Живучесть поврежденных конструкций

Доронин С.В.

Красноярск, Россия

В общем случае под живучестью несущих конструкций будем понимать их свойство сохранять в течение некоторого времени работоспособность при наличии развивающихся дефектов и повреждений различной природы. Источниками живучести являются: физико-механические свойства материалов сопротивляться разрушению; запасы прочности, определяющие напряженно-деформированное состояние и интенсивность деградации; структурная избыточность и резервирование элементов. В рамках развивающейся теории безопасности технических систем в настоящее время идет процесс формирования системы количественных показателей живучести и безопасности. Количественные характеристики живучести оказываются наиболее близкими к инженерной практике и могут быть наиболее быстро внедрены в проектные расчеты. Это требует четких качественных определений и алгоритмов количественной оценки. В связи с этим предлагается ряд характеристик живучести и методов их оценки.

Следует различать общие показатели живучести, универсальные для всех типов несущих конструкций, и специальные, отличающиеся для различных типов конструктивных форм. Эти характеристики вытекают из рассмотрения конструкции как единого целого, системы взаимодействующих элементов. В этом случае оказывается, что структура системы - один из наиболее важных факторов формирования ее живучести, не сводящийся к комплексу характеристик отдельных элементов.

Показатели живучести будем рассматривать для следующих режимов функционирования конструкции за пределами номинальных условий работы. Во-первых, режим инициации аварийной ситуации. Это кратковременный по длительности режим, в течение которого проектные параметры конструкции выходят за пределы допустимых значений. Во-вторых, режим развития аварийной ситуации. Это режим произвольной длительности, в течение которого происходит деградация конструкции до полной потери ею прочности, несущей способности, конструкционной целостности.

Наиболее общие показатели живучести для этих двух режимов относятся к одной из следующих групп:

1) системные запасы прочности;

2) компенсационные характеристики;

3) характеристики интенсивности деградации.

Будем считать конструкцию обладающей системным запасом прочности в том случае, когда вследствие структурной избыточности, повышенных классических запасов прочности отдельных элементов конструкция оказывается слабо чувствительной к возникновению локальных повреждений и разрушений.

В этом случае возникновение повреждения и потеря несущей способности отдельных элементов приводит к такому перераспределению внутренних силовых факторов, что во всех оставшихся элементах конструкции классические запасы прочности оказываются в допустимых пределах, вследствие чего режим инициации аварийной ситуации просто не возникает.

Количественная оценка системного запаса прочности может выполняться с использованием конечно-элементных технологий в одной из следующих постановок:

1) конструкционный материал в зависимости от его свойств и средовых факторов может разрушаться преимущественно по хрупкому или вязкому сценарию;

2) конструкционный материал рассматривается как сплошная или стохастически дефектная среда.

В предположении преимущественно хрупкого состояния материала задача оценки системного запаса прочности сводится к моделированию разрушения отдельных несущих элементов системы, что обеспечивается удалением их из модели. При этом выполняется поиск наиболее нагруженного элемента с наименьшим запасом относительно предела прочности, который и можно считать системным запасом.

Рассматривая преимущественно вязкое состояние материала, выполняется серия вычислительных экспериментов со снижением жесткостных характеристик материала в предполагаемых разрушенными элементах конструкций. Тогда в качестве системного запаса прочности можно рассматривать силовые (коэффициенты запаса относительно предела текучести в перегруженных элементах) или геометрические (отношение площади или объема всей конструкции соответственно к площади или объему элементов в состоянии пластического течения) характеристики.

Учет случайным образом распределенной дефектности выполняется следующим образом. При отсутствии априорной информации о вероятностных характеристиках дефектности трещиноподобный дефект, максимально допустимый по действующим нормам дефектоскопии, в явном виде вводят в наиболее нагруженные зоны конструкции. При известном вероятностном распределении параметров дефектности выполняется генерация случайным образом распределенной дефектности в соответствии с данным распределением. При этом системный запас прочности определяется с учетом концентрации напряжений в области дефектов.

