Разработка моделей для оценки работоспособности и долговечности элементов цельнокомпозитных конструкций тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.02.06, кандидат технических наук Хруленко, Максим Андреевич

• Хруленко, Максим Андреевич
• кандидат технических наук
• 2008

Оглавление диссертации кандидат технических наук Хруленко, Максим Андреевич

Введение.

Глава I Принципы создания цельнокомпозитных конструкций.

1.1 Особенности и преимущества создания цельнокомпозитных конструкций.

1.2 Композитные материалы, используемые в мостостроении.

1.2.1 Конструкционные материалы: стеклопластики.

1.2.2 Конструкционные материалы: углепластики.

1.3 Клеевые соединения элементов конструкций.

1.3.1 Опыт применения клеевых соединений в конструкциях.

1.3.2 Применение клея в соединениях инвентарного моста, построенного HI 111 «АпАТэК».

Глава II Прогнозирование долговечности клеевых соединений стеклопластиков в мостостроении.

2.1 Склеивание.

2.2 Выбор клеевой композиции.

2.3 Выбор объекта исследований.

2.4 Влияние температуры на механические характеристики клеевых соединений.

2.4.1 Изготовление образцов.

2.4.2 Порядок проведения испытаний.

2.4.3 Обработка результатов испытаний.

2.4.4 Проведение испытаний.

2.5 Длительная прочность клеевых соединений стеклопластиков.

2.5.1 Изготовление образцов.

2.5.2 Влияние скорости нагружения на характеристики прочности клеевых соединений.

2.5.3 Эксперимент на длительную прочность.

2.5.4 Прогнозирование длительной прочности клеевых соединений элементов цельнокомпозитных конструкций.

2.5.4.1 Критерий длительной прочности, основанный на модели наследственного типа.

2.5.4.2 Сопоставление опытных данных с результатами прогнозирования длительной прочности.

2.5.4.3 Упрощенная методика прогнозирования.

Глава III Моделирование процесса деформирования элементов настила с полимербетонным покрытием.

3.1 Полимербетоны как композитные покрытия настилов мостов.

3.2 Износостойкие покрытия.

3.3 Материалы для изготовления полимербетонов.

3.3.1 Полимерная матрица.

3.3.2 Минеральный наполнитель.

3.3.2.1 Мелкий наполнитель.

3.3.2.2 Крупный наполнитель.

3.3.2.3 Разработка рецептуры полимербетонной композиции "ПБ-М".

3.3.3 Противоскользящее покрытие.

3.4 Оценка адгезионной прочности полимербетона к поверхности стеклопластикового настила.

3.5 Исследование физико-механических характеристик элементов мостового настила с полимербетонным покрытием.

3.6 Задача о совместном деформировании полимербетонного покрытия и стеклопластиковой подложки.

Глава IV Моделирование процесса нанесения полимербетонного покрытия заданной толщины.

4.1 Объекты исследований.

4.2 Аналитическая оценка работоспособности конструкции.

4.2.1 Постановка задачи.

4.2.2 Решение.

4.3 Экспериментальная оценка работоспособности конструкции.

4.4 Второй вариант изготовления профилей с нанесенным износостойким покрытием.

4.4.1 Технологические критерии успешности совмещенного процесса.

4.4.2 Подходы по формированию математической модели совмещенного пултрузионного процесса.

4.4.3 Нанесение полимерного покрытия.

4.4.4 Полимеризация полимерного покрытия. 4.4.4.1 Постановка задачи.

4.4.4.2 Пример аналитического решения.

4.4.5 Захват изделия тянущим устройством.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка моделей для оценки работоспособности и долговечности элементов цельнокомпозитных конструкций»

Актуальность темы: В связи с широким внедрением композитов в современное машиностроение, в настоящее время начали создавать цельнокомпозитные конструкции, имеющие большое преимущество перед традиционными при оценке их работоспособности и долговечности в течение длительных периодов эксплуатации. (Современные требования составляют период 106 часов (примерно ЮОлет)). В настоящей работе описаны возникающие проблемы и дается оценка долговечности некоторых элементов на примере их эксплуатации в конструкции цельнокомпозитных мостов.

