CC BY
37деградации последних не только ухудшают показатели качества воды (пусть некоторые не столь значительно), но все вместе стабилизируют коллоидный раствор ионов железа, что снижает способность водоема к самоочищению.
Список литературы
[1] Иконников А.А, Ляпина Н.Ш., Мясникова И.Б., Бородин А.Н. Влиянии продуктов деструкции судовых конструкционных материалов на некоторые показатели качества воды // Материалы научно-технической конференции «Проблемы повышения эффективности функционирования и развития транспорта Поволжья». - Ч. 1. — Н. Новгород: ВГАВТ, 2003. - С. 108-110.
[2] Зуев Ю.С. Разрушение полимеров под действием агрессивных сред. - М.: Химия, 1972. - С. 229.
[3] Коррозия и защита судов» справочник / Под ред. Е.Я. Люблинского, В. Д. Пирогова. - Ленинград: 1987.
THE COMPARATIVE DYNAMICS CHANGING QUALITY OF DISTILLED AND NATURAL WATER AFTER IT LONG CONTACT WITH SHIP’S CONSTRUCTIONAL MATERIALS
N. S. Lyaplna, I. B. Myasnikova, A. A. Ikonnikov, A. N. Borodin
In this article was aggregated chronic experiment through influence products destruction ship's constructional materials to some factors quality of water in system distilled water -material, as well as was done comparative experimental data on doing experiment natural river water - material.
УДК 627.33
Н. В. Кочкурова, к. т. н., доцент, ВГАВТ.
603600, Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5, ВГАВТ.
РАСЧЕТЫ ПОРТОВЫХ ПРИЧАЛЬНЫХ СООРУЖЕНИЙ МЕТОДОМ КОНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ, РЕАЛИЗОВАННОМ В ПРОГРАММЕ А^Ув
Рассматривается исследование напряженно-деформированного состояния причальных портовых сооружений с помощью программы основанной на методе ко-
печных элементов.
Портовые гидротехнические сооружения являются конструкциями, на которые оказывают влияние интенсивные и разнообразные внешние воздействия, приводящие к изменению их прочностных и деформационных свойств.
Действие разнообразных внешних факторов, как правило, влечет за собой изменение несущей способности всего сооружения в целом или отдельных его частей. В ряде случаев эти воздействия отражаются на работе или физическом состоянии конструктивных элементов самого сооружения, а в отдельных случаях, некоторые из них действуют на механические характеристики грунтов оснований и засыпок, что также может повлечь за собой изменение несущей способности конструкций.
Учеными рассматривается многообразие различных нагрузок, таких как воздействие водно-воздушного и грунтового окружения, температурный режим конструкций, агрессивное или упрочняющее влияние перерабатываемых грузов, влияние блуждающих токов и т. д. Немаловажное влияние на работу сооружений оказывает волно-
вое и ледовое воздействия, фильтрационный напор за причальными набережными, вызванный колебаниями уровня воды в акватории и использованием гидромеханизации при перегрузке грузов, удары судов, сейсмические воздействия от взрывов и движения перегрузочной техники.
Влияние перечисленных факторов на несущую способность сооружений сказывается, главным образом, через изменение прочностных и деформативных свойств конструкционных материалов.
Большинство ученых в своих исследованиях изучают влияние на причальное сооружение какой-либо одной группы факторов окружающей среды, например волновые воздействия [1,2, 3], ледовые [4, 5] или от судов [6]. Кроме того, практически во всех выполненных ранее исследованиях, работа сооружений описывается либо в линейной, либо в плоской постановке [7, 8, 9].
Однако причальная набережная это дискретная конструкция, характер нагружения которой и геометрическое представление в пространстве требует для ее описания трехмерной постановки задачи, которая бы более полно отражала картину деформирования сооружения.
Исследование напряженно-деформированного состояния причальных портовых сооружений из металлического шпунта возможно выполнять с помощью имитационного моделирования реального процесса работы причального сооружения в заданных эксплуатационных условиях.
