КАРТОЧКА
ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ
Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Номер 22-29-01313
НазваниеРазработка расчетной методики увеличения надежности, долговечности и износостойкости сферических опорных частей мостов в условиях термо-силового нагружения, включающей выбор рационального конструкционного исполнения их элементов
РуководительКаменских Анна Александровна, Кандидат технических наук
Организация финансирования, регион Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Пермский национальный исследовательский политехнический университет", Пермский край
| Период выполнения при поддержке РНФ | 2022 г. - 2023 г. |
Конкурс№64 - Конкурс 2021 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами».
Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки, 09-101 - Прочность, живучесть и разрушение материалов и конструкций
Ключевые словаопорные части мостов, трение, полимерные материалы, композиционные материалы, модели поведения, напряженно-деформационное состояние, контактное взаимодействие
Код ГРНТИ30.19.53
СтатусУспешно завершен
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Реализация проекта направлена на решение фундаментальной научной проблемы: рационализацию конструкционного оформления несущих элементов сферических опорных частей мостов с целью повышении надежности, долговечности и износостойкости конструкции, увеличения межремонтного цикла и несущей способности, а так же создание эффективной расчетной методики анализа деформационного поведения ответственных узлов мостовых строений в условиях повышенных и пониженных рабочих температур с учетом физико-механических, фрикционных и реологических свойств материалов, термоцикла и циклических нагрузок.
Ни одна транспортно-логистическая система не может обойтись без мостов, мостовых конструкций и эстакад. Данные конструкции в большей степени испытывают на себе температурные перепады и нагрузки от транспортного потока, при этом основная температурная и силовая нагрузка воспринимается опорными частями пролетных строений мостов. Таким образом, актуальность исследований обусловлена широким применением опорных частей в мостовых сооружениях транспортно-логистических систем. Современные разработки в области мостостроения направлены на улучшения работы опорных частей мостов и преследуют определенные цели:
- повышение надежности и долговечности опорных частей по средствам изменения конструкционного оформления ее элементов;
- повышение несущей способности сферического антифрикционного полимерного слоя скольжения при различном уровне и сочетании вертикальных и горизонтальных усилий от мостового пролета;
- повышение технологичности опорных частей;
- увеличение износостойкости сферического полимерного слоя скольжения при использовании современных полимерных антифрикционных материалов и композитов на их основе;
- уменьшение вредного воздействия на окружающую среду при изготовлении опорных частей;
- повышение эффективности, снижением времени и трудоемкости работ, связанных с монтажом и планово-предупредительными ремонтами и т.д.
Многие инженерные разработки связанны с изменением способа обработки контактных поверхностей опорных частей мостов, с изменением геометрии и положения антифрикционных слоев скольжения, а так же оформлением конструкционных элементов под смазочные материалы в области контактного взаимодействия. Часть работ направлена на повышение антикоррозийной обработки металлических деталей опорной части, а также улучшение сопряжения ее элементов посредствам изменения технологического процесса производства сферических балансиров. При этом сравнительного анализа влияния предложенных научных и инженерных решений на напряженно-деформированное состояние конструкции в целом и параметры зон контакта с антифрикционными слоями скольжения в частности не проводилось. Данный факт сдерживает эффективность использования предложенных ноу-хау при расчете и проектировании транспортно-логистических систем.
В рамках общей научной проблемы формулируются следующие конкретные задачи исследований:
1. Анализ влияния физико-механических, фрикционных и реологических свойств материалов относительно тонких антифрикционных поверхностей скольжения опорных частей мостов и моделей поведения смазочных материалов на напряженно-деформированное состояние конструкций в целом и зон контактного взаимодействия в частности. В рамках реализации задачи требуется выполнить ряд подзадач:
- описание моделей поведения смазочного материала, численная реализация определяющих соотношений, анализ применимости моделей в рамках тестовых и модельных задач, а так же на моделях реальных конструкций сферических опорных частей мостов;
- теоретическое и математическое описание определяющих соотношений поведения антифрикционных полимерных материалов и композитов на их основе, а так же смазочных материалов с учетом фрикционного контактного взаимодействия с металлическими и неметаллическими поверхностями сопряжения;
- верификация и апробация выбранных определяющих соотношений и описанных на их основе математических моделей поведения полимерных материалов на тестовых задачах и модельных образцах с учетом контактного взаимодействия по сопрягаемым поверхностям;
- анализ деформационного поведения антифрикционных полимерных материалов и композитов на их основе в качестве относительно тонких слоев скольжения опорных частей пролетных строений мостов с учетом фрикционных свойств материалов и контактного взаимодействия в рамках термоцикла и разного уровня и сочетания нагрузок (вертикальная, горизонтальная, циклическая);
- сравнительный анализ качественных и количественных закономерностей напряженно-деформированного состояния прослоек из разных антифрикционных полимерных материалов и композитов на их основе в целом и параметров зоны контакта в частности в условиях сложного термо-силового нагружения с учетом смазочного материала на поверхностях сопряжения;
- формулировка практических рекомендаций по использованию современных антифрикционных полимерных материалов в качестве слоев скольжения в опорных частях пролетных строений мостов.