Одной из важных проблем создания конструкций из композитных материалов является соединение различных ее элементов. Обычно используются крепежные соединения, изготовленные из нержавеющей стали (болты, гайки и т.п.). Эти соединения представляют опасность, поскольку нарушается структура материала и это может служить причиной разрушения, как местного, так и всей конструкции в целом.

Когда же рассматривают конструкции длительного применения, например, цельнокомпозитные мосты или какие либо другие, для которых расчетным периодом эксплуатации является период 50-И 00 лет, то возможные первичные нарушения конструкции, не слишком значительные при малых временах, могут постепенно захватывать все большие области и привести к разрушению всей конструкции раньше заданного периода эксплуатации.

Поэтому в последнее время все больше внимания уделяется разработке клеевых соединений, свободных от указанных выше недостатков.

Актуальность этой задачи очевидна. Применение клеевых соединений повышает технологичность изготовления конструкций и уменьшает ее стоимость.

Разрабатывая мостовые конструкции из стеклопластиковых композиционных материалов, специалисты столкнулись с проблемой, заключающейся в типе дорожного покрытия, которое можно было бы применить на стеклопластиковых настилах. Традиционно используемые материалы, такие как асфальтобетон и дорожный бетон не удобны для применения на мостовых конструкциях из композитных материалов, так как например, переработка и укладка асфальтобетонного покрытия происходит при температуре 140-155 °С, что превышает температуру стеклования стеклопластика (Т§ = 93 °С) и может привести к его термодеструкции. Бетонное покрытие неприемлемо из-за значительного увеличения веса мостовой конструкции. В связи с этим в работе была поставлена задача по разработке полимербетонного дорожного покрытия (ПБ-М) и оценке его физико-механических, адгезионных, эксплуатационных свойств, а также исследованию условий, обеспечивающих совместную работу элементов конструкции при действии расчетных нагрузок.

В виду отсутствия механизации нанесения таких покрытий, была разработана схема установки, а также математическая модель технологического процесса нанесения износостойкого покрытия.

Создание нового дорожного покрытия, а также разработка метода нанесения имеют большое значение для строительства пешеходных и автомобильных мостов.

Актуальность выбранной тематики подтверждается также тем, что исследования проводились в рамках грантов: РФФИ №№ 04-01-00745, 0508-18086, 06-08-08155 и 07-01-00277.

Основные результаты работы были премированы на конференции молодых ученых и студентов по проблемам машиноведения «МИКМУС-2004» и «МИКМУС-2005».

Цель работы: Состоит в разработке методов прогнозирования долговечности элементов цельнокомпозитных конструкций ив оптимизации их прочностных характеристик для повышения работоспособности, надежности и ресурса всей конструкции в целом, а также для обеспечения ее экономической эффективности при длительной эксплуатации (десятки лет).

Рассматриваются клеевые соединения стеклопластиковых деталей на основе эпоксидного и полиуретанового клеев, а также элементы стеклопластикового настила с полимербетонным покрытием.

Научная новизна работы состоит в следующем:

• получены новые экспериментальные данные по длительной прочности двух типов клеевых соединений стеклопластиковых деталей; у

• разработаны модели прогнозирования длительной прочности с использованием критерия, основанного на наследственных представлениях о накоплении повреждений с применением различных ядер ползучести;

• разработан упрощенный инженерный метод оценки длительной прочности, основанный на использовании логарифмической зависимости прочности от времени до разрушения;

• разработано новое полимербетонное покрытие ПБ-М для стеклопластиковых настилов, определены его физико-механические и адгезионные характеристики;

• решена задача выбора толщины покрытия для обеспечения оптимальных прочностных свойств конструкции настила при изгибе в зависимости от значений модулей упругости при растяжении и сжатии;

• разработан метод нанесения покрытия, определяющий скорость движения дозатора (или скорость перемещения профиля относительно дозатора), обеспечивающую равномерное распределение покрытия и его заданную толщину. ч

Достоверность полученных результатов подтверждается тщательным экспериментальным анализом свойств композитной (стеклопластиковой) конструкции при различных эксплуатационных режимах, в частности, анализом клеевых соединений и полимербетонного покрытия, а также сопоставлением расчетных и экспериментальных данных.