Как известно, имитационное моделирование включает две разновидности: физическое и математическое. Физическое моделирование широко распространено в технике и связано с воспроизведением изучаемого процесса на материальной модели с соблюдением подобия физических процессов. Математическое моделирование - это формализованное описание основных количественных взаимосвязей между факторами с использованием математического аппарата, которое в свою очередь делится на аналитическое и имитационное.
В данной работе рассматривается один из методов имитационного математического моделирования - метод конечных элементов (МКЭ) и его реализация в компьютерном программном продукте для инженерного анализа любых, в том числе и пространственных конструкций,
Совокупность программы АЫБУБ и МКЭ позволяет создавать более точные расчетные схемы, по сравнению с упрощенными физическими моделями, которые использовались ранее для проверки представлений ученых о работе той или иной конструкции. Кроме того, развитие вычислительной техники и численных методов расчета механики деформируемых тел дает возможность решения более сложных задач с учетом многочисленных случайных воздействий. Это позволяет оценить не только локальную прочность всего сооружения, но и взаимное влияние отдельных элементов конструкции друг на друга. Новые методы расчета позволяют более полно учесть реальные условия работы конструкций в отношении закона и характера действия внешних нагрузок, граничных условий геометрических размеров, реологических свойств материалов, температурных факторов и т.п.
Сущность МКЭ заключается в следующем [10]: пусть поведение искомой функции ш(х, у, г) внутри заданной ограниченной области V описывается некоторым дифференциальным уравнением 2ш-го порядка:
Ь2ш(ы, К, х, у, т) = я(х, у, т) в V, (1)
здесь К - параметр, характеризующий свойства сплошной среды в объеме К;
ц(х, у, 2) - внешнее воздействие.
Это уравнение дополняется совокупностью т краевых условий:
— главных, в которые входят производные от искомой функции по координатам не выше т- 1го порядка:
- естественных, уравнения которых содержат хотя бы один член с производной порядка а + ¡3 + у >т:
Для определения функции и(х, у, г) вместо совместного рассмотрения приведенных уравнений можно воспользоваться условием стационарности некоторого функционала дЭ(и) =0.
Метод конечных элементов применяется для решения одномерных, двумерных и трехмерных задач, охватывающих почти все практические случаи. Простейшим элементом, описывающим исследуемую область, для двумерных задач является треугольник. В трехмерном случае его аналогом является тетраэдр - элемент с четырьмя узлами.
Математическая модель металлической шпунтовой набережной представляет собой совокупность дискретных областей (элементов), связанных между собой в конечном числе точек (узлов). Основными неизвестными являются степени свободы узлов конечно-элементной модели.
Процесс исследования напряженно-деформированного состояния конструкции причального сооружения из металлического шпунта в АИБУБ выполняется в следующем порядке:
- идеализация конструкции. Исходная конструкция заменяется совокупностью дискретных элементов. При этом подразумевается равенство энергий конструкции, а также ее дискретной модели;
- выбор интерполирующих полиномов. Выбор формы и числа узловых точек для конечных элементов зависит от характера рассматриваемой задачи и от той точности решения, которую требуется обеспечить. Если рассматривается трехмерная область, то обычно она идеализируется с помощью элементарных тетраэдров, прямоугольных параллелепипедов либо неправильных шестигранников;
- задание констант материалов и моделей их поведения;
- построение конечно-элементной сетки;
- задание граничных условий и нагрузок;
- выбор метода решения. В зависимости от типа решаемой задачи можно использовать: прямые либо итерационные методы решения; статическую либо динамическую постановку; учет нелинейностей геометрического или физического характера; задание управляющих параметров решения;
- постпроцессорная обработка результатов решения. На этом этапе результаты решения выводятся в графической форме на экран, в графический файл и на бумажный носитель (твердая копия). Кроме этого, результаты могут быть выведены на бумажный носитель в виде таблиц. Вся выводимая информация должна быть проанализирована исследователем, который и принимает решение о достоверности полученных результатов.
