CC BY
2
УДК 620.1.08; 004
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-12-436-441
РАЗРАБОТКА МОДЕЛЕЙ ДЕГРАДАЦИИ МАТЕРИАЛОВ И КОНСТРУКЦИЙ В УСЛОВИЯХ ПРОЛИВОВ КОМПОНЕНТОВ ТОПЛИВА
Д.П. Мандрица, А.Н. Миронов, Д.А. Авсюкевич
Выполнен анализ параметров эксплуатации специальных сооружений, которые подвергаются воздействию проливов компонентов топлив. Определены показатели воздействия компонентов топлива на несущие конструкции специальных сооружений, которые приводят к возникновению деградации основных эксплуатационных свойств: надежности и долговечности материалов и конструкций. Для образцов бетона различных классов выполнены исследования воздействия керосина на образцы бетонов различных классов. Определены параметры взаимодействия керосина с материалом конструкции при свободном растекании. Построены математические модели для скорости деградации бетона различных классов. Определены экспериментальные значения координаты фронта деструкции, полученные по изохронам деградации бетона.
Ключевые слова: деградация, деструкция, прочность, микротвердость, образцы бетона, концентрация керосина.
В процессе длительной эксплуатации несущие конструкции стартовых сооружений РКК подвергаются воздействию различных факторов: механических, физических, химических, техногенных и т.д. Влияние таких факторов на напряженно-деформированное состояние материалов и конструкций осуществляется путем введения соответствующих коэффициентов надежности: по материалу, по назначению, по условиям работы. Однако данные коэффициенты запаса не отражают в полной мере фактическую работу несущих и ограждающих конструкций, так как не учитывают механизм изменения различных свойств материала под действием агрессивных сред.
В настоящее время разработаны модели и методы прогнозирования долговечности железобетонных конструкций, которые изложены в работах Бондаренко В.М., Петрова В.В., Селяева В.П., Федорова В.С., Мурашкина Г.В., Римшина В.И, Баженова Ю.М., Алексеева С. Н., Бабушкина В.И., Москвина В.М., Гузеева Е.А., Рахимбаева Ш.М., Леоновича С.Н. В данных работах изложены подходы к расчету, оценке и прогнозированию долговечности и надежности строительных конструкций, работающих при совместном действии силовых факторов и агрессивных сред; под действием химически-активных веществ свойства материала изменяются неравномерно как по объему образца, так и по структуре.
Основные особенности воздействия компонентов ракетных топлив на несущие конструкции специальных сооружений.
1. Расчет долговечности и надежности несущих и ограждающих конструкций стартовых сооружений должен учитывать динамику процессов, протекающих в материале под действием агрессивных сред. Для этого необходимо определять основные характеристики сопротивления бетонов действию химически-активных веществ и механизм взаимодействия материала со средой.
2. Значения прочностных и деформационных характеристик материалов конструкций, а также величин внешних воздействий носят случайный характер, т.е. отклоняются от средних значений. Поэтому для оценки технического состояния несущих и ограждающих конструкций стартовых сооружений (СС) необходимо наличие достоверных статистических характеристик расчетно-конструктивных параметров и факторов окружающей среды.
3. Для обеспечения долговечности и безопасности эксплуатации стартовых сооружений РКК расчет несущих конструкций СС должен выполняться на совместное действие эксплуатационных нагрузок и воздействий и агрессивной среды, а также учитывать случайный характер величин, принятых в расчете.
К основным характеристикам сопротивления материалов относятся: поверхностная прочность, характеристики поглотительной способности, характеристики сопротивления коррозионным процессам в бетонных и железобетонных конструкциях стартовых сооружений.
Основную часть. Определение параметров деградации проводилось на кафедре ПГУПС имени Александра I и включало следующие испытания.
1. Неразрушающие испытания по толщине на срезе с использованием приборов неразрушаю-щего контроля с определением прочности образцов.
2. Дериватографические исследования образцов бетона различных классов.
3. Построение моделей деградации основных свойств бетонов после проливов компонентов ракетных топлив (это остаточные деформации)
4. Численные расчеты остаточной прочности и остаточных деформаций поперечного сечения бетонной (железобетонной) конструкции на основе деформационной модели бетона после проливов КРТ.
1. Целью неразрушающих испытаний образцов бетона различных классов было выяснение изменения поверхностной прочности бетона после воздействия компонентов топлива: керосина. Испытания проводились с использованием приборов ОНИКС-2.5, ИПС - МГ4.01.
436
Испытания проводились на образцах бетона В20, В30. Размеры образцов 100*100*100. Образец разрезался по оси на 2 части. Время выдерживания в керосине 1 час. Основные точки испытаний представлены на рис. 1.