2. Анализ влияния на деформационное поведение конструкции геометрической конфигурации антифрикционной прослойки: толщина и положение слоя скольжения, угол наклона торца и т.д. В рамках реализации задачи требуется выполнить ряд подзадач:
- уточнение осесимметричной и трехмерной краевых задач нелинейного контактного деформирования опорных частей разной геометрической конфигурации с антифрикционной прослойкой под действием вертикальных и горизонтальных сил, термоцикла, циклической нагрузки с учетом трения между сопрягаемыми поверхностями и всех возможных типов контактных состояний с учетом описанных моделей деформационного поведения материалов и результатов натурных экспериментов;
- уточнение параметризированных численных моделей опорных частей пролетных строений мостов для разной геометрической конфигурации элементов в трехмерной постановке;
- выполнение серии численных экспериментов о деформировании опорных частей пролетных строений мостов с учетом разного уровня, угла и места приложения нагрузок от мостового пролета в осесимметричной и трехмерной постановках в рамках широкого диапазона температурно-силовых нагрузок;
- численное моделирование влияния широкого набора температурных режимов на напряженно-деформированное состояние опорных частей разной геометрической конфигурации при разных вариантах нагружения в осесимметричной и трехмерной постановка в рамках серии вычислительных экспериментов;
- выявление и анализ качественных и количественных закономерностей влияния геометрической конфигурации опорных частей мостов на напряженно-деформированное состояние конструкции в целом и параметры зоны контакта в частности для широкого набора температурно-силовых воздействий.
3. Влияние на напряженно-деформированное состояние и контактное взаимодействие геометрической конфигурации углублений для смазочного материала в прослойках (канавки, лунки и т.д.). В рамках реализации задачи требуется выполнить ряд подзадач:
- сравнительный анализ влияния толщины плоского антифрикционного слоя, геометрии углублений для смазочного материала и свойств материалов на осесимметричной и трехмерной модели при разном уровне температурно-силовых воздействий;
- анализ влияния толщины антифрикционных прослоек с углублениями для смазки на деформационное поведение узла в целом и на параметры зоны контакта в частности для опорных частей разной геометрической конфигурации в осесимметричной и трехмерной постановках в рамках серии вычислительных экспериментов при разном уровне, угле и месте приложения нагрузки и температурных режимах;
- выявление качественных и количественных закономерностей деформационного поведения опорных частей мостов при разной геометрии углублений для смазки с учетом разной толщины антифрикционных слоев и сложного температурно-силового нагружения.
4. Формулировка рекомендаций по конструктивному оформлению элементов опорных частей пролетных строений мостов на основе результатов комплексного анализа качественных и количественных залкономерностей деформационного поведения конструкций.
Новизна поставленной задачи заключается в комплексном подходе к оценке влияния термомеханических, фрикционных и эксплуатационных свойств новых нанонаполненых, наномодифицированных и композиционных антифрикционных полимерных материалов на деформационное поведение ответственных узлов транспортно-логистических систем, таких как опорные части мостов. Новизной обладает и сравнительный анализ влияния инженерных решений по конструкционному оформлению элементов опорных частей на напряженно-деформированное состояние конструкции в целом и параметры зоны фрикционного контакта в частности. Анализ влияния широкого набора температурно-силового нагружений опорных частей и ее элементов так же обладает высокой степенью новизны. Комплексного исследования современных несущих элементов мостовых строений в рамках компьютерного инжиниринга с построением параметризированных моделей опорных частей, которые дают возможность расширения исследований на весь размерный ряд конструкций ранее не проводилось, при этом оно позволит получить новые данные, на основе которых планируется сделать научно-обоснованные рекомендации по конструкционному оформлению опорных частей. Исследование направленно на создание численной расчетной методики подбора материалов слоев скольжения и рационального конструкционного оформления элементов сферических опорных частей с учетом рабочего диапазона температурно-силового нагружения мостового сооружения.
Ожидаемые результаты
1. Новые математические модели термомеханического поведения антифрикционных полимеров и композитов на их основе различных марок отечественного и зарубежного производства, основанные на экспериментальных данных, с уточнением ранее разработанных моделей на повышенные и пониженные температурные режимы работы и циклически нагрузки при учете неупругих моделей поведения смазочного материла.
2. Трехмерные численные модели нелинейного деформирования контактных узлов с антифрикционными прослойками под действием вертикальных и горизонтальных эксплуатационных усилий с учетом трения между сопрягаемыми деталями и всех возможных типов контактного состояния, а так же с учетом термоцикла и циклических нагрузок.
3. Параметризированные модели опорных частей мостов, с учетом широкого набора ранее предложенных и новых инженерных и научных решений о конструкционном оформлении их элементов (толщина, положение и угол наклона торца слоя скольжения из полимерных материалов; положение и геометрическая конфигурация углублений под смазочный материал слоя скольжения и т.д.).
