Проектировать и строить надежно

Прошедшая с 24 по 26 сентября 2002 г. в Минске международная конференция "Проблемы надежности машин и конструкций" ("Надежность-2002") привлекла внимание ученых и практиков из ряда стран. Авторы докладов представили на форуме Беларусь, Польшу, Россию, Украину. Кроме того, в программный комитет конференции "Надежность-2002" вошли представители Австрии, Греции, Грузии, Дании, Италии, Норвегии, США.

Основные направления работы конференции — общие вопросы теории надежности и безопасности машин, конструкций и сооружений; методы решения стохастических задач механики машин и конструкций; эффективные методы оценки показателей надежности технических объектов, находящихся под действием случайных нагрузок; численные методы и программное обеспечение для решения задач статистической механики и теории надежности; методы оптимального проектирования машин и конструкций с позиций теории надежности и безопасности; методы прогнозирования надежности и ресурса по результатам текущих наблюдений, диагностического контроля и профилактических ремонтов; вероятностное обоснование нормативных документов для расчета машин и конструкций с учетом их назначения, срока службы, степени ответственности, обеспечения безопасности.
Работа конференции велась по 4 секциям. В том числе по такому направлению как "Современные компьютерные технологии проектирования и обеспечение надежности строительных конструкций".
С рядом прозвучавших сообщений СиН со временем предполагает ознакомить своих читателей более детально. А на этот раз газета предлагает подборку тезисов докладов.

Для стержневых систем, оболочечных и массивных конструкций
Рассматривая задачу оценки безотказности и надежности строительных конструкций как статически неопределимых систем, доктор технических наук, профессор Зеленогурского университета (Польша) Петр Алявдин подчеркнул, что системы эти содержат упругопластические и/или хрупкие элементы. Конструкции могут быть стержневыми, оболочечными или массивными; они аппроксимируются дискретной конечноэлементной расчетной схемой с конечным числом степеней свободы и с двусторонними связями.
Под безотказностью понимается сохранение системой ее геометрической неизменяемости. Соответственно, отказом конструкции считается превращение ее в геометрически изменяемую или вырожденную систему вследствие выключения или разрушения определенного минимального множества элементов, называемых группой отказа. Предлагается новый метод построения групп отказа, отличающийся от известной методики большей вычислительной эффективностью и наглядностью. Он основан на результатах статического анализа конструкции: вычисляется ранг прямоугольной матрицы уравнений равновесия конструкции; ранг сопоставляется с размерами этой матрицы; находятся фундаментальные решения системы уравнений равновесия. Физически это означает выбор некоторой основной (статически определимой) системы и определение в ней векторов усилий от (лишних) неизвестных метода сил. Далее выполняется комбинаторный анализ множества полученных векторов, и их ненулевые компоненты определяют искомые группы отказа конструкции. Некоторые из этих групп отказа могут быть получены также путем решения задачи предельного равновесия рассматриваемой конструкции, что служит частичной проверкой полученного решения.
Данный метод построения групп отказа реализован в виде компьютерной программы для пространственной шарнирно-стержневой системы произвольной структуры. Программа имеет не только самостоятельное значение, но и может быть использована для оболочечных и массивных конструкций после замены их шарнирно-стержневой схемой. В результате анализа определяется характер резервирования элементов рассматриваемой конструкции, выявляется ее связность с точки зрения безотказности. Отметим, что здесь оценивается только топология и геометрия системы. Ее физические параметры (характеристики материала, жесткости элементов) и напряженно-деформированное состояние учитываются на следующем этапе анализа.
Далее оцениваются показатели надежности отдельных элементов конструкции, и строится функция надежности всей системы в целом. Рассматриваются всевозможные траектории разрушения элементов внутри групп отказа и в сочетаниях последних. При этом предполагается, что элементы в группах отказа работают как зависимые и соединенные между собой параллельно. В процессе разрушения надежность отдельных элементов зависит от состояния всей системы. Данный этап анализа является наиболее сложным и трудоемким. Для практических целей здесь используются приближенные подходы.

На всякий случай
Валентин Баженов, Сергей Зефиров и Елена Павленкова (НИИ механики Нижегородского государственного университета им. Лобачевского) подготовили сообщение "Деформирование и разрушение кирпичной кладки при взрывном нагружении. Предлагается конечно-элементная методика расчета статически нагруженной кирпичной кладки при нестационарных динамических воздействиях различного вида (ударных, взрывных, сейсмических), позволяющая учитывать прочность раствора и кирпича на растяжение и сдвиг, описывать геометрически нелинейное поведение кладки (большие перемещения, углы поворота, продольный изгиб) в условиях плоской деформации. Деформирование отдельных кирпичей кладки описывается соотношениями механики сплошных сред. Материал, из которого состоит кирпич, полагается изотропным и идеально упругим. За линии возможного разрушения принимаются горизонтальные и вертикальные швы кладки и продолжение вертикальных швов по перевязывающим их кирпичам. Для описания процесса взаимодействия кирпичных блоков реализована модель контакта с сухим трением (без учета прочности швов) и модель, учитывающая прочность кирпича и связующего на растяжение и сдвиг.
Для определения амплитуд ударно-волновых нагрузок, действующих на кирпичную кладку, решалась осесимметричная задача о взрыве сферического заряда тротила при помощи численной схемы Годунова, реализованной в рамках пакета прикладных программ Динамика-2. Процесс детонации взрывчатого вещества моделировался по схеме мгновенной волновой детонации.
Рассматривался процесс деформирования статически нагруженного простенка под действием взрывной нагрузки. Решение задачи осуществлялось методом конечных элементов с явной схемой интегрирования во времени. Каждая половинка кирпича покрывалась лагранжевой сеткой из четырехузловых конечных элементов. Для оценки роли прочности кирпича и связующего расчеты проводились с учетом и без учета прочности кирпича и связующего. Анализ результатов показал существенную роль прочности при массе заряда до 40 кг. На степень поврежденности кладки оказывает влияние не только масса заряда, но и уровень статической нагрузки, которая приводит к потере устойчивости и продольному изгибу столбов поврежденной взрывом кладки. Результаты расчетов сопоставляются с экспериментальными данными.

