Малоцикловая прочность элементов шлюзовых ворот судоходных гидротехнических сооружений и методы продления их ресурса
Покупка
Основная коллекция
Тематика:
Гидротехническое строительство
Авторы:
Амбросимов В. Г., Бессмертный Д. Э., Преснов С. В., Пырков А. И., Лукин А. И., Тимофеев А. И., Ремизов С. С.
Год издания: 2013
Кол-во страниц: 120
Дополнительно
Монография посвящена анализу условий работы высоконагруженных конструкций (механического оборудования (конструкций, СГТС), сварных затворов, элементов диагональных связей, узлов поясных уголков, фрагментов ригелей, моделей ворот) и критериев эксплуатационного повреждения при малоцикловом нагружении. Излагаются методы расчетного и экспериментального определения напряженно-деформированных состояний (НДС) на образцах, моделях, фрагментах и натурных конструкциях.
Монография рассчитана на научных и инженерно-технических работников и студентов.
Тематика:
ББК:
УДК:
ОКСО:
- ВО - Магистратура
- 26.04.01: Управление водным транспортом и гидрографическое обеспечение судоходства
- ВО - Специалитет
- 08.05.01: Строительство уникальных зданий и сооружений
- 26.05.05: Судовождение
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов.
Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в
ридер.
МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ МОСКОВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ ВОДНОГО ТРАНСПОРТА Малоцикловая прочность элементов шлюзовых ворот судоходных гидротехнических сооружений и методы продления их ресурса Монография Альтаир-МГАВТ Москва 2013
МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ МОСКОВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ ВОДНОГО ТРАНСПОРТА Малоцикловая прочность элементов шлюзовых ворот судоходных гидротехнических сооружений и методы продления их ресурса Монография Альтаир-МГАВТ Москва 2013
МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТА РФ ФБОУ ВПО «МГАВТ» Кафедра «Судостроения и Судоремонта» МАЛОЦИКЛОВАЯ ПРОЧНОСТЬ ЭЛЕМЕНТОВ ШЛЮЗОВЫХ ВОРОТ СУДОХОДНЫХ ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЙ И МЕТОДЫ ПРОДЛЕНИЯ ИХ РЕСУРСА Издательство «Альтаир» Москва 2012
УДК:656.62/66(470)
Абросимов В.Г. , Бессмертный Д.Э., Преснов С.В., Пырков А.И., Лукин
А.И., Тимофеев А.М., Ремизов С.С. Под общей редакции д.т.н.
В.Г. Малоцикловая прочность элементов шлюзовых ворот судоходных
гидротехнических сооружений и методы продления их ресурса. — Альтаир
МГАВТ,2013. — 120с.
Монография посвящена анализу условий работы высоконагруженных
конструкций (механического оборудования (конструкций, СГТС), сварных за
творов, элементов диагональных связей, узлов поясных уголков, фрагментов
ригелей, моделей ворот) и критериев эксплуатационного повреждения при ма
лоцикловом нагружении. Излагаются методы расчетного и экспериментального
определения напряженно-деформированных состояний (НДС) на образцах, мо
делях, фрагментах и натурных конструкциях.
Монография рассчитана на научных и инженерно-технических работни
ков и студентов.
Рассмотренна и рекомендована к изданию кафедро й судостроения и су
доремонта протокол ( № 3 от 11.10.2012 года.)
© Абросимов В.Г., 2013г.
© Преснов С.В., 2013г.
© Пырков А.И., 2013г.
© Бессмертный Д.Э., 2013г
© Лукин А.И., 2013г.
© Ремизов С.С., 2013г.
© МГАВТ., 2013г
Абросимов В.Г.
Абросимов В.Г.