Под компенсационными характеристиками живучести предлагается понимать свойства конструкции сопротивляться переходу из режима инициации в режим развития аварийной ситуации. Фактически они характеризуют устойчивость комплекса параметров напряженно-деформированного состояния отклонения от которых возникают в условиях режима инициации аварийной ситуации.

Компенсационные характеристики в наибольшей степени являются функциями системных свойств конструкции. Компенсационные характеристики обеспечиваются податливостью конструкции и ее элементов, резервированием, граничными условиями. Количественно компенсационные характеристики могут быть охарактеризованы следующим образом.

Во-первых, в качестве временной компенсационной характеристики рассматривается период времени, в течение которого в конструкции возникнут приспособительные эффекты и параметры напряженного состояния стабилизируются.

Во-вторых, силовой компенсационной характеристикой могут служить параметры волновых процессов распространения деформаций и напряжений при повреждении конструкции и возникновении компенсационных эффектов. аварийный деградация металлический живучесть

В-третьих, можно также рассматривать энергетические компенсационные характеристики, которые можно считать положительными, если при компенсации повреждения снижается уровень накопленной упругой энергии, и отрицательными в противном случае.

Характеристики интенсивности деградации как показатели живучести могут быть охарактеризованы следующим образом. В режиме развития аварийной ситуации показатели живучести характеризуют как скорость падения несущей способности, так и ее производную по времени, то есть условия ускорения или замедления протекающих деградационных процессов.

Количественными оценками в этом случае являются скорости роста трещин и других повреждений, изменения этих скоростей, общая длина системы растущих трещин, косвенные характеристики интенсивности деградационных процессов (интенсивность акустической эмиссии, локальные повышения температур в зонах повреждений и т.п.).

Что касается специальных показателей живучести, их необходимо дифференцировать по типам конструктивных форм и условиям эксплуатации. Рассматриваются следующие типы конструктивных форм:

стержневые пространственные конструкции;

рамные конструкции;

пространственные пластинчатые конструкции;

оболочечные конструкции, в том числе подкрепленные и многослойные;

объемные детали и конструкции.

Например, для рам карьерных автосамосвалов (и объектов аналогичной конструкции и условий нагружения) может быть предложена следующая система количественных показателей живучести.

Таблица 1 - Показатели живучести

Проектные расчеты живучести оказываются тесно связанными с развитием понятия расчетного случая при проектировании. Выбор расчетных случаев играет особую роль при проектировании крупногабаритных пространственных конструкций.

Это связано с тем, что неучет той или иной комбинации условий опирания и нагрузок может иметь катастрофические последствия, выражающиеся в последовательном разрушении всей системы. В связи с этим целесообразно расширение понятия расчетного случая. При этом предполагается включать в расчетный случай не только так называемые аварийные комбинации нагрузок, но и рассматривать в качестве вероятной ситуации разрушение одного (каждого последовательно) несущего элемента. Это дает возможность на этапе проектного расчета проанализировать возможные сценарии развития аварийной ситуации и исключить возникновение «эффекта домино», то есть неуправляемого катастрофического развития разрушений всей системы.

Опыт исследования напряженно-деформированного состояния, анализа характера повреждений и разрушений несущих конструкций различного назначения позволяет рассмотреть следующие типы конструкций с точки зрения их живучести и сопротивляемости развитию аварийной ситуации.

1. Конструкции, состоящие из элементов, в значительной степени сохранивших индивидуальный характер работы, хотя и выполняющих некоторую системную функцию. Для них характерно то, что существует небольшая по объему локальная зона элемента конструкции, посредством которой он включается в систему и через которую передается системный силовой поток. При этом изменение внешних условий в большинстве случаев не меняет характер деформирования отдельных элементов, а определяет лишь его количественные параметры.