Машиностроителям, конструирующим для промышленности стройматериалов
Юрий Барабанщиков (Санкт-Петербургский государственный технический университет) предложил анализ изнашивания металлических поверхностей под действием керамической массы.
Надежность и долговечность машин и механизмов в производстве керамических изделий зачастую определяются износостойкостью рабочих органов. В связи с проблемой изнашивания в последнее время все больше внимания уделяется аспектам совместимости материалов трибосистем. В трибосистеме под совместимостью следует понимать такое сочетание свойств материалов, которое обеспечит наименьший износ металлической поверхности. Результаты экспериментальных исследований по влиянию состава и влажности керамической массы на изнашивание металлического контртела показали, что существенный резерв долговечности формующих машин заключается в оптимальных свойствах формуемой массы. В качестве критерия совместимости материалов предлагается использовать коэффициент изнашиваемости j, зависящий только от свойств материалов трибосистемы и принимающий минимальное значение при оптимальном сочетании свойств материалов. Согласно экспериментальным данным для стали Ст3, j=0,00175, а для латуни — 0,00564 г/(кНм%). Этот параметр является коэффициентом пропорциональности в уравнении износа, полученном в данной работе, и представляет собой износ при единичной нормальной нагрузке на единицу пройденного пути при влажности керамической массы, на 1% меньше порогового значения.
Пороговое значение влажности получается при вычислении постоянных параметров в уравнении износа по экспериментально установленным зависимостям интенсивности изнашивания от нормального давления, влажности керамической массы и скорости скольжения. С увеличением влажности керамической массы интенсивность изнашивания снижается, и при влажности примерно 19-20% становится равной 0. Достоверность указанного порогового значения влажности подтверждена экспериментально путем определения износа контртела под действием керамической массы с влажностью 19%.
Если нормальная нагрузка при испытании превышала 5 Н, то через 3-5 с после начала движения контртело продавливало и разрушало образец пасты. Меньшая нагрузка позволяла увеличить продолжительность опыта. Тем не менее, в процессе испытания происходило выдавливание пасты и налипание ее на свободную поверхность контртела. При этом наблюдались в основном внутренние сдвиги в пасте, и практически не было пристенного скольжения. Взвешивание контртела показало отсутствие износа, превышающего чувствительность весов (0,1 мг).
Снижение интенсивности изнашивания с увеличением влажности объясняется уменьшением нормального давления при одной и той же нормальной нагрузке в связи с ростом фактической площади контакта. Последнее обстоятельство обусловлено снижением вязкости керамической массы при увлажнении. При этом уменьшается глубина внедрения в металлическую поверхность абразивных частиц (зерен песка), содержавшихся в керамической массе в количестве около 20%. В то же время размягчение массы при увлажнении обуславливает повороты и смещение абразивных зерен под действием сил трения, уменьшая их царапающее воздействие на металл. Абразивный износ под действием керамической массы является основным видом износа. При отсутствии в керамической массе песчаной фракции износ контртела наименьший, так как исключается абразивная составляющая. Износ можно снизить уменьшением доли песчаной фракции в керамической массе или заменой песка с острыми угловатыми зернами (например, песка из отсевов дробления горных пород) на морской песок, имеющий окатанные зерна.
Увеличение скорости перемещения массы приводит к росту скорости изнашивания (износа в единицу времени), однако интенсивность изнашивания (износ на единицу пути) остается неизменной и от скорости не зависит, хотя можно было ожидать увеличения износа в результате роста динамического воздействия абразивных частиц.