Практическое значение Результаты работы используются в серийном производстве нанесения дорожного покрытия на стеклопластиковые профили настила мостовых конструкций, что подтверждается приложенным актом внедрения.

Предложенная методика прогнозирования, использующая упрощенный критерий длительной прочности позволяет прогнозировать поведение клеевых соединений стеклопластиков на весьма большие времена нагружения порядка 50-^100 лет.

В первой главе представлено описание материалов, используемых в цельнокомпозитных конструкциях: стеклопластиков, углепластиков, износостойких покрытий, способы соединений элементов, в частности, клеевых соединений, а также рассмотрена проблема создания новых покрытий для стеклопластиковых настилов, имеющая большое значение в мостостроении.

В работе описаны клеевые композиции, применение которых является перспективным методом соединения пултрузионных профилей.

Клеевые композиции имеют множество преимуществ, таких как:

- Склеенные соединения профилей типично более жесткие, чем традиционные болтовые соединения.

- Некоторые типы клеевых композиций чрезвычайно прочны, что делает возможным ограничить протяженность области контакта.

- Клеевые соединения хорошо переносят динамические нагрузки.

Также описаны специальные покрытия к поверхностям настила пешеходных и автомобильных мостов, к которым предъявляются требования защиты настила от повреждений, износостойкости, механической прочности, стойкости к воздействию агрессивных сред, воды и перепаду температур. :

В качестве покрытия настила пешеходных мостов и сходов игз стеклопластиковых пултрузионных профилей в данной работе используются высоконаполненные износостойкие композиции, обеспечивающие удобство передвижения пешеходов, обладающие при этом противоскользящими свойствами. Полимерной матрицей такого покрытия служйгт термореактивный полиуретановый компаунд свободной заливка, обладающий высокими физико-механическими характеристиками jm диапазоном рабочих температур от - 60 °С до + 120 °С, что обеспечивает t работоспособность такого покрытия независимо от времени года ; и климатических условий. В качестве наполнителя применяются как традиционные минеральные наполнители - гранит, мрамор, серпентиниту • амфиболит, так и продукты вторичной переработки, например перемолотая резиновая крошка или дробленое стекло. В настоящее время такие покрытая применены на пешеходных мостах производства НПП «АпАТэК».

Вторая глава посвящена исследованию клеевых соединений стеклопластиков. В качестве объектов исследований (адгезивов) были выбраны два типа клеевых композиций. Эпоксидный двухкомпонентный конструкционный клей Araldite 2015, производства фирмы Huntsman и полиуретановый двухкомпонентный конструкционный клей АДВ 11-2,, производства НПФ «АДГЕЗИВ».

Исследовалось влияние температуры на механические характеристики клеевых соединений. Образцы испытывались при температурах Т = +20°С и Т = -60°С.

Проведены испытания на длительную прочность клеевых соединений стеклопластиков. Особое внимание уделено прогнозированию прочностных характеристик этих клеев на большие времена нагружения, вплоть до Ю6 часов (—100 лет эксплуатации) по экспериментальным данным, полученным в п течение шести недель (10 часов).

Третья глава посвящена разработке и исследованию характеристик полимербетонного дорожного покрытия для мостовых конструкций из композитных материалов.

Полимербетоном является бетон, в котором вяжущим веществом служит синтетический полимер, обычно термореактивная смола (эпоксидная, полиэфирная, акриловая, фурфурольно-ацетоновая и др.). В зависимости от применяемого связующего в качестве отвердителей используются кислые, перекисные, аминные отвердители. По сравнению с традиционными бетонами на основе воды и цемента, полимербетон в два раза прочнее и несколько легче, не пропускает влагу, не дает трещин, обладает высокой морозостойкостью, устойчив к агрессивным средам.