Характерными примерами таких конструкций являются пространственные ферменные конструкции различной степени сложности. К таким конструкциям наиболее обоснованно могут быть применены понятия об избыточности и неизбыточности конструктивных схем. При возникновении перегрузок возможно разрушение отдельного элемента либо по его телу, либо по зоне крепления, после чего элемент полностью выключается из работы.

В этом случае технология моделирования оказывается наиболее простой, так как процесс деградации фактически описывается конечным числом состояний системы, все предельные состояния которой можно смоделировать и прогнозировать. Таким образом, технология моделирования заключается в комбинации локального и глобального подходов: моделирование деградации отдельного элемента конструкции, установление факта полной потери им несущей способности и исключение из конструктивной схемы (переход системы в другое состояние).

2. Конструкции, содержащие элементы, включенные в систему посредством протяженных линейных или поверхностных зон. В этом случае, когда системный силовой поток воспринимается и передается далее значительным объемом материала элемента, последний оказывается в такой степени интегрирован в работу всей конструкции, что изменение граничных условий либо начавшийся процесс деградации конструкции приводит к существенному изменению как количественных характеристик, так и характера деформирования.

К таким конструкциям могут быть отнесены пространственные несущие структуры, выполненные преимущественно сварными из листовой стали. По сравнению с конструкциями первого типа такие системы обладают гораздо более высокой живучестью, так как в большинстве случаев не происходит полного исключения несущего элемента при его частичном или полном разрушении. Такие системы имеют гораздо большее число состояний и траекторий развития деградационных процессов. Эти процессы весьма нелинейны и технология моделирования в общем виде выглядит следующим образом.

Выполняется выбор критериев предельных состояний и обоснование их критических значений. Осуществляется конечно-элементный анализ конструкции и проверка наличия зон, перегруженных по выбранным критериям. При наличии таких зон выполняется постепенное, пошаговое увеличение нагрузок с анализом на каждом шаге моделирования конфигурации и размеров поврежденных зон. При переходе к следующему шагу приращения нагрузки для конечных элементов, ассоциированных с зонами повреждений, выполняются корректировки жесткостных и прочностных характеристик. Таким образом, конфигурация и размеры поврежденных зон оказываются заранее непредсказуемыми и определяются в ходе моделирования.

Рассматриваемые технологии моделирования деградации конструкций первого и второго типа являются аналогом прямого метода расчета идеально упругопластической системы. Отличиями являются возможность учета в качестве факторов наступления предельного состояния не только значений внутренних усилий в элементах, но и вычисляемые величины любых критериев, в том числе учитывающих наличие трещиноподобных дефектов, нестационарный характер процесса нагружения, влияние температурных характеристик.

3. Конструкции, элементы которых включены в работу системы всем объемом и представляющие с ней единое целое. Характерными примерами здесь являются объемные литые и кованые детали. В этом случае выполняется исследование во временном аспекте распространения объемных зон деградации, постепенного снижения и потери системой несущей способности.

Моделирование деградации несущих конструкций позволяет исследовать их живучесть в двух аспектах. Во-первых, возможны оценки времени деградации каждой перегруженной зоны до полной потери или существенного снижения несущей способности конструктивного элемента. Это позволяет получить оценку ресурса по комплексу рассматриваемых критериев. Во-вторых, время деградации каждого элемента позволяет выявить критичные с точки зрения обеспечения прочности зоны конструкции. Кроме того, наличие значительного числа изменений состояния системы до перехода ее в предельное состояние свидетельствует о ее повышенной живучести и свойстве сопротивляться развитию аварийной ситуации.

Выполнен анализ конструктивных решений технических систем различного назначения, так или иначе связанных с их живучестью. Кроме того, выполнен поиск аналогий повышения живучести, реализуемых в природных объектах флоры и фауны. В результате сформулирован ряд общих принципов, целенаправленная реализация которых в несущих конструкциях технических систем на этапах их проектирования и эксплуатации позволит предотвратить катастрофическое развитие аварийных ситуаций или значительно снизить ущерб от их возникновения. Среди наиболее эффективных можно отметить следующие принципы.

