Центр Компьютерного Инжиниринга "Нумерика"
ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ КОМПОЗИТНЫХ ПЛИТ ДЛЯ УСТРОЙСТВА ЛЕДЯНОЙ ПЕРЕПРАВЫ
Инженерами ЦКИ «Нумерика» выполнена экспресс-оценка эффективности применения композитных плит для устройства ледяной переправы и повышения ее несущей способности.
Дата: апрель 2021
Введение
Объектом расчетных исследований является конструкция ледяной дороги, покрытой матами из полиэтилена высокой плотности. Конструктивно маты представляют собой плиты из композита с противоскользящими ребрами на поверхности и отверстиями по периметру для удобства монтажа и установки. Такие композитные устройства также используются как платформы для организации площадок, армирования дорог и зимников. Внешний вид мата в базовом варианте с размерами 5,5х2х0,027 м представлен на рисунке.
Базовый мат из композита
Целевым районом для применения данных композитных решений является Республика Саха (Якутия). Данный район характеризуется резко континентальным типом климата, который отличается продолжительным зимним и коротким летним периодами. Разница температур самого холодного месяца (января) и самого тёплого (июля) составляет 70-75 градусов. В зимние месяцы наблюдаются экстремально низкие температуры воздуха. Абсолютный минимум температуры практически везде достигает минус 50 °C. Ледяной покров на водоемах формируется быстро и достигает большой толщины, в связи с чем строительство ледовых переправ в таких климатических условиях является целесообразным решением.
Разработка численной модели
Расчётные исследования выполнялись в верифицированном программном комплексе SIMULIA Abaqus в линейной постановке, учитывающей температурный градиент в ледяном покрове. В данной исследовательской работе производилась постановка задачи, анализ технических характеристик композитных матов, разработка пространственных конечно-элементных моделей, анализ нагрузок, оценка напряженно-деформированного состояния (НДС) при различных комбинациях толщины льда и нагрузки от автотранспорта.
Предполагалось, что маты укладываются в виде непрерывной полосы короткой стороной вдоль направления движения. Размеры ледяного массива в плане приняты равными 86х86 м и исключают влияние граничных условий на результаты расчета. В данном исследовании рассматривался ледяной покров со следующими толщинами под базовыми матами: 30, 50, 70, 90 и 110 см. В соответствии с исходными данными, предоставленными заказчиком, толщина тела базового мата составляет не менее 24 мм. Таким образом, полная толщина ледяного покрова в ходе расчетов изменялась от 0,324 м до 1,124 м с учетом толщины базового мата. При выполнении расчетов учитывался температурный градиент в ледяном покрове. Геометрическая модель ледяного массива в плане представляет собой прямоугольник с размерами 43х86 м, где боковая грань проходит через предполагаемую ось движения транспортного. Таким образом, выполнялось моделирование половины модели для решения осесимметричной задачи.
При дискретизации объемных тел на конечные элементы использовались гексаэдрические восьмиузловые конечные элементы (КЭ) типа C3D8R (в тепловом анализе DC3D8R). В настройках элемента включена опция пониженной интеграции, которая позволяет использовать интеграцию более низкого порядка для формирования жесткости элемента. Матрица масс и распределенные нагрузки при этом используют полную интеграцию. Уменьшение интеграции сокращает время работы, особенно при решении трёхмерных задач.
Глобальный размер конечных элементов ледяного массива принят равным 0,06 м. В области приложения нагрузок локальный размер элементов был уменьшен до 0,02 м, а к границам модели увеличен до 0,4 м. По толщине базовые маты разбивались на 3 элемента, а массив льда под ними на 10-21 элементов в зависимости от толщины льда.
Оценка напряженно-деформированного состояния ледяного покрова и композитных плит производилась с учетом действия нагрузки от грузового транспорта массой 40 т. В качестве расчетного грузового автотранспортного средства принят седельный тягач КАМАЗ 53504-6910-46 с полуприцепом-контейнеровозом PK-24N-6. Нагрузка на оси автотранспорта принята неравномерной: 20 т на три оси полуприцепа, 15 т на две задние оси тягача, 5 т на переднюю ось тягача. При геометрическом моделировании на верхней грани композитного покрытия были выделены области нагружения под каждое колесо расчетного автомобиля. Размеры пятен были приняты в соответствии со схемой нагружения НК, описанной в ГОСТ 32960-2014 [6].
Граничные условия в численной модели учитывают пространственную работу ледяного покрова и взвешивающее действие воды под ним. Моделируется стеснение перемещений от льда за границами моделируемой области. На нижнюю грань ледяного покрова определено граничное условие упругого основания с коэффициентом постели равным 9810 Н/м3 для моделирования сопротивления воды под ледяным покровом. Тепловое состояние ледовой переправы моделировалось с помощью инструмента предопределённых полей переменных.