Физическая модель представляет собой (рис. 1) систему, включающую следующие элементы: тонкую металлическую стенку (шпунт), грунт основания и засыпки, анкерную плиту и анкерную тягу, к которым применялась концепция сплошности среды, то есть рассматривалось все пространство как непрерывное.
Г;(а>„.., / 0х° д/ дг\ х, у, г) = $ {х, у, г),
(1 <а+ /3 + у <ш-1; 1 = 1, 2,..., г);
(2)
(3)
При создании геометрической модели конструкции применяются два подхода:
- нисходящий - от сложных геометрических примитивов (объемы, поверхности и т. п.) к более простым - линии, опорные точки;
- восходящий - на базе опорных точек и линий строятся более сложные примитивы.
Рис. 1. Физическая модель причальной набережной
Исследование поведения конструкции проводится на трехмерной модели, поскольку:
- сооружение состоит из нескольких связанных между собой элементов и система этих элементов является дискретной;
- анкерная тяга соединяет шпунт и анкерную плиту и устанавливается с определенным шагом;
- в месте крепления тяги на шпунт действует сосредоточенная сила; анкерные плиты между собой имеют зазор.
Анкерная плита в расчетной схеме соединена со шпунтом анкерной тягой, которая проходит по боковой стороне модели для того, чтобы учесть совместную работу шпунта и анкерной плиты.
Основной рабочей частью конструкции, воспринимающей наибольшую долю всех внешних усилий, является металлический шпунт.
После построения твердотельной модели (рис. 2) создается ее конечноэлементный аналог, т.е. сетка узлов и элементов. Используется два способа генерации сетки: создание упорядоченной сетки и произвольной сетки (автоматически).
Построение упорядоченной сетки требует предварительного разбиения модели на отдельные составные части с простой геометрией - обобщенный четырехугольник или гексаэдр. Затем, указывая количество разбиений на сторонах (ребрах) либо задавая желаемый размер стороны КЭ, можно управлять качеством сетки.
Произвольная сетка обычно состоит из треугольных (тетраэдральных) элементов и не требует предварительного разбиения конструкции на фрагменты заданной формы. К существенным недостаткам произвольных сеток следует отнести - большое количество генерируемых КЭ, а также завышаемая при этом жесткость конструкции.
[ ART
VCUM3 я 111
то» ти ост и imi
•»:(«: И
Рис. 2. Твердотельная модель исследуемой конструкции
Поэтому, наиболее оптимальным, является применение обоих методов с использованием возможности локального перестроения сетки, если построение упорядоченной сетки требует больших трудозатрат.
Рис. 2. Конечный элемент Solid 45
Получаемое конечно-элементное пространство является расчетным аналогом исследуемого сооружения. Описание расчетной области тем или иным конечным элементом зависит от ее геометрических параметров. Например, для отображения объ-
емной области используется твердотельный трехмерный конечный элемент с восемью или двадцатью узлами. Для обрисовки стержневых элементов используются двумерные стержневые конечные элементы с двумя узлами и т. д.
Для моделирования шпунта применяется твердотельный конечный элемент Solid45 (рис. 2) с восемью узлами, имеющий 24 степени свободы - по три степени свободы в каждом узле. При моделировании сложных геометрических областей элемент может преобразовываться в четырехузловой тетраэдр.
Твердотельный конечный элемент Solid 45 также используется для описания области взаимодействия анкерной плиты и грунта. ,
Анкерная тяга моделируется стержневым конечным элементом Link8 (рис. 3), который имеет два узла с тремя степенями свободы (Ux, Uy, Uz) в каждом узле.
Рис. 3. Стержневой конечный элемент Link8
Конечно-элементная сетка модели причальной набережной из металлического шпунта приведена на рис. 4.
Рис. 4. Конечно-элементная сетка модели причальной набережной
Как видно на рис. 4, шаг конечно-элементного разбиения определяется конструктивными особенностями рассматриваемой модели как по геометрии, так и по свойствам используемых материалов, а также возможными концентраторами искомых величин. Область фунта аппроксимируется упорядоченной сеткой с конечными элементами в виде гексаэдров и в зонах взаимодействия фунта с металлическими элементами конструкции причала произвольной сеткой с конечными элементами в виде тетраэдров. Размеры ячеек конечно-элементной сетки шпунта и анкерной плиты, где ожидаются наибольшие значения напряжений, заданы более мелкими в сравнении с другими элементами конструкции. Это позволит получить более точный результат.