4. Новые результаты сравнительного анализа деформационного поведения в контактном узле антифрикционных прослоек из разных полимерных материалов и выявление материалов, обеспечивающих более благоприятное распределение контактных параметров при разном конструкционном оформлении сферических опорных частей.
5. Впервые на основе численного исследования контактного узла, на примере сферической опорной части, будут установлены качественные и количественные закономерности изменения контактных параметров для разных материалов прослойки: характер распределения зон трехмерного контактного состояния, распределения контактного давления и контактного касательного напряжения, величины смещения и расхождения контактных поверхностей, влияние последовательности приложения и уровня вертикальной и горизонтальной нагрузок, термоцикла и циклических нагрузок.
6. Новые результаты о компьютерном инжиниринге современных несущих элементов транспортно-логистических систем, таких как опорные части мостов, с учетом особенностей геометрической конфигурации их элементов с учетом фрикционного контакта, неупругих моделей поведения смазочных материалов, термоцикла и разного вида и уровня силовых нагружений от мостового пролета.
7. Впервые на основе серии численных экспериментов будет сделана сравнительная оценка влияния существующих инженерных решений о конструктивном оформлении элементов сферических опорных частей мостов и установлены качественные и количественные закономерности напряженно-деформированного состояния конструкции в широком наборе температурно-силовых нагрузок и режимов работы.
8. Выработаны научно-обоснованные рекомендации по использованию современных антифрикционных полимеров и композитов в качестве относительно тонких слове скольжения опорных частей мостов в широком диапазоне термо-силового нагружения мостовых сооружений.
9. Выработаны научно обоснованные практически рекомендации по геометрическому оформлению опорных частей мостов с целью оптимизации несущей способности и времени службы контактных узлов в мостовых пролетах. Выработанные рекомендации позволят сделать наработки для создания прототипа оптимизированной опорной части.
В результате реализации проекта будут созданы основы теории деформационного поведения полимерных антифрикционных прослоек в составе контактного узла опорных частей мостов. Самостоятельное научное и прикладное значение будут иметь математические модели термомеханического поведения современных антифрикционных материалов с учетом их физико-механических, деформационных, фрикционных и эксплуатационных характеристик. Отдельный интерес представляет сравнительный анализ несущей способности конструкций опорных частей с прослойками из современных антифрикционных полимерных материалов, который позволит оптимизировать работу транспортно-логистических систем и увеличить срок службы мостовых сооружений. А так же данные о деформировании конструкций с учетом неупругих моделей поведения смазочных материалов, термоцикла и циклической нагрузки. Будет получен существенный вклад в развитие нелинейной механики антифрикционных полимерных материалов в условиях контактного деформирования с трением, разработаны и реализованы численные методики решения трехмерных контактных задач с заранее неизвестным характером двустороннего контактного взаимодействия при наличии трения. Будут установлены качественные и количественные закономерности изменения контактных параметров для прослоек из разных антифрикционных полимерных материалов, при различных температурно-силовых режимах воздействий.
Выполненный комплекс исследований и полученные результаты позволят выработать научно-обоснованные практические рекомендации по конструктивному оформлению контактных узлов опорных частей с антифрикционными полимерными прослойками как элементов транспортно-логистических систем. Позволят оптимизировать выбор материалов прослоек, в соответствии с режимами эксплуатации дорогостоящей ответственной конструкции опорных частей мостов, что в перспективе может позволить сократить число крайне затратных ремонтных операций и замен вышедших из строя узлов. Результаты проекта найдут широкое практическое применение в строительных и мостостроительных организация российской федерации: на текущий момент, полученные авторами предварительные результаты исследований приняты к использованию ООО «АльфаТех» (г. Пермь) при проектировании опорных частей с шаровым сегментом, а так же были использованы при проектировании и построении экспериментальной установки по исследованию опорных узлов.
Результаты выполнения проекта будут использованы при издании учебно-методической литературы и чтении спецкурсов «Прочность материалов и конструкций», «Вычислительная механика» и «Механика контактного взаимодействия и разрушения» для бакалавров и магистров образовательного направления «Прикладная механика» ФГАОУ ВО ПНИПУ.
Широкомасштабных исследований, направленных на анализ деформационного поведения сферических опорных частей с учетом геометрических особенностей их элементов мире и России не проводилось. Исследование направленно на анализ влияния инженерных решений по конструкционному оформлению элементов сферических опорных частей на напряженно-деформированное состояние конструкции в целом и зоны контакт в частности. Запланированные результаты выполнения проекта соответствуют, а по ряду позиций превосходят, современный мировой уровень исследований в данной области.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Реализация проекта направлена на решение фундаментальной научной проблемы: рационализацию конструкционного оформления несущих элементов сферических опорных частей мостов с целью повышения надежности, долговечности и износостойкости конструкции, увеличения межремонтного цикла и несущей способности, а так же создание эффективной расчетной методики анализа деформационного поведения ответственных узлов мостовых строений в условиях повышенных и пониженных рабочих температур с учетом физико-механических, фрикционных и реологических свойств материалов, термоцикла и циклических нагрузок.