К чему должен быть готов теплообменник
Большинство остановок энергетических блоков происходит вследствие поломок оборудования теплообменных аппаратов, обусловленных интенсивными вибрациями теплообменных труб и их сборок (трубных пучков).
Сотрудникам Научно-исследовательского и конструкторского института энерготехники (НИКИЭТ, Москва) и Московского энергетического технического университета Дмитрию Власову, Владиславу Сахарову, Евгению Синицыну, Виктору Чиркову и Дмитрию Шмелеву удалось учесть турбулентную составляющую гидродинамической нагрузки при численном моделировании вибраций тесных трубных пучков в поперечном потоке теплоносителя.
На основании многочисленных результатов экспериментальных исследований выявлены три основных механизма возбуждения колебаний труб в пучках, обтекаемых поперечным потоком теплоносителя: турбулентный, вихревой и гидроупругий. Первый из них имеет стохастический характер с экспериментально доказанными свойствами стационарности и эргодичности, два других — детерминированный. Построение математической модели вибраций труб во всем диапазоне скоростей потока требует одновременного учета всех трех механизмов возбуждения.
При расчете вибраций учитывались погонные детерминированные гидродинамические силы, направленные поперек и вдоль потока, включающие в себя постоянную и флуктуационную составляющие подъемной силы и силы лобового сопротивления, силу инерции присоединенной массы теплоносителя, силу гидродинамического демпфирования, гидроупругую силу.
При моделировании случайной составляющей гидродинамических сил по данным натурного эксперимента задавались значения коэффициентов случайной составляющей подъемной силы и силы лобового сопротивления и генерировались реализации случайных процессов с заданными спектральными характеристиками. В качестве безразмерного спектра пульсаций скорости принят рекомендуемый спектр документов, действующих в атомной энергетике. С его использованием посредством соотношений гидродинамики было вычислено значение энергетического спектра нагрузки.
Расчет вибраций трубных пучков проводился с использованием метода конечных элементов в форме метода перемещений. Для моделирования реализаций случайных процессов с заданными спектральными характеристиками в данной работе был выбран рекуррентный алгоритм. Был реализован датчик случайных чисел, основанный на мультипликативном конгруэнтном методе. Для получения последовательностей независимых гауссовских чисел с нулевым математическим ожиданием и единичной дисперсией использовался обратный метод в модификации Марсальи-Брея.
Разработанная математическая модель вибраций позволила с помощью численного моделирования получить реализации процессов вынужденных колебаний труб в пучке проектируемого парогенератора. После многократного воспроизведения колебательных процессов и дальнейшей их статистической обработки получены вероятностные характеристики вибраций труб, построены корреляционные функции и энергетические спектры. Это позволило получить значения частот колебаний труб в потоке теплоносителя, определить с заданной вероятностью величины виброперемещений и вибронапряжений. Оценка прочности проводилась по этим параметрам с использованием требований нормативных документов. Полученные реализации вынужденных колебаний использованы для оценки циклической прочности труб на заданном периоде эксплуатации. На заключительном этапе с использованием результатов расчетов амплитуд, напряжений, накопленного усталостного повреждения проведена оценка основных показателей надежности. Показано, что надежность функционирования трубного пучка рассмотренного парогенератора в заданный период эксплуатации близка к абсолютной.

Насколько изношен трос
Основным методом неразрушающего контроля стальных канатов является электромагнитная (магнитная) дефектоскопия. В состоянии, близком к магнитному насыщению материала контролируемого участка каната, магнитный поток прямо пропорционален площади сечения каната по металлу.
Александр Воронцов, Василий Волоховский и Александр Каган (Московский энергетический технический университет) применили статистическое моделирование к оценке несущей способности стальных канатов по данным магнитной дефектоскопии.
Измеряя уменьшение магнитного потока относительно номинального значения, можно определить потерю площади его поперечного сечения. Данный параметр характеризует износ каната, источниками которого являются истирание, коррозия и другие факторы. Существует тесная корреляция между фиксируемой потерей площади сечения и прочностью (несущей способностью) поврежденного каната. В известной степени эту корреляционную связь можно найти, принимая измеренную величину потери сечения за входной параметр механической модели, предназначенной для прочностного расчета каната. Данный параметр является интегральным; он не отражает влияния на прочность характера распределения дефектов (утраченных или оборванных проволок) по сечению каната. Рабочие канаты содержат, как правило, один или два слоя прядей и металлический или органический сердечник. Каждая прядь состоит из нескольких групп проволок. Группу составляют проволоки, имеющие одинаковые геометрические параметры: диаметр, угол укладки и радиус укладки.
Чтобы оценить несущую способность каната, необходимо вычислять напряжения в проволоках каждой группы каждой поврежденной пряди. Полный перебор вариантов распределения заданной потери сечения между прядями и группами проволок обременителен даже при машинных вычислениях.
В докладе обсуждается методика оценки остаточной несущей способности стальных канатов заданной структуры с применением статистического моделирования. Рассматривается механическая модель, предназначенная для интерпретации результатов магнитной дефектоскопии стальных канатов. Входным параметром модели служит измеряемая потеря сечения по металлу. Распределение дефектов (утраченных проволок) по прядям каната моделируется методом Монте-Карло. Даются оценки несущей способности поврежденного каната в зависимости от исходных вероятностей разрушения проволок. Приводятся картины разрушения для нижних, ожидаемых и верхних оценок несущей способности.
Как видим, тематика прозвучавших на конференции "Надежность-2002" сообщений достаточно разнообразна (даже если не рассматривать авиационной составляющей). Это подтверждает актуальность заявленной концепции форума.

По информации института "БелНИИС" подготовил Сергей ЗОЛОТОВ