Совокупность дискретных областей, связанных между собой в конечном числе точек (узлов), представляет собой математическую модель системы. Узлы используются для того, чтобы определить положение элементов в пространстве, а конечные элементы определяют связность модели. Основными неизвестными являются степени свободы узлов конечно-элементной модели.
Граничные условия для расчетной модели определяют заданные нафузки и офа-ничения. К нафузкам относятся офаничения степеней свободы, сосредоточенные, распределенные, объемные и инерционные усилия. Конкретный вид нафузок зависит от вида проводимого анализа.
Для указания допустимых пределов изменения степеней свободы в узлах модели могут использоваться заданные условия-офаничения.
Контактное взаимодействие материала шпунта и фунта моделируется с помощью контактных элементов. В данной задаче применяется алгоритм контакта «поверхность к поверхности» и описывается как твердо-гибкая модель. Контактирующие поверхности шпунта, имеющие более высокую жесткость описываются как твердые (TARGET), а контактирующие поверхности фунта описываются как гибкие (CONTAC). При моделировании контактного взаимодействия учитывается трение контактирующих слоев.
В соответствии с требованиями прочностного анализа, производимого с целью изучения объекта причальной набережной, офаничены смещения узлов на закрепленном крае объекта расчета. Расчетная модель имеет закрепление по всем трем степеням свободы на плоскостях, расположенных в плоскости XOZ (рис. 5).
Созданная геомефическая трехмерная модель причального сооружения офани-чена двумя параллельными поперечными сечениями (см. рис. 5). Одно сечение проходит по линии симметрии анкерной тяги, другое по линии симметрии блока набережной, повторяющегося с определенным шагом. На поверхность фунта действует равномерно распределенная нафузка - давление.
В соответствии со степенями свободы для каждого конечного элемента конструкции строится матрица жесткости. Затем мафицы жесткости КЭ объединяются в общую матрицу жесткости конструкции, что, в конечном итоге, приводит к построению системы алгебраических уравнений, описывающих поведение исследуемой конструкции. Разрешение построенной системы уравнений производится с помощью “решателей”.
В результате статического прочностного анализа определяются перемещения, напряжения, деформации и усилия, которые возникают в консфукции или ее составных частях в результате приложения механических сил.
В качестве примера использования данной методики для изучения работы причального сооружения под нафузкой приведем результаты исследования влияния поверхностной равномерно-распределенной нафузки на напряженно-деформированное состояние консфукции сооружения.
Расчетная схема приведена на рис. 6. Просфанственная расчетная модель представляет из себя часть консфукции одноанкерной причальной набережной из металлического шпунта. Шпунт имеет прямоугольное поперечное сечение с жесткостью,
приведенной к жесткости корытного шпунта Ларсен 5. Свободная высота причальной сооружения 6,0 м. Анкерная тяга длиной 12,0 м крепится за анкерную плиту. Точка крепления анкерной тяги расположена на 1.5 м ниже верха шпунта. Длина расчетной модели равна части длины набережной, повторяющейся с определенным шагом равным 0,756 м. Анкерная тяга, анкерная плита и шпунт приняты выполненными из стали с соответствующими прочностными свойствами. Взаимодействие фунта засыпки и основания с металлическим шпунтом описывается введенным между плоскостями шпунта и фунта контактом с коэффициентом фения 0,3. На поверхности засыпки прикладывается равномерно-распределенная нафузка, принимается от 0 до, 100 кН/м2.