В рамках реализации контактного взаимодействия стальных плит через антифрикционную полимерную прослойку и комплексного исследования деформационного поведения конструкции выполнен достаточно большой объем вычислительных экспериментов и наработан большой объем теоретической базы математического описания моделей поведения смазочного материала, термоциклирования и циклического нагружения.
На первом этапе проекта выполнено:
1. Разработана процедура численной идентификации определяющих соотношений для описания поведения смазочных материалов на основе рядов Prony и модели Anand с подбором неизвестных параметров с помощью многопараметрической оптимизации с использованием метода Нелдера-Мида (минимизация функционала с погрешностью между экспериментальными и численными данными менее 1–2 %).
2. Выполнена адаптация процедуры численной идентификации на построение термомеханических моделей антифрикционных полимерных и композиционных материалов.
3. Построены математические модели поведения смазочного материала с учетом реологии для ЦИАТИМ-221 на основе данных натурных экспериментов, найденных в открытых источниках, выполнена верификация и апробация модели на тестовых и модельных задачах, и в реальных конструкциях.
Построены новые и уточнены ранее созданные модели сферических опорных частей в трехмерных и осесимметричных постановках с параметризацией:
- сферической опорной части с классическим местоположением сферического слоя скольжения в нижней стальной плите со сферическим вырезом с параметризацией толщины, угла наклона торца и местоположения антифрикционной прослойки, а также рационализацией дискретного аналога путем введения в модель дополнительных поверхностей идеального контакта в металлических элементах конструкции вблизи зон сопряжения;
- сферической опорной части с канавками под смазочный материал и возможностью изменения геометрии канавок путем скругления основания, с параметризацией толщины, угла наклона торца и местоположения антифрикционной прослойки, местоположения канавок под смазку и радиуса скругления основания;
- сферической опорной части с углублениями под смазочный материал в виде сферических лунок с параметризацией толщины, угла наклона торца и местоположения антифрикционной прослойки, местоположения, количества рядов, радиуса и глубины лунок под смазку.
Выполнена серия численных экспериментов о контактном деформировании элементов сферических опорных частей разной геометрической конфигурации путем создания итерационных численных алгоритмов по изменению параметров моделей, нагрузок и материалов слоев скольжения сферических опорных частей и частичной автоматизацией обработки результатов:
1. Анализ работы моделей смазочного материала, построенных на основе данных открытых источников для смазки ЦИАТИМ-221, на чистый сдвиг для двух вариантов схем нагружения образцов нагружения-выдержка и нагружение-разгружение в широком диапазоне температур.
2. Исследование контактного взаимодействия стальных плит со слоем скольжения разной толщины под действием разного сочетания нагрузок (вертикальная, горизонтальная и комплексная), с анализом влияния угла наклона торца и местоположения слоя скольжения относительно верхней и нижней плиты в осесимметричной постановке.
3. О контактном взаимодействии и влиянии внедрения слоя скольжения в нижнюю стальную плиту под действием вертикальной нагрузки на выявление качественных и количественных закономерностей изменения деформационного поведения контактного узла в целом и слоя скольжения в частности.
4. О влиянии геометрии, расположения и схемы заполнения слоя скольжения углублениями под смазочный материал на деформационное поведение конструкции в целом и изменение параметров областей фрикционного контакта в частности.
5. О влиянии материалов слоя скольжения на напряженно деформированное состояние конструкций сферических опорных частей мостов при разном геометрическом оформлении конструктивных элементов (частично только в осесимметричной постановке).
6. Предварительный анализ влияния моделей поведения смазочных материалов на работу конструкции.
Выполнено уточнение математической и теоретической постановки задачи на итерационную процедуру реализации термоцикла и циклической нагрузки, для реализации сложных температурно-силовых условий работы сферических опорных частей в конструкциях мостовых сооружений. Рассмотрены методы и средства создания циклического изменения температурных и силовых режимов работы. Выполнена их апробация в численном программном пакете инженерного анализа ANSYS.
В рамках выполнения первого этапа исследования установлено:
1. Для схемы нагружения нагрузка-выдержка характерны следующие изменения контактных параметров: возрастание контактного касательного напряжения при одинаковом воздействии на испытуемый образец при понижении температуры; снижение контактного касательного напряжения на 15–20 % при повышении температуры с быстрым проявлением реологии смазки; снижение уровня контактных касательных напряжений при выдержке с постоянной температурой с течением времени; снижение контактного касательного напряжения до минимального значения происходит в более длительный срок при уменьшении температуры. Для цикла нагружение-разгружение установлены зоны релаксации при понижении температуры, реологические характеристики не сильно выражены, релаксация наступает с отметки 0.5–0.7 % с длительным релаксационным периодом. Реологические характеристики возникают при деформации 5–6 %, после чего происходит быстрая релаксация испытуемого образца при повышении температуры.