Разработка рецептуры полимербетонной композиции ПБ-М производилась исходя из предъявляемых требований к покрытию с учетом технологичности приготовления и нанесения на покрываемую поверхность настила. Соотношение полимерной матрицы и минерального наполнителя устанавливалось экспериментальным путем.

Механическая подготовка поверхности, связанная с зашкуриванием или струйной очисткой, является трудоемкой операцией, из-за крупных габаритов композитных настилов. В связи с этим проведены исследования влияния разных способов подготовки поверхности на адгезионную связь полимербетона со стеклопластиком.

Для оценки физико-механических характеристик и эксплуатационных свойств разрабатываемого полимербетонного покрытия был проведен ряд испытаний по определению прочности при сжатии, прочности при изгибе, ударной вязкости, истираемости и морозостойкости.

Поскольку мостовое покрытие подвергается, как правило, изгибным нагрузкам, для осуществления экспериментов и последующего анализа процесса изгиба была принята схема трехточечного изгиба.

В четвертой главе представлены две схемы механизированного 1 нанесения износостойкого покрытия, а также математическая моде.ть технологического процесса его нанесения. j s } i

Апробация работы: Основные положения работы докладывались | и I обсуждались на следующих конференциях и семинарах: XV, XVI, XVII!и

XVIII Международных интернет-конференциях молодых ученых и студентов по проблемам машиноведения, Twelve International Conference (>xi i

Composites/NANO Engineering. ICCE-12 Tenerife, Spain. August 1-6, 2005, t семинарах молодых ученых и студентов по проблемам машиноведения, I семинарах лаборатории механики материалов ИМАШ РАН и научноi технических совещаниях группы компаний АпАТэК. j

Результаты работ были представлены на международных выставках: аа ежегодной международной выставке JEC COMPOSITES SHOW 2005, «The 13 China International Technical Expo» г. Пекин (Китай) с 12 по 14 сентября 2007 г. и на ежегодной международной выставке COMPOSITES ;& POLYCON, проводимой под эгидой Ассоциации Американских Производителей Композитов (АСМА) с 17 октября по 19 октября 2007 г в городе Тампа (Флорида, США).

По результатам диссертации опубликовано 13 работ, из них 4 — в рецензируемых журналах.

Автор благодарен своему научному руководителю д.т.н., проф. Ю.В.Суворовой и Генеральному директору НПП «АпАТэК» д.т.н., проф. А.Е.Ушакову за постановку задач и постоянное внимание к работе, а таюке сотрудникам лаборатории механики композиционных материалов ИМАП1 и отдела расчетных исследований ООО «НТИЦ АпАТэК-Дубна» за помощь в осуществлении экспериментальных исследований.

Заключение диссертации по теме «Динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры», Хруленко, Максим Андреевич

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Осуществлены экспериментальные исследования длительной прочности двух типов клеевых композиций эпоксидного двухкомпонентного конструкционного клея Ага1сШе 2015 и полиуретанового двухкомпонентного конструкционного клея АДВ 11-2, которые могут быть рекомендованы для соединения стеклопластиковых элементов конструкций.

2. Использование наследственных представлений, положенное в основу моделей длительного разрушения и критерия прочности, позволило решить задачу длительного прогнозирования, предполагающего получение данных о прочности в интервале десятков лет на основании экспериментальных данных, полученных в лабораторных условиях.

3. Анализ моделей с различными ядрами накопления повреждений дал возможность выяснить границы их применимости. Вывод о том, что ядро должно содержать экспоненту, позволил сформулировать упращенную модель и упрощенный критерий длительной прочности, предполагающий логарифмическую зависимость между прочностью и временем до разрушения.

4. Разработано новое полимербетонное покрытие для стеклопластиковых мостовых настилов, определены его физико-механические и адгезионные характеристики.