1
2 '
№ Точки Прочность при
испытзшш ! (опытам.
1 1 14.0
2 1 ,14.7
3 3 ,14.К
4 4 34,3
5 5 34.8
Рис. 1. Схема точек и результатынеразрушающих испытаний образцов бетона
В результате проведенных неразрушающих испытаний бетонных образцов установлено, что поверхностная прочность бетона по толщине образца после воздействия компонентов ракетных топлив практически не изменилась.
2. Дериватографические исследования образцов бетона, подвергнутые воздействию проведены в Санкт-Петербургском технологическом университете с использованием спектрометра EDX-8000.
В результате испытаний установлено изменение содержание окислов кальция, кремния, железа и др. элементов (рис. 2, табл. 2).
Таблица 2
Содержание элементов в образцах бетона после воздействия керосина_
№ Образец для испытаний Содержание элементов в образцах бетона, %
п/п Са Si Fe А1 К
1 Образец 1 58.46 28.41 3.51 7.69 1.29
8.37 59.51 4.05 18.7 8.33
2 Образец 2 43.12 45.68 3.06 4.16 3.5
13.35 63.68 - 21.5 1.47
3 Образец 3 67.44 20.64 5.28 3.77 1.91
19.11 55.04 11.96 7.8 5.16
-1_ОАер жание. В-Х-
врег я воза вйотаи :ина, 4;
0,4 0.8 1,2 1,6 2 2,4 2,8 3,2 3.6 4 Рис. 2. Содержание окислов кальция, кремния, железа и других элементов в бетонных образцах
3. Разработка моделей деградации основных свойств бетона после проливов КРТ. Вопросы оценки стойкости бетонных и железобетонных конструкций специальных сооружений действию агрессивных сред изложены в работах [взять из 3.1....]. Так в работе [ 1] определены основные характеристики химического сопротивления бетонов действию агрессивных сред, идентифицированы (выявлены) основные параметры деградации бетонов из мелкозернистого цементного бетона, выдержанных в условиях агрессивной среды - растворе серной кислоты. В качестве характеристик деградации использовались микротвердость. Результаты представлены на рис. 3.
Анализ результатов исследований [2], представленных на рис. 3, показывает, что снижение прочностных, деформационных и физико-химических характеристик бетонов носит поверхностный характер и с течением времени падает. В случае полного насыщения образца бетона деградация свойств протекает интенсивнее на поверхности, чем в объеме. Предельное насыщение образцов из бетона в агрессивной среде приводит к деструкции по всему объему. Однако данные исследования проводились на образцах призмах из мелкозернистого бетона. При этом не учитывались реальные физические характеристики бетона и железобетона.
КоорДИИнШ! ссчсммя у/Ь
-0-7сут -0-14сут -й-28 сут -*-5бсут -*-120сут -»-150сут
Рис. 3. Изменение микротвердости в 2% растворе Н:>4()4
Рассмотрим взаимодействие керосина с бетоном (железобетоном) при свободном растекании. Учитывая, что керосин по отношению к бетону является слабоагрессивным, процессы диффузионного перемещения керосина в бетонном образце могут быть описаны диффузионными уравнениями Фика. Определим диффузионный поток _/ в поперечном направлении как количество вещества:
. _ Ат
1 ~ БД^
где т - количество вещества; t - время; S - площадь.
По первому закону Фика величина диффузионного потока у с связана с величиной градиента концентрации С уравнением
I-
Так как компоненты ракетного топлива в виде керосина распределены в бетоне неравномерно, то величина диффузионного потока у пропорциональна величине градиента концентрации, а направление - противоположно направлению градиента. Под концентрацией С понимается концентрация агрессивной среды, химическая или биологическая активность.
Коэффициент пропорциональности D характеризует эффективность диффузионного перемещения исследуемого вещества. Второй закон Фика описывает изменение общей концентрации диффундирующего вещества в каждой точке среды (рис. 4).
А
¡(*)
И
¡(х+аю
Рис. 4. Схема изменения общей концентрации диффундирующего вещества
Уравнение материального баланса при диффузии керосина через бетон представляется в следующем виде
дс _п д2с Ть- Их*.
Зная изменение концентрации керосина в бетоне с течением времени и по глубине образцов бетона можно получить зависимость для коэффициента пропорциональности Б. Регрессионные зависимости для поглотительной способности для различных классов бетона имеют вид бетон В20 - Мп1 = 34.16 • ¿0165; бетон В25 - Мп1 = 30.39 • *:0142; бетон В30 - Мп1 = 27.87 • ¿0124, бетон В40 - Мп1 = 26.54 • ¿012.