2. Данные натурных экспериментов по деформированию смазки ЦИАТИМ-221, полученные из открытых источников некорректные. Для качественного описания моделей поведения смазки требуется проведение серии натурных экспериментов в широком диапазоне температур. Для проведения серии натурных экспериментов по определению свойств, необходимых для уточнения моделей, выбрано четыре смазочных материала (ЦИАТИМ-221, ЦИАТИМ-221F, ТОМФЛОН СБС 240 FM и ТОМФЛОН СК 170 FH). Разработана программа натурных испытаний по определению зависимости модуля сдвига от температуры в широком диапазоне температур эксплуатации смазочных материалов и термомеханических свойств смазок.
3. Осесимметричные и трехмерные модели сферической опорной части при описании смазки как малосжимаемого материала дают расхождения с результатами натурных экспериментов при классической конфигурации не более 15 и 10 % соответственно.
4. Все рассмотренные геометрические характеристики, так или иначе, влияют на деформационное поведение опорной части в целом и контактное взаимодействие слоя скольжения в частности. Так, местоположение прослойки в нижней стальной плите при глубине внедрения с таким соотношением слоя скольжения, что 2 мм поверхности торца является сводной от контакта, является наиболее перспективным набором геометрических характеристик конструкции, для всех рассмотренных вариантах толщины.
5. Композиционные материалы и чистый фторопласт в качестве слоя скольжения показали наибольший ряд недостатков в работе конструкции при всех рассмотренных геометрических конфигурациях.
Публикации
1. Адамов А.А., Каменских А.А., Панькова А.П. Influence Analysis of the Antifriction Layer Materials and Thickness on the Contact Interaction of Spherical Bearings Elements Lubricants, 2, 10, 30 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.3390/lubricants10020030
2. Адамов А.А., Каменских А.А., Панькова А.П., Струкова В.И. Comparative Analysis of theWork of Bridge Spherical Bearing at Different Antifriction Layer Locations Lubricants, 9, 10, 207 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.3390/lubricants10090207
3. Каменских А.А., Носов Ю.О. Идентификация термомеханических свойств полимерных и смазочных материалов Материалы международной научной конференции «Уфимская осенняя математическая школа», Т. 2, С. 387-389 (год публикации - 2022)
4. Каменских А.А., Носов Ю.О. Анализ влияния геометрической конфигурации и местоположения технологических углублений под смазочный материал Материалы XIV Международной конференции по прикладной математике и механике в аэрокосмической отрасли, С. 331-333 (год публикации - 2022)
5. Каменских А.А., Носов Ю.О. Анализ влияния расположения углублений под смазочный материал в полимерной прослойке сферической опорной части моста Материалы XXXI Всероссийской школы-конференции «Математическое моделирование в естественных науках», С. 137-140 (год публикации - 2022)
6. Каменских А.А., Носов Ю.О. Численная идентификация реологических свойств смазочного материала Материалы XXXI Всероссийской школы-конференции «Математическое моделирование в естественных науках», С. 141-144 (год публикации - 2022)
7. Каменских А.А., Носов Ю.О., Струкова В.И. Численная процедура идентификации свойств твердых смазочных материалов Материалы XIV Международной конференции по прикладной математике и механике в аэрокосмической отрасли, С. 188-190 (год публикации - 2022)
8. Каменских А.А., Панькова А.П. Анализ влияния учета горизонтальных нагрузок от мостового пролета на контактные параметры сферической опорной части Материалы XIV Международной конференции по прикладной математике и механике в аэрокосмической отрасли, С. 190-192 (год публикации - 2022)
9. Каменских А.А., Панькова А.П. 3D моделирование напряженно-деформированного состояния сферической опорной части при сочетании горизонтальной и вертикальной нагрузок от мостового пролета Материалы международной научной конференции «Уфимская осенняя математическая школа», Т. 2, С. 344-346 (год публикации - 2022)
10. Каменских А.А., Панькова А.П. О влиянии местоположения сферического слоя скольжения на деформационное поведение элементов сферических опорных частей при комплексной нагрузке от мостового пролета Материалы XXXI Всероссийской школы-конференции «Математическое моделирование в естественных науках», С. 145-148 (год публикации - 2022)
11. Носов Ю.О., Каменских А.А. Influence Analysis of Lubricant Recesses on theWorking Capacity of the Bridge Span Spherical Bearing Lubricants, 11, 10, 283 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.3390/lubricants10110283
12. Каменских А.А., Носов Ю.О. Анализ влияния схемы заполнения полимерной прослойки сферическими лунками под смазку на деформационное поведение опорной части Тезисы докладов XVI Всероссийской школы-конференции молодых ученых «Проблемы механики: теория, эксперимент и новые технологии», 46-47 (год публикации - 2022)
13. Каменских А.А., Носов Ю.О. Определение реологических свойств смазочного материала на примере ЦИАТИМ-221 Тезисы докладов Всероссийской конференции молодых ученых-механиков YSM-2022, С. 114 (год публикации - 2022)