Рис. 5. Граничные условия
Рис. 6. Расчетная схема к исследованию влияния поверхностной нагрузки на напряженно-деформированное состояние причальной стенки
Для оценки соответствия работы сооружения в реальных фунтовых условиях исследования выполнялись для двух видов состояния фунтов:
- упругая стадия, когда работа фунта описывается линейным законом Гука;
- пластическая стадия, когда работа фунта описывается моделью пластичности Друкера-Прагера.
Расчет модели консфукции проводился по описанной выше методике с использованием метода конечных элементов и конечно-элементного пакета проектирования ЛЫБУБ.
Результаты расчетов величин деформаций шпунта и напряжений в узлах конструкции приведены на рис. 7 и 8.
Анализ фафических зависимостей (рис. 7, 8) показывает, что кривые горизонтальных смещений шпунта при упругом описании области фунта имеют выраженный линейный характер и незначительно возрастают по высоте сооружения в зависимости от увеличения поверхностной нафузки. Величины смещений верха шпунта в упругой стадии работы фунта изменяются от 1,63 мм при нагрузке 10 кН/м2 до 16,56 мм при нафузке 100 кН/м2. Кривые горизонтальных смещений шпунта при пластическом описании материала фунта моделью Друкера-Прагера имеют нелинейный характер. Величины смещений изменяются от 12 мм при нафузке 10 кН/м2 до 136,48 мм при нагрузке 100 кН/м2. Уровень смещений верха шпунта при пластическом описании материала фунта в 7,4 раза выше под нафузкой 10 кН/м2, и в 8,24 раза под нафузкой 100 кН/м2.
При рассмофении изменения смещений в грунте засыпки (см. рис. 8) с увеличением нафузки можно также отметить неравномерность изменения смещений верхних слоев фунта. При нафузке 10 кН/м2 смещения при пластическом описании материала фунта в 4.78 раза больше, чем при упругом, а при нафузке 100 кН/м2 - в 4,44 раза.
В соответствии с установленными нормативами [11] предельное отклонение причальной стенки из металлического шпунта должно быть не более 8 см.
На основе этого исследования можно определить предельно-допустимую нафуз-ку на причальное сооружение, которое в нашем случае при пластическом описании грунтовой среды составляет 88 кН/м2. При определении по существующей методике [11] при тех же заданных условиях предельная нафузка составляет 77 кН/м2, что объясняется запасами прочности, закладываемыми в расчетах, и пофешностью методики при задании исходных парамефов причального сооружения.
Нагрузка, кН/мА2
Рис. 7. Зависимость изменения горизонтальных смещений верха шпунта от изменения поверхностной нагрузки в упругой и пластической стадии работы грунта
Нагрузка, кН/м"2
Рис. 8. Зависимость изменения вертикальных смещений верхних слоев грунта от изменения поверхностной нагрузки
Таким образом, проведенные исследования с использованием предложенной нами методики показали, что предельно-допустимая эксплуатационная нагрузка на исследуемое нами причальное сооружение может быть повышена в 2.2 раза, чем установленная нормативами для этого причального сооружения при сохранении устойчивости сооружения. Приведенная нами методика позволяет также прогнозировать изменение НДС сооружения при смене грузовой ситуации и изменении фунтовых условий.
Список литературы
[1] Логинов Л.Н. Давление вынужденных ветровых волн на вертикальную стенку // Труды ЛИИВТа, сб. науч. тр. молодых специалистов, ч. 3 I Логинов Л.Н. - Л., ЛИИВТ, 1973.
[2] Тюрин А.П. Теория взаимодействия неразбитых волн с оградительными сооружениями типа вертикальной стенки // Сооружения и механизмы морских портов / Тюрин А. П. - М.: 1983. -С. 6-12.
[3] Борисова Л.Н. Экспериментальные исследования волновых воздействий на гидротехнические сооружения откосного типа. Автореф. дисс. на соискание ученой степени канд. техн. наук / Борисова Л.Н. - М.: 1955.
[4] Николаевский М.Ю. Экспериментальные исследования работы стальных оболочек большо-
го диаметра, заполненных грунтом на волновые и ледовые нагрузки //Технология и оборудование для свайных и буровых работ / Николаевский М.Ю., Серебро А.Я., Смолко С.Я. - Л.: 1988.