5. Решение задачи об изгибе стеклопластикового настила с полимербетонным покрытием позволило установить оптимальную (по прочности) толщину покрытия в зависимости от значений модулей упругости.

6. Осуществлен расчет скорости движения дозатора, наносящего полимербетонное покрытие, обеспечивающей его равномерность и заданную толщину.

7. Предложены подходы по формированию математической модели совмещенного пултрузионного процесса изготовления настила с противоскользящим покрытием.

Согласовано» бна» О.Г.

АКТ ВНЕД1

Настоящим актом подтверждается внедрение в серийное производство изготовления цельнокомпозитных мостовых конструкций, износостойкого полимерного покрытия ППУ-АР, разработанного заместителем начальника отдела перспективных технологий Хруленко Максимом Андреевичем в ходе подготовки диссертационной работы «Моделирование работоспособности и долговечности некоторых элементов цельнокомпозитных конструкций».

Разработанное покрытие ППУ-АР используется в качестве покрытия дорожного полотна и сходов мостовых конструкций, изготовленных из полимерных композитных материалов.

В настоящее время покрытое ППУ-АР успешно применено в следующих конструкциях, изготовленных ООО ПО «АпАТэК-Дубна»: ♦ Пешеходный мост через железнодорожные пути на станции Косино, г.

• Быстро возводимый мост пешеходный «Инвентарный мост», г. Москва;

• Подземный пешеходный переход на станции метро Смоленская, г.

• Стеклопластиковый настил на мостах в парковой зоне Царицыно, г. Москва;

• Пешеходные мосты через реку Лихоборка, г. Москва;

• Пешеходный переход на автомобильном мосту г. Нижний Новгород;

• Стеклопластиковый настил на памятнике культурного наследия Ростокинском акведуке г. Москва.

Москва;

Москва;

От ООО «НТИЦ АпАТэК-Дубна»

От ООО ПО «АпАТэК-Дубна» # Главный технолог

Утверждаю» Управляющий директор

Щт\ АпАТэК-Дубна» енин Ю.Г. 2008 г.

АКТ ВНЕДРЕНИЯ

Настоящим актом подтверждается внедрение в серийное производство изготовления цельнокомпозитных мостовых конструкций, упрощенной модели прогнозирования долговечности клеевых соединений стеклопластиков, описываемой алгебраическим выражением, которое по начальному участку кривой длительной прочности (103 часов, полтора месяца) может предсказать и разрушение при временах порядка 106 часов 100 лег).

Данная модель разработана заместителем начальника отдела перспективных технологий Хруленко Максимом Андреевичем в ходе подготовки диссертационной работы «Моделирование работоспособности и долговечности элементов цельнокомпозитных конструкций».

Разработанная упрощенная модель оценки длительной прочности клеевых соединений мостовых конструкций будет использована в проработке проектов цельнокомпозитных конструкций, содержащих клеевые соединения стеклопластиков, а также использована в разработке технических условиях на клеевые соединения мостовых конструкций.

От ООО «НТИЦ АпАТэК-Дубна»

Зам. генерального директора к.т.н. /^/tyw^Панков A.B.

Главный специалист к.т.н # J, О Сорина Т.Г. ртИ^

132

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Хруленко, Максим Андреевич, 2008 год

1. Jan Knipper. Инновационные концепции конструирования композитных мостов в Германии. Университет г. Штутгарда, Германия. Статья №1 сборника COBRAE Conference 2005

2. Альперин В.И. Конструкционные стеклопластики. М.: Химия, 1979. 360с.

3. Вольфсон С.А. Композиционные полимерные материалы сегодня и завтра (Комплексная научно-техническая целевая программа). М., 1982.-64 с.

4. Браутман Л., Крок Р. Современные композиционные материалы. — М.: Мир, 1970. 672 с.

5. Теория и практика технологий производства изделий из композиционных материалов и новых металлических сплавов (ТПКММ). Труды международной конференции 27 30 августа 2003, Москва, Россия.