14. Каменских А.А., Носов Ю.О., Струкова В.И. Анализ влияния количества рядов углублений под смазочный материал в виде сферических лунок полимерной прослойки опорной части мостов Тезисы докладов Всероссийской конференции молодых ученых-механиков YSM-2022, С. 115 (год публикации - 2022)
15. Каменских А.А., Панькова А.П. Влияние расположения слоя скольжения в нижней стальной плите опорной части на трехмерное деформирование конструкции Тезисы докладов XVI Всероссийской школы-конференции молодых ученых «Проблемы механики: теория, эксперимент и новые технологии», 48-49 (год публикации - 2022)
16. Каменских А.А., Панькова А.П. Анализ деформирования сферической опорной части с прослойкой из радиационно-модифицированного фторопласта Сборник тезисов докладов XI Международной научно-практической конференции «Физико-технические проблемы в науке, промышленности и медицине», С. 28-29 (год публикации - 2022)
17. Каменских А.А., Панькова А.П., Носов Ю.О. Анализ деформирования сферической опорной части под воздействием сочетания вертикальной и горизонтальной нагрузки от мостового пролета Тезисы докладов Всероссийской конференции молодых ученых-механиков YSM-2022, С. 116 (год публикации - 2022)
18. Каменских А.А., Струкова В.И. Деформирование слоя скольжения опорной части при разном трении между элементами конструкции Тезисы докладов XVI Всероссийской школы-конференции молодых ученых «Проблемы механики: теория, эксперимент и новые технологии», 52-53 (год публикации - 2022)
Аннотация результатов, полученных в 2023 году
Реализация проекта направлена на решение фундаментальных научных проблем: описание математических моделей тремовязкоупругого поведения материалов; создание эффективной расчетной методики для анализа деформационного поведения ответственных узлов трения мостовых строений в условиях термоциклического воздействия с учётом физико-механических, реологических и фрикционных свойств материалов элементов конструкции; формирование ряда рекомендаций по эффективному использованию современных смазочных, полимерных и композиционных материалов для увеличения долговечности, износостойкости конструкции и минимизации экономических затрат на основе компьютерного инжиниринга.
В рамках реализации проекта проведен широкий комплекс исследований по созданию теоретической и практической базы о методике проведения натурных экспериментов для определения параметров материалов, позволяющих описать термовязкоупругое поведение пастообразных смазочных материалов на широком диапазоне температур и частотно-силовых воздействий на испытуемый образец (https://naked-science.ru/article/column/razrabotka-permskogo-politeha-oblegchi). Создана численная параметризированная процедура идентификации математических моделей поведения пастообразных смазочных материалов при термоциклических нагрузках. Наработан большой объем вычислительных экспериментов на модельных и тестовых задачах. А также проведено исследование по использованию разных математических моделей для описания термовязкоупруго поведения пастообразных смазочных материалов на численных моделях реальной конструкции в динамических постановках. Это позволяет собрать определенную базу данных о поведении для исследуемого набора пастообразных смазочных материалов (ЦИАТИМ-221, ЦИАТИМ-221F, ТОМФЛОН СБС 240 FM и ТОМФЛОН СК 170 FH).
На втором этапе проекта выполнено:
1. Создана и апробирована методика натурных экспериментальных исследований направленная на определение параметров пастообразных смазочных материалов, позволяющих описать термовязкоупругое поведение материалов при помощи ротационного вискозиметра Discovery HR2 на основе осцилляционных экспериментов.
2. Проведена серия натурных экспериментов по исследованию набора смазочных материалов на широком диапазоне эксплуатационных температур и частотно-силовых воздействий на испытуемый образец. Набор исследуемых смазок: ЦИАТИМ-221, ЦИАТИМ-221F, ТОМФЛОН СБС 240 FM и ТОМФЛОН СК 170 FH. Такие смазки рекомендованы к использованию в ответственных узлах трения производителем опорных частей мостов ООО «АльфаТех» (г. Пермь).
3. Проведены обработка и анализ результатов испытания по определению параметров пастообразных смазочных материалов, позволяющих описать термовязкоупругое поведение набора материалов. Расширено теоретическое и практическое обоснование использования набора смазочных материалов в рабочем диапазоне температур мостовых сооружений.
4. Выполнено уточнение математической и теоретической постановок для описания модели вязкоупругого поведения пастообразных смазочных материалов на основе тела Макселла. Подобран оптимальный вариант количества неизвестных для рядов Prony и модели Anand:
- для описания пастообразных смазочных материалов рядами Prony необходимо проводить поиск 84 параметров системы при временах релаксации от 1е-9 до 1е9 секунд;
- для описания пастообразных смазочных материалов моделью Anand необходимо проводить поиск всего 4 параметров.