- С. 26-30. .
[5] Упоров A.B. К расчету нагрузки от дрейфующего ледяного поля на конические опоры гидротехнических сооружений //Сб. тр. Моск. инж.-строит. ин-та / Упоров A.B. — М.: 1984. -№ 192.-С. 66-70. '
[6] Гапоненко В.И. Вопросы технической эксплуатации при взаимодействии судов с причальными сооружениями. Спец. 05.22.18 - Морские и речные порты. Автореф. дисс. на соиск. ученой степени канд. техн. наук / Гапоненко В.И. - Одесса: 1973.
[7] Арсентьева Е.М. Приложение метода Б.И. Жемочкина к расчету причальных стенок с учетом перемещений и переменных характеристик грунтов во времени //Развитие методов расчета морских торговых сооружений / Сб. науч. тр. под ред. Костюкова В.Д. / Арсентьева Е.М., Коровкин B.C. - М.: Транспорт, 1985.
[8] Варгин М.Н. Определение допускаемых полосовых нагрузок на причалы с помощью ЭВМ // Морские порты: инженерные сооружения и средства механизации / Варгин М. Н. - М.: В/О «Мортехинформреклама», 1989. [ОИИМФ].
[9] Золотова Т.И. К вопросу о решении задач механики грунтов методом конечных элементов.// Морские порты. Науч. труды, вып. 6. / Золотова Т. И. - Одесса: 1973.
[10] Постнов В.А. Численные методы расчета судовых конструкций./ Постов В. А. - Л.: Судостроение, 1977.
[11] Указания по проектированию причальных набережных. СН РФ - 54.185. Гипроречтранс -М.: 1987.
CALCULATIONS OF PORT CONSTRUCTION BY A METHOD OF FINITE ELEMENTS, REALIZED IN THE PROGRAM ANSYS
N. V. Kochkurova
The research stressed and deformed condition of port constructions with the help of the program ANSYS, based on a method of finite elements is considered.
УДК 627.33
Н. В. Кочкуроеа, к. т. п., доцент, ВГАВТ.
603600, Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5.
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ КОРРОЗИИ КОНСТРУКЦИИ НА НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ ПОРТОВЫХ ПРИЧАЛЬНЫХ СООРУЖЕНИЙ ИЗ МЕТАЛЛИЧЕСКОГО ШПУНТА
В статье рассматриваются результаты исследования напряженно-деформированного состояния портовых причальных сооружений с учетом влияния коррозионного износа металлического шпунта. Исследования выполняются с помощью программы АЫБУБ, основанной на методе конечных элементов.
Металл стальных конструкций шпунтовой набережной при определенного рода неблагоприятных воздействиях окружающей среды и режиме эксплуатации подвергается коррозии. Коррозия может служить причиной аварии портовых сооружений. Большинство причальных сооружений в портах наиболее крупного Волжского бассейна построено из стали. Такие речные порты, как Казанский, Ярославский, Ульяновский, Рыбинский, Саратовский и ряд других, имеют причальный фронт, на всем протяжении застроенный стальными набережными больверкового типа.
К факторам, вызывающим коррозию, относят агрессивные воздействия грунтовых вод и воды на акваториях, особенно в зонах переменного уровня и заплеска воды, воздействие перерабатываемых на причалах химических грузов, влияние блуждающих токов и токов утечки.
По механизму протекания коррозионного процесса различают химическую и электрохимическую коррозии металла. Второй вид коррозии часто наблюдается у конструкций, погруженных в морскую и пресную воду или во влажный грунт. В условиях жаркого климата наблюдается биокоррозия стали - электрохимическое разрушение, протекающее при участии микроорганизмов.
В зависимости от влажности атмосферы, где находится металл, различают коррозию: сухую; влажную; мокрую.
Для транспортных гидротехнических сооружений важное значение имеет то обстоятельство, что скорость мокрой коррозии понижается с увеличением толщины слоя влаги вследствие затруднения диффузии кислорода к металлу. При значительной
