Разработка расчетной методики увеличения надежности, долговечности и износостойкости сферических опорных частей мостов в условиях термо-силового нагружения, включающей выбор рационального конструкционного исполнения их элементов

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 проекта 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

Руководитель Каменских Анна Александровна, Кандидат технических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Пермский национальный исследовательский политехнический университет" , Пермский край

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 слова опорные части мостов, трение, полимерные материалы, композиционные материалы, модели поведения, напряженно-деформационное состояние, контактное взаимодействие

Код ГРНТИ30.19.53

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.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

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)
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)
10.3390/lubricants10090207

3. 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)
10.3390/lubricants10110283

4. 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)

5. 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)

6. 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)

7. 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)

8. 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)

9. 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)

10. 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)

11. 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)

12. 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)

13. 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)

14. 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)

15. 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)

16. 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)

17. 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)

18. 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)

Публикации

1. 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)

2. 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)
10.3390/polym15173630

3. 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)
10.3390/lubricants11070295

4. 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)

5. 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)

6. 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)

7. 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)

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. 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)

10. 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)

11. 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)

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. 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)

14. 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)

15. 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)

16. 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)

17. 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)

18. 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)

19. 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)