Создана численная процедура идентификации вязкоупругого поведения смазочного материала, которая позволяет в автоматическом режиме получить неизвестные коэффициенты для представленных моделей. Поиск параметров осуществляется путем нахождения невязки между экспериментальными и численными данными методом многопараметрической оптимизации Нелдера-Мида. Остановка процедуры осуществляется при достижении погрешности менее 5 %. Модели поведения материала интегрированы в программный комплекс ANSYS Mechanical APDL, для возможности реализации задач о динамическом поведении конструкции.
5. Проведен численный анализ полученных моделей на тестовых и модельных задачах о контактном взаимодействии ячейки периодичности и стальной плиты при термоциклических нагрузках. Выявлены закономерности зависимости деформационных и контактных параметров системы от температуры, частотного воздействия, нагрузки и других парамтеров.
6. Проведена апробация численной процедуры идентификации вязкоупругого поведения на гамма-модифицированном фторопласте (https://naked-science.ru/article/column/v-pnipu-vyyasnili-kak-toc). Проведена серия численных экспериментов о статическом и динамическом поведении материала, при применении теории упругости, теории упругопластичности и теории вязкоупругости. Установлено:
- для решения задач со статическими нагрузками можно использовать соотношения теории упругопластичности;
- для решения задач в динамической постановке необходимо использовать соотношения теории вязкоупругости.
Публикации
1. Богданова А.П., Носов Ю.О., Каменских А.А. Моделирование вязкоупругого поведения полимерного материала антифрикционной прослойки Материалы XXXII Всероссийской школы-конференции «Математическое моделирование в естественных науках», С. 55-57 (год публикации - 2023)
2. Каменских А.А., Богданова А.П. Исследование деформирования полимерной прослойки при математическом описании поведения материала в рамках упругопластичности и вязкоупругости Материалы международной научной конференции «Уфимская осенняя математическая школа», Т. 2, С. 185-187 (год публикации - 2023)
3. Каменских А.А., Крысина А.С. О влиянии характера сопряжения полимерного слоя с металлическими поверхностями на работу узлов Материалы XXXII Всероссийской школы-конференции «Математическое моделирование в естественных науках», С. 151-153 (год публикации - 2023)
4. Каменских А.А., Носов Ю.О. Смазочный материал сферического слоя скольжения опорной части мостового пролета: процедура идентификации, модели поведения, тестовые задачи Сборник трудов Международной научной конференции "Актуальные проблемы прикладной математики, информатики и механики", С. 431-434 (год публикации - 2023)
5. Каменских А.А., Носов Ю.О. Математическое моделирование термовязкоупругого и термовязкопластического поведения смазочных материалов Материалы международной научной конференции «Уфимская осенняя математическая школа», Т.2, С. 220-222 (год публикации - 2023)
6. Каменских А.А., Носов Ю.О. Математические модели описания деформационного поведения смазочного материала с учетом реологии Материалы XXXII Всероссийской школы-конференции «Математическое моделирование в естественных науках», С. 154-156 (год публикации - 2023)
7. Каменских А.А., Носов Ю.О., Богданова А.П. The Study Influence Analysis of the Mathematical Model Choice for Describing Polymer Behavior Polymers, Vol. 15, Art. 3630 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.3390/polym15173630
8. Каменских А.А., Носов Ю.О., Струкова В.И. Анализ влияния прослойки с разными схемами внедрения сферических лунок со смазочным материалом на поведение опорной части мостового пролета Материалы XXV Всероссийской студенческой научно-практической конференции Нижневартовского государственного университета: Математика. Физика. Энергетика. Электротехника. Нефтегазовое дело, Ч. 2, С. 24-29 (год публикации - 2023)
9. Носов Ю.О., Каменских А.А. Experimental Study of the Rheology of Grease by the Example of CIATIM-221 and Identification of Its Behavior Model Lubricants, Vol. 11, Art. 295 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.3390/lubricants11070295
10. Панькова А.П. Механика фрикционного контактного взаимодействия элементов сферических опор-ных частей мостов с разным конструкционным оформлением антифрикционного слоя скольжения Сборник трудов Международной научной конференции "Актуальные проблемы прикладной математики, информатики и механики", С. 541-544 (год публикации - 2023)
11. Каменских А.А., Крысина А.С., Панькова А.П. Анализ влияния характера сопряжения защитного полимерного слоя с металлической поверхностью на параметры контакта и деформационные характеристики Тезисы докладов всероссийской конференции молодых ученых-механиков YSM-2023, С. 48 (год публикации - 2023)
12. Каменских А.А., Носов Ю.О. Математическая модель вязкоупругого поведения смазочных материалов используемых в элементах подшипников скольжения мостовых сооружений Тезисы докладов Международной конференции «Физическая мезомеханика. Материалы с многоуровневой иерархически организованной структурой и интеллектуальные производственные технологии», С. 272-273 (год публикации - 2023)