6. Технические свойства полимерных материалов: Уч.-справ. Пос. / В. К. Крыжановский, В. В. Бурлов, А. Д. Паниматченко, Ю. В. Крыжановская. СПб., Изд-во «Профессия», 2003. - 240 с.

7. А. К. Буров, Г. А. Андреевская, Стекловолокнистые материалы и их техническое применение, Изд. АН СССР, М. (1956).

8. Киселев Б.А. Состояние и перспективы в области создания стеклопластиков. // Композиционные материалы. Киев, 1975.-е. 147160.

9. Стеклопластик марки СППС технические условия ТУ 2296-005 -39790001-2003.

10. BEDFORD Plastics Design Guide www.bedfordplastics.com.

11. FiberLine Design Manual www.fiberline.com.

12. Томас Рот, Heinz Meier. Модульная система пешеходного моста из композиционных материалов, шаг вперед в конструкциях из композиционных материалов. Статья №10 сборника COBRAE Conference 2005.

13. Интернет материал, взятый с сайта компании FiberLine, www.fiberline.com.

14. Ениколопян Н. С — ЖВХО им. Д. И. Менделеева, 1978, т. 23, № 3, с. 243—245.

15. Гуняев Г.М. Структура и свойства полимерных волокнистых композитов. -М.: Химия, 1981. -232 е., ил.

16. Бабаевский П. Г. — В кн.: Пластики конструкционного назначения/Под ред. Е. Б. Тростянской. М., Химия, 1974, с. 75—120.

17. Гуняев Г. М., Сорина Т. Г. — В кн.: Термоустойчивость пластиков конструкционного назначения. М., Химия-, 1980, с. 1161—182.

18. Туманов А. Т. — Вестн. АН СССР, 1975, № 3, с. 37—44.

19. Киселев Б. А. Стеклопластики. М., Госхимиздат, 1961. 240 с.

20. Розенберг Б. А., Олейник Э. Ф., Иржак В. И. — ЖВХО им. Д. И. Менделеева, 1978, т. 23, № 3, с. 272—284.

21. Enicolopov N.S.— In: Composite Materials ML, Moscow University Press, 1979, p. 42—95.

22. Асланова M. С. — В кн.: Новые неорганические материалы. М., Химия, 1972, с. 107—110.

23. Асланова М. С. — ЖВХО им. Д. И. Менделеева, 1978, т. 23, № 3, с. 249—252.

24. Келли А. Высокопрочные материалы. М., Мир, 1976. 261 с.

25. Кобец JL П., Гуняев Г. М. — В кн.: Пластики конструкционного назначения. Под ред. Е. Б. Тростянской. М., Химия,., 1974, с. 204—246.

26. Циплаков О. Г. Научные основы технологии композиционно-волокнистых материалов. Пермь, Пермск. кн. изд-во, 1975 4.2. 274 с.

27. Колкин A.A. Углеродные и другие жаростойкие волокнистые материалы. М., Химия, 1974. 376 с.

28. Jenkins G.M., Kawamure К. — Polymeric Carbons-Carbon Fiber. Glass and Shar. Cambridge University Press, 1976. 178 p.

29. Конкин A.A. Углеродные и другие жаростойкие волокнистые материалы. М., Химия, 1974. 376 с.

30. Г.С. Петелина, В.Н. Грибкова, С.И. Троянова. Современные композиционные материалы/ Под ред. JI. Браутмана и Р. Рока. М., Мир, 1970. 665 с.

31. Углепластик марки АпАТэК-УППС Технические условия ТУ-2256-002-93660864-2007.

32. М. Schiaich. Professor Dr. sc. techn. Мост с лентами преднапряжения из углеволокна Университет г. Штутгарда, Германия. Статья №5 сборника COBRAE Conference 2005

33. Применение углепластиков в конструкции летательных аппаратов // Механика композитных материалов: 1981. № 4. С. 657— 667. (Совм. с А.

34. A. Туполевым, В. Ф. Кутьиновым, В. П. Когаевын, А. В. Березиным и1. B. В. Сулименковым.).37,38,39,40,41,42,43,44,45