е₂, соизмеримые с компонентой деформации е₁ в направлении меньшей оси. Значения е₃ в зоне сварного шва были на порядок меньше деформаций е₁ вдоль меньшей из осей, а в центре достигали значений порядка удвоенной максимальной деформации. Знак е₃ противоположен знаку е₁. Таким образом, по результатам измерений в моделях первая главная деформация оказывается в направлении меньшей оси пластины, вторая - в направлении большей оси, а третья - по направлению толщины пластины.

2. Для плоских образцов (рис. 9) характер распределения деформаций в зоне сварного шва соответствует НДС модели в той же зоне, причем компонента поперечной деформации (в направлении ширины пластины) практически равняется нулю, в связи с чем, деформация е₃ приблизительно равняется е₁, но с противоположным знаком. Указанное относится к измерениям в середине по ширине образца. По мере приближения к краям образца е₁ остается постоянной, а е₂ около края несколько возрастет, достигая значений порядка 0,15 %.

Следует подчеркнуть, что при распространении усталостных трещин на моделях характерным было их развитие в длину до 250-300 мм, после чего разрушение начинало развиваться по основному металлу, отходя от зоны сварного соединения. Период развития трещин до окончательного разрушения составлял 5-10 тысяч циклов. В отличие от моделей у плоских образцов после образования поверхностных макротрещин разрушение интенсивно распространялось по длине и толщине сечения, причем период от момента образования трещины до окончательного разрушения составлял порядка 500 циклов.

Шестая глава диссертации посвящена вопросам построения, адаптации и верификации численных методов для исследования напряженно-деформированного состояния, прочности и ресурса элементов шлюзовых ворот. Необходимость разработки и широкого применения таких методов определяется большими временными, энергетическими и финансовыми затратами на проведение не только натурных, но и модельных экспериментальных исследований. Кроме того, в упомянутых экспериментах не всегда удавалось наклеить датчики именно в местах наибольшей концентрации напряжений и деформаций, что снижало точность результатов исследования. Для выполнения целей и задач, поставленных в работе, был применен метод конечных элементов в двумерной и трехмерной постановке с учетом циклической работы материала в зоне концентрации за пределами упругости.

Первоначально рассматривалась задача о НДС створки шлюзовых ворот в реальных условиях эксплуатации. Указанная створка моделировалась соответствующей пластиной с жесткой заделкой по контуру. Численное исследование НДС створки шлюзовых ворот показало, что наиболее опасными зонами этой конструкции с точки зрения образования малоцикловых трещин являются зоны, расположенные около вереяльных и створных столбов. В этих зонах значения полученных деформаций отличались от соответствующих значений в менее нагруженных зонах ворот в 5 и более раз. Полученные в процессе решения указанной задачи значения усилий и перемещений были использованы в качестве одной из групп исходных данных в задачах об определении величин коэффициентов концентрации напряжений и деформаций в зонах возможных технологических, эксплуатационных, ремонтных и других видов дефектов. В качестве таких задач рассмотрены задачи о НДС шпаций, полученных с применением различных видов сварных соединений.

Расчетная схема шпаций, полученных с применением сварки встык, и соответствующая конечно-элементная сетка представлена на рис. 12 (а, б). Расчетная схема шпаций, полученных с применением сварки внахлест, представлена на рис. 12 (в).



Рис. 12

Как видно из представленных рисунков, основным видом нагружения в этих задачах, является распределенная нагрузка в виде давления, а в качестве краевых условий на левом и правом граничных контуров рассмотрены случаи полужесткого защемления. Известно, что на практике при производстве сварных работ наблюдаются различные дефекты сварки. При этом основным (по частоте обнаружения) дефектом является так называемый подрез. Расчетная схема шпаций с подрезами и соответствующая конечноэлементная сетка представлена на рис. 12 (г).

Как показывают представленные схемы дискретизации исследуемой части узла сварного соединения, сетка сгущена к точке у основания сварного шва в соответствии с увеличением градиента напряжений и деформаций при приближении к контуру. В целях получения достоверных значений компонент напряжений и деформаций, а также для сравнения результатов численного анализа с экспериментальными данными, полученными методом малобазной тензометрии, необходимо в окрестности концентратора напряжений от сварки провести интенсивное сгущение сетки конечных элементов.

На рис. 13 (а-г) показаны результаты проведенного численного исследования полей упругопластических деформаций для расчетных моделей, представленных на рис. 12. В дополнение к расчетным схемам с жесткой заделкой использованы также расчетные схемы с консольными схемами нагружения. Данные решения, представленные в виде изолиний деформаций, показывают значительную концентрацию деформаций в окрестности сварного шва в точке сопряжения валика шва с основным металлом.

Рис. 13.

Полученные расчетные данные показывают, что величины максимальных деформаций в зоне шпаций, непосредственно прилегающих к дефектам сварки типа подрезы, могут отличаться от соответствующих значений в шпациях без подрезов в 2 и более раза. Конкретное значение максимальных деформаций в рассматриваемых зонах шпаций определяется геометрией сварного соединения, величинами нагрузочных параметров и свойствами конструкционных сталей.

На рис. 14 представлены сводные данные по результатам численного исследования НДС шпаций с различными видами сварных соединений, имеющими место в реальной конструкции шлюзовых ворот. Видно, что исследование НДС было проведено для нахлесточных сварных швов с газосварочным оплавлением (1), нахлесточных сварных швов без оплавления и подреза (2), сварных швов встык со сварным валиком (3), сварных швов встык со снятием сварного валиком (4), нахлесточных сварных швов второго ремонта без снятия сварного валика (5), нахлесточных сварных швов второго ремонта со снятием сварного валика с напорной стороны (6), сварных швов встык с оплавлением сварного валиком с напорной стороны (7), сварных швов встык после первого ремонта без оплавления (8), сварных швов встык после второго ремонта с оплавлением сварного валика с напорной и ненапорной стороны (9).

Рис. 14.

Представленные данные показывают, что наибольшим ресурсом обладают шпации с нахлесточными сварными швами после газосварочной обработки (1). Так, при циклическом отнулевом перемещении средней части такой шпации, равном 3 мм, количество циклов до образования микротрещины составило 310⁵. Наименьший ресурс показали шпации с нахлесточными сварными швами второго ремонта без снятия сварного валика (5). При том же значении циклического перемещения ресурс такой шпации составил всего 210³ циклов. Таким образом, установлено, что вид сварного соединения оказывает весьма сильное влияние на ресурс рассматриваемых элементов шлюзовых ворот. Снижение ресурса, при этом может составлять два порядка и больше по числу циклов нагружения.