13. Каменских А.А., Носов Ю.О. Анализ термомеханических свойств пастообразных смазочных материалов применяемых в мостостроении Тезисы докладов XXIII Зимней школы по механике сплошных сред, С. 154 (год публикации - 2023)
14. Каменских А.А., Носов Ю.О. Экспериментальные исследования и процедура численной идентификации моделей поведения смазочных материалов Тез. докл. XVII Всерос. конф. молодых ученых "Проблемы механики: теория, эксперимент и новые технологии", С. 85-86 (год публикации - 2023)
15. Каменских А.А., Носов Ю.О., Струкова В.И. Численное моделирование деформационного поведения полимерной прослойки сферической опорной части при разных схемах заполнения углублениями под смазку Тезисы докладов XXIII Зимней школы по механике сплошных сред, С. 155 (год публикации - 2023)
16. Каменских А.А., Панькова А.П. Исследование деформационного поведения контактного узла опорной части под действием нагрузок от мостового пролета Тезисы докладов XXIII Зимней школы по механике сплошных сред, С. 156 (год публикации - 2023)
17. Каменских А.А., Панькова А.П. Анализ совместного действия вертикальной и горизонтальной нагрузок от мостового пролета на работу контактного узла опорной части Тез. докл. XVII Всерос. конф. молодых ученых "Проблемы механики: теория, эксперимент и новые технологии", С. 87-88 (год публикации - 2023)
18. Носов Ю.О., Каменских А.А. Идентификация математической модели вязкоупругого поведения пастообразных смазочных материалов Тезисы докладов всероссийской конференции молодых ученых-механиков YSM-2023, С. 75 (год публикации - 2023)
19. Панькова А.П., Каменских А.А., Носов Ю.О. Анализ напряженно-деформированного состояния слоя скольжения при различных вариантах выбора модели поведения полимерных материалов Тезисы докладов всероссийской конференции молодых ученых-механиков YSM-2023, С. 80 (год публикации - 2023)
20. Каменских А.А., Носов Ю.О. Идентификация математической модели вязкоупругого поведения тела Максвелла на основе рядов Прони -, 2023618695 (год публикации - )
21. - В ПНИПУ выяснили, как точнее прогнозировать износостойкость тефлона в мостовых сооружениях Naked-science, 09.10.2023 (год публикации - )
22. - Разработка Пермского Политеха облегчит работу строителям мостов Naked-science, 22.07.2023 (год публикации - )
Возможность практического использования результатов
Выполненный комплекс исследований и полученные результаты формируют научный задел в области моделирования динамического поведения сферических опорных частей пролетных строений мостов, как несущих элементов транспортно-логистических систем. Термомеханические свойства смазочных материалов и математически модели, описывающие их поведение, могут найти широкое применение в задачах о прогнозировании жизненного цикла узлов трения, работающих в сложных температурно-силовых режимах. Результаты, полученные в рамках проекта, дают большой вклад в задачи мостостроения, направленные на оптимизацию работы несущих элементов транспортно-логистических систем, в том числе при их работе в сейсмически активных районах. При дальнейшем развитии разработок возможно создание эффективных методик направленных на выбор геометрической конфигурации элементов конструкций согласно температурно-силовым воздействиям на элемент транспортно-логистической системы и методики подбора материалов антифрикционных прослоек исходя из несущей способности мостового строения и температурных режимов работы. Результаты исследования могут привнести ряд экономических и социальных эффектов, связанных с увеличением безремонтных сроков работы опорных частей мостов и их несущей способности: снижение загруженности транспортных систем из-за увеличения временных сроков беспрерывной работы мостовых сооружений; увеличение пропускной способности мостовых сооружений; возможность эффективной связанности территорий в районах с экстремальными повышенными или пониженными температурными режимами и т.д.
Результаты исследования при дальнейшем развитии научных разработок могут лечь в основу создания новых конструкций сейсмостойких опорных частей мостов. Дефицит сейсмостойких опорных частей мостов отмечается в Российской Федерации, так как основные производители таких конструкций прекратили торговые отношения со страной из-за текущей ситуации в мире и ряда санкций.
Основными экономическими эффектами являются: увеличение числа рабочих мест на предприятиях мостостроительной отрасли благодаря расширению территории использования производимой продукции на районы с экстремальными повышенными или пониженными температурными режимами; увеличение рабочих мест благодаря введению в производство сейсмостойких опорных частей мостов и т.д.
Результаты проекта найдут широкое практическое применение в строительных и мостостроительных организациях Российской Федерации. Термомеханические свойства смазочных материалов и модели их поведения могут найти применение в машиностроении, станкостроении, автомобилестроении, авиации и других отраслях промышленности.
Результаты выполнения проекта будут использованы при издании учебно-методической литературы и чтении спецкурсов «Прочность материалов и конструкций», «Вычислительная механика» и «Механика контактного взаимодействия и разрушения» для бакалавров и магистров образовательного направления «Прикладная механика» ФГАОУ ВО ПНИПУ.