Оглавление Предисловие . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 Современное состояние проблемы порядочности, усталости и трещино стойкости конструкции . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 Расчетно-аналитические методы исследования прочности . . . . 25 Обзор методов экспериментального исследования процессов возникнове ния и распростронение усталостный трещин . . . . . . . . . . . . . 34 Научные основы методов исследования несущей способности элементов шлюзовых ворот при цеклическом неупругом нагружении . . . . . . . 45 Основные критерии трещиностойкости материалов шлюзовых ворот 59 Методы учета основных особенностей условий эксплутации элементов 63 Основные особенности проведения численных решений не линейных за дачь . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 Разработка методов эксперементального исследования напряженного де формированного состояния . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 Методика и оборудование для проведения модельных исследования эле ментов шдюзовых ворот . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 Планирование экспериментальных исследований и метода обработки по лученных результатов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 Вывод . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117 Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
ПРЕДИСЛОВИЕ 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 на гружений 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, что влечет за собой необходимость выполнения ремонтных работ и сопряжено с простоями при эксплуатации водного пути. — установление основных закономерностей сопротивления малоцикло вому деформированию и разрушения элементов шлюзовых ворот с учетом не линейного поведения материала, реальной геометрии, особенностей конструк ции, условий эксплуатации и технологической наследственности на основе раз работанных расчетно-экспериментальных методов; — разработка методов оценки прочности ресурса в зависимости от конст рукционных, технологических факторов; — разработка методов продления ресурса элементам конструкций на ос нове современных методик их реконструкции; разработка и внедрение реко мендаций по увеличению ресурса шлюзовых ворот на стадии проектирования, изготовления, монтажа и эксплуатации. Для достижения поставленных научных целей применялись эксперимен тальные и расчетные методы исследования. — разработка методики сбора данных по нагрузкам шлюзовых ворот и методов схематизации основных нагружающих факторов. Исследование реаль ной истории нагружения основных несущих элементов шлюзовых ворот;
— создание методики, оснастки и оборудования для проведения модель ных исследований элементов шлюзовых ворот. Разработка методики трансфор мации реальных нагружающих факторов шлюзовых ворот на модельные эле менты. Реализация методики, подтверждение адекватности предложенных мо дельных 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 уп ругопластической постановке. Исследование сходимости и вычислительной ус тойчивости метода расчета. Сравнение результатов решения тестовых задач и экспериментальных исследований; — проведение численного исследования НДС основных модельных эле ментов ворот при малоцикловом нагружении. Определение полей циклических упругопластических напряжений и деформаций основных зон шлюзовых ворот; — разработка инженерного метода определения усталостной долговечно сти шлюзовых ворот при проведении конструкторских и проектировочных ра бот; — определение основных закономерностей распределения напряжений и деформаций шлюзовых ворот в связи со сложными сочетаниями конструкци онно-технологических факторов и условий нагружения. На основе натурных и модельных испытаний, расчета ресурса при по вторно — статическом нагружении используемых типов водонапорной обшив ки предложены способы повышения долговечности исследуемой конструкции. Разработаны и апробированы методы технологического упрочнения путем аце тиленокислородного оплавления радиуса подреза в зонах сварных соединений. Получен комплекс механических свойств и расчетных характеристик основных конструкционных материалов, требуемых для оценки ресурса конструкции.
Предложена система конструктивных и технологических решений, обес печивающая повышение ресурса водонапорной обшивки до 3-4 навигаций про тив 1–1,5 в настоящее время. Предложенные мероприятия по увеличению ре сурса обоснованы расчетно-экспериментальными исследованиями натурных и модельных элементов конструкции, внедрены и прошли проверку при эксплуа тации Волго-Донского судоходного канала и шлюзов канала им. Москвы. 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). Отмечается, что двустворчатые ворота (ДВ) являются наиболее широко (более 80 %) применяемым типом за творов. Показано, что цикл работы ДВ включает следующие этапы: 1) наполне ние 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 (двухкамер ный шлюз). Проведен анализ причин отказов и возникновения аварийных состояний шлюзовых ворот СГТС. Этот анализ выполнен на основании детального иссле дования 55 аварий на затворах. Причинами данных аварий, как правило, явля лись появившиеся в процессе эксплуатации (около 200) трещины, вызвавшие частичное или полное разрушения элементов конструкций. Проведенный обзор и анализ расчетно-аналитических и эксперименталь ных методов, применяющихся для оценки НДС, прочности, трещиностойкости и ресурса элементов шлюзовых ворот СГТС, показал, что не учитывается ре альная концентрация напряжения и деформаций, которая и приводит к появле нию необратимых циклических деформаций и более интенсивному накоплению циклических повреждений. Кроме того, применение ряда экспериментальных методов зачастую ограничено их высокой стоимостью, недостаточной точно стью и удобством применения. Показано, что наиболее приемлемыми методами
для натурных исследований элементов шлюзовых ворот является тензометри ческие методы. На основании выполненных обзоров сформулированы задачи теоретиче ского, экспериментального и численного исследований. Приводятся основные понятия, характерные для малоциклового нагруже ния. В частности показано, что в зависимости от характера и величины накоп ления односторонних деформаций, различают квазистатическое, усталостное и смешанное малоцикловое разрушение и описаны особенности этих видов раз рушения. Приведены определения мягкого и жесткого малоциклового нагруже ний, показано, что связь между циклическими напряжениями и деформациями определяется обобщенной диаграммой циклического деформирования, предло женной А.П. Гусенковым и Р.М. Шнейдеровичем. Представлены уравнения состояния конструкционных материалов для описания их механического поведения при циклическом упругопластическом нагружении. Рассмотрены методы учета концентрации упругопластических напряже ний и деформаций, в том числе в районе сварных соединений, кинетики цикли ческих свойств конструкционных материалов, асимметрии цикла нагружений, нестационарности приложения нагружающих факторов, наличия остаточных напряжений и деформаций в высоконагруженных элементах СГТС. Отмечено, что получение информации о параметрах НДС натурных кон струкций шлюзовых ворот в реальных условиях эксплуатации сопряжено со значительными трудностями материального и технического характера. С целью получения более полной информации по НДС рассматриваемых конструктив ных элементов был создан метод модельных экспериментальных исследований малоцикловой прочности. Для проведения указанных исследований были изго товлены модельные элементы, которые испытывались в лабораторных услови ях, моделирующих реальные условия эксплуатации. Проведено исследование характеристик сопротивления малоцикловому нагружению конструкционных сталей с применением специально разработанного оборудования. При испыта
ниях была использована сервогидравлическая установка типа МТS, обеспечи вающая нагружение образца в требуемом режиме (мягкое, жесткое, ассимет рия). Испытания выполнялись в условиях растяжения-сжатия при непрерывной регистрации параметров нагружения и деформирования. Исследования сопротивления конструкционных материалов малоцикло вому нагружению проводилось как для основного материала, так и для мате риала сварных швов. Для получения позонных характеристик применяли методику, позволяю щую проводить измерения и управление режимом нагружения в зоне, относя щейся к определенному типу металла или шва. Испытания проводили на кор сетных образцах с использованием поперечного деформометра. Располагая корсетную часть образца в том или ином месте, получали искомые позонные характеристики металла различных зон.
СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМ ПРОЧНОСТИ, УСТАЛОСТИ И ТРЕЩИНОСТОЙКОСТИ КОНСТРУКЦИЙ ШЛЮЗОВЫХ ВОРОТ СУДОХОДНЫХ ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЙ (СГТС) Шлюзовые ворота (затворы) перекрывают судоходные отверстия и удер живают соответствующий напор воды. В качестве основных, т. е. постоянно ра ботающих при эксплуатации сооружений, применяются различные типы шлю зовых ворот: двустворчатые, откатные однополосные, сегментные и др. Особенности конструкций и условий эксплуатации шлюзовых ворот СГТС Двустворчатые шлюзовые ворота (ДВ) получили наибольшее распростра нение. Они применяются в качестве основных ворот нижних и промежуточных голов, а в отдельных случаях и верхних голов. В зависимости от места располо жения и расчетного напора высота ворот доходит до 27 м. Вес створки может достигать 500 т. При открытом положении ворот створки располагаются в ни шах устоев головы шлюза и открывают полностью судоходное отверстие. Поворот створок производиться при отсутствии на них напора с помощью механизмов, расположенных на устоях головы. Откатные ворота, применяемые в качестве основных (а также использу ются как аварийные ворота), представляют собой плоский однополотный затвор с горизонтальным поступательным движением. Гидростатическую нагрузку они передают на устои головы шлюза. При открытом судоходном отверстии ворота размещаются в боковой нише одного из устоев головы. Маневрирование воро тами возможно только при отсутствии на них напора.
Рис. 1.1. Откатные ворота применяют различных конструкций в зависимости от размеров перекрываемых отверстий и способов питания шлюза. Ворота бывают ригельные, стоечно-ригельные, без пропуска воды, с пропуском воды (при без галерейных шлюзах), с различным размещением опорно-ходовых элементов. Сегментные ворота применяются в верхних головах шлюзов со стенкой па дения. Конструктивно они выполняются в виде двух консольных элементов. Во рота перекрывают судоходное отверстие шириной до 30 м и высотой от 5 до 11 м. При пропуске судов они опускаются в нишу за стенку падения. Наполнение камеры (как и при плоских опускных воротах) происходит под нижнюю кромку. Маневрирование воротам производиться механизмами, установленными на усто ях головы. Силы и нагрузки, действующие на ворота (затворы), можно разделить на три группы: основные, дополнительные и катастрофические. Первая группа охватывает постоянно и длительно действующие в нор мальных эксплуатационных условиях силы и нагрузки, к которым относятся:
собственный вес конструкции, гидростатическое давление при нормальном го ризонте, цикловые нагрузки, вибрационные. Рис. 1.2. Вторая группа охватывает силы и нагрузки, действующие кратковременно и случайно, к которым относятся: гидростатические силы, гидростатическое давление при повышенном подпорном горизонте, силы трения (или реактивные силы), возникающие при движении ворот (затвора), ветровая нагрузка, вес лю дей, находящихся на служебном мостике, силы, действующие при монтаже. Третья группа охватывает силы и нагрузки, действующие в исключитель ных случаях: сейсмические силы, давление ветра во время урагана, давление штормовых волн, давление льда и т. п. Для обеспечения безопасности эксплуатаций затворов СГТС (согласно классификации по степени ответственности) должны сдерживать достаточно большой напорный фронт воды. Например, для Волгоградского водохранилища этот объем составляет 31,45 км3. Особенностью условий работы элементов конструкции затворов СГТС является цикличность приложения нагрузок, обусловленная режимом эксплуа тации, (рис. 1.1).