Оценка эффективности применения композитных плит
Напряженное состояние модели оценивалось по величине главных напряжений. Так, минимальные главные напряжения σ3 характеризуют максимальные сжимающие напряжения σсmax, а максимальные главные напряжения σ1 характеризуют максимальные растягивающие напряжения σtmax в модели.
Величина сжимающих напряжений в ледовой переправе для всех расчетных случаев относительно невелика и не превышает расчетного сопротивления композитных матов на сжатие равное 25 МПа. Максимальное значение равное 5,024 МПа может являться разрушающим для льда, но так как эксплуатация переправ предполагается в районе с экстремально низкими температурами (Якутия), то верхние слои ледяного покрова, подвергающиеся наибольшему сжатию, будут обладать высокой прочностью.
В данном случае целесообразно оценивать прочность переправы по величине растягивающих напряжений в нижних слоях льда. Величина максимальных растягивающих напряжений уменьшается при увеличении толщины льда. Значения прочности льда на растяжение менее 1 МПа можно считать физически возможными. Более вероятные значения прочности при растяжении составляют 0,5 МПа и менее. Таким образом, можно считать, что полная нагрузка 40 тс допустима лишь при толщинах льда от 0,9 м и более и недопустима в принципе, если предел прочности льда при растяжении равен 0,5 МПа и менее.
Нужно отметить, что прочность льда на растяжение является непостоянной величиной, зависящей от его структуры, температуры, фазового состава (наличия воздушных включений и рассола в случае морского льда), скорости деформаций, стесненных условий и других факторов. В связи с этим общая оценка возможности эксплуатации ледовой переправы должна производиться для конкретного района отдельно с проведением соответствующих испытаний. Кроме того, при изыскании, проектировании, строительстве и эксплуатации ледовых переправ следует руководствоваться соответствующими нормативными документами, действующими на территории Российской Федерации, например ОДН 218.010-98 [3].
Для оценки эффективности использования композитных плит в конструкции ледовой переправы был выполнен сравнительный анализ величин напряжений и вертикальных перемещений двух численных моделей. В одно численной модели учитывается наличие композитных плит, а в другой присутствует только тело ледяной переправы. Сравниваемые модели имели одинаковую толщину льда, нагрузки и граничные условия.
Для оценки эффективности использования композитных плит в конструкции ледовой переправы был выполнен сравнительный анализ величин напряжений и вертикальных перемещений двух численных моделей. В одно численной модели учитывается наличие композитных плит, а в другой присутствует только тело ледяной переправы. Сравниваемые модели имели одинаковую толщину льда, нагрузки и граничные условия.
Результаты показали, что композитные маты незначительно влияют на результирующую картину напряженно-деформированного состояния ледяной переправы. Их использование в качестве покрытия способствует незначительному уменьшению значений вертикальных перемещений и сжимающих напряжений в верхних слоях. Однако, значения растягивающих напряжений практически не изменяются, в связи с тем, что их критические значения возникают в нижних слоях, где маты не оказывают влияния.
Таким образом, использование композитных матов в качестве армирующих элементов в верхних слоях нецелесообразно, а в нижних слоях невозможно в связи с величиной модуля упругости полиэтилена высокой плотности, который в несколько раз ниже модуля упругости льда, а также с технологическими трудностями возведения подобной переправы. Кроме того, укладка матов поверх льда препятствует нормальному теплообмену льда с окружающим воздухом, поскольку коэффициент теплопроводности полиэтилена ниже, чем у льда. Положительный эффект от их использования может быть достигнут из-за увеличения коэффициента трения колёс автотранспорта по контактной поверхности, что способствует повышению безопасности передвижения.
Таким образом, использование композитных матов в качестве армирующих элементов в верхних слоях нецелесообразно, а в нижних слоях невозможно в связи с величиной модуля упругости полиэтилена высокой плотности, который в несколько раз ниже модуля упругости льда, а также с технологическими трудностями возведения подобной переправы. Кроме того, укладка матов поверх льда препятствует нормальному теплообмену льда с окружающим воздухом, поскольку коэффициент теплопроводности полиэтилена ниже, чем у льда. Положительный эффект от их использования может быть достигнут из-за увеличения коэффициента трения колёс автотранспорта по контактной поверхности, что способствует повышению безопасности передвижения.
Заключение
В данной работе специалисты ЦКИ «Нумерика» выполнили экспресс-оценку эффективности применения композитных плит при устройстве ледяной переправы. Результаты расчетных исследований показали, что использование композитных матов нецелесообразно, поскольку их применение не оказывает влияние на величину растягивающих напряжений в нижних слоях льда, являющихся критическим параметром при оценке прочности ледяной переправы.
ООО "ЦКИ "Нумерика" 2023 — ... ©
cae-numerica@yandex.ru
Пн—Вс: 10:00—21:00
г. Владивосток
*Проект создан при поддержке Фонда Содействия Инновациям