Принцип слабого звена, заключающийся в преднамеренном ослаблении некритичного с точки зрения всей конструкции элемента. В случае возникновения нештатных ситуаций именно этот слабый элемент разрушается на ранних стадиях перегрузок, не допуская разрушения ответственных базовых узлов и деталей.

Принцип допустимых потерь, реализующийся путем отбрасывания (ликвидации) интенсивно деградирующей подсистемы в целях выживания и сохранения минимальной работоспособности всей системы.

Принцип изменения интенсивности рабочих процессов, сводящийся к целенаправленному изменению на расчетную величину ряда главных параметров системы, что позволяет резко снизить интенсивность деградации и распространение повреждений в системе.

Принцип приспосабливаемости, представляющий собой способность системы частично или полностью компенсировать возникшие повреждения и отклонения от нормы.

Принцип восстанавливаемости (залечиваемости), заключающийся в реализации системой способности самостоятельно ликвидировать повреждения или компенсировать их другими способами.

Принцип альтернативности энергии, реализация которого как минимум дает возможность переключаться на дополнительные источники энергии, а в перспективе строить алгоритмы и технические средства эффективного управления энергетическими характеристиками конструкции.

Принцип резервирования, конструктивно или технологически реализующийся в виде горячего или холодного резерва, разгружающего основные несущие элементы в течение всего срока эксплуатации, либо при возникновении нештатных ситуаций.

Принцип локализации разрушающих воздействий, позволяющий выстраивать механизмы, ограничивающие зоны повреждений, возникшие на начальной стадии аварийной ситуации.

Принцип повышения степени использования физических и химических эффектов, заключающийся в целенаправленной замене, где это возможно, технических устройств действием природных эффектов, не подверженных поломкам и деградации.

Определение параметров и обеспечение живучести несущих конструкций требуют комплексной постановки и проведения исследований, касающихся различных аспектов проектирования, конструирования, производства, монтажа и эксплуатации технических систем. В настоящее время исследования в области живучести выполняются в следующих направлениях.

1. Обоснование и формулировка основных понятий, принципов, качественных и количественных показателей живучести и связанных с ней категорий применительно к деталям и элементам конструкций, узлам, несущим конструкциям и техническим системам в целом.

2. Анализ и изменение структуры проектных расчетов несущих конструкций, разработка вычислительных алгоритмов расчета показателей живучести, регламентация этих расчетов и разработка проектов соответствующих нормативных документов.

3. Исследование живучести типовых конструктивных форм несущих конструкций, разработка конструктивных форм, обладающих повышенной живучестью, и теории построения таких конструктивных форм.

4. Комплексное моделирование аварийных ситуаций конструкций технических систем, включающее как исследование внешних причин и условий аварий и катастроф, так и протекающих при этом в конструкциях внутренних силовых, деформационных, энергетических, волновых процессов.

5. Исследование технологической и эксплуатационной дефектности технических систем, включая вероятностное моделирование процессов формирования технологической дефектности, выявление физических закономерностей случайного характера рассеяния размеров и расположения дефектов, статистический анализ данных неразрушающего контроля.

6. Моделирование напряженного состояния в локальных зонах технологической и эксплуатационной дефектности, включая развитие вычислительных технологий моделирования напряженного состояния в поврежденных зонах и построение вероятностных моделей напряженного состояния в локальных зонах дефектности.

7. Разработка комплекса конструктивно-силовых методов обеспечения живучести, что предполагает формулировку алгоритмов формообразования несущих конструкций в соответствии с требованиями живучести, оптимального проектирования элементов конструкций по критериям живучести, моделей управления ресурсом и живучестью при наличии локальных повреждений.

8. Разработка и конструирование комплекса технических устройств, приборов, аппаратуры, повышающих безопасность эксплуатации технических систем и их живучесть в условиях аварийных ситуаций.

Размещено на Allbest.ru