Характеристики глубины погружения керосина в бетон по результатам испытаний определяются выражениями в виде полинома второй степени:
бетон В20 кр = -0.048 • + 0.728 • С - 0.028, бетон В25 кр = -0.045 • г2 + 0.655 •С + 0.04, бетон В30 Кр = -0.043 • г2 + 0.607 • С - 0.028, бетон В40 1гр = -0.0427 • Ь2 + 0.571 • С - 0.128.
Представим обратную функцию глубины погружения керосина в бетонный образец. Результаты регрессионного анализа можно представить выражением бетон В20 - С = 0.567 • Нр2 + 0.758 • кр + 0.114, бетон В25 - С = 0.77 • Нр2 + 0.691 • кр + 0.068, бетон В30 - С = 0.967 • Нр2 + 0.846 • кр + 0.088, бетон В40 - t = 1.293 • кр2 + 1.012 • кр + 0.132.
нием
Тогда уравнения для концентрации керосина в бетоне по глубине можно представить выраже-
^0.165 ч 0.142 ч 0.124 ч 0.12
бетон В20 бетон В25 бетон В30 бетон В40
Мп1 = 34.16 • (0.567 • кр2 + 0.758 • Ир + 0.114) Мп1 = 30.39 • (0.77 • кр2 + 0.691 • Кр + 0.068)С Мп1 = 27.87 • (0.967 • К2 + 0.846 • Кр + 0.088)" Мп1 = 26.54 • (1.293 • кр2 + 1.012 • Кр + 0.132)'
Проведем преобразования согласно выражению.
бетон В20 5.636 • £
-0.835 _
Б
4.706-(1.134 Ьр + 0.758)
■ + ■
тогда коэффициент пропорциональности
, 9 х1.835 > , 9 х 0.835
(0.567 • ^р+0.758 • Нр + 0.114) (0.567 • ^ + 0.758 • Ьр + 0.114)
5.636^"0 835
4.706-(1.134-Лр+0.758)
(0.567-^р2 + 0.758^р + 0.114) (0.567^р2+0.758^р+0.114)
бетон В25 4.316 • Г
3.703-(1.54 Ьр + 0.691) (0.77Ьр2 + 0.691Ьр + 0.068)
+ ■
(0.77Ьр2 + 0.691Ьр + 0.068
4.316£~0 858
3.703{1.54^р+0.691)
бетон В30 Б =
3.45
(о. 77^р2 + 0. 691^р+0. 068^ (о. 77^р2 + 0. 691^р + 0. 068^
ь, бетон В40 Д =
Графическое представление скорости деградации О для бетона класса В20 на рис. 5.
а б
Рис. 5. Зависимость скорости деградации от глубины проникания и времени воздействия
для образцов бетона классов В25, В30
Предельная концентрация ц0 предлагается определять по сорбционным кривым, описывая процесс сорбции дробно-линейной функцией вида:
Я=-,
где ^о - предельная сорбционная емкость при одинаковая при разных температурах и напряжени-
ях; £0 - характеристика кинетики набухания, зависящая от температуры и нагрузки. Скорость продвижения фронта деградации Б определяется по формуле
8
/п— ■ л
/п
ц0
9о
4Д2
где R - радиус фронта деградации свойств бетона.
Показатель скорости продвижения фронта диффузии агрессивной жидкости является достоверной оценкой показателя скорости продвижения фронта деградации (Б~Бт).
Экспериментальные значения координаты фронта деструкции, полученные по изохронам деградации, прямо пропорциональны координате «а — Предлагается для определения координаты фронта разрушения структуры цементного бетона (глубинного показателя деградации) использовать зависимость [....]
а =
Здесь fc(^) - коэффициент, зависящий от инструментальной точности измерения твердости материала и химической активности реакционноспособных компонентов бетона и среды.
Выводы:
1. В качестве основных показателей деградации бетонных образцов при воздействии агрессивных сред следует считать Dm,D,a, Каждому механизму деградации соответствует определенная модель, описываемая специальными функциями. Деградационная функция в общем виде может быть представлена следующим выражением:
Я (О
D= = /(t, Г, ст, с, ft, a, a),
Здесь t - время; T - температура; ст - напряжение; с - концентрация агрессивной среды; h - геометрическая характеристика; а и a - параметры деградации.
2. Построены изохроны деградации для различных классов бетона, которые представляются математической зависимостью от времени воздействия.
3. Определены предельные концентрации Мп агрессивной среды в бетонных образцах, а также скорость продвижения фронта деградации D.
Список литературы
1. Большаков Г.Ф. Физико-химические основы применения моторных, реактивных и ракетных топлив / Г.Ф. Большаков, Е.И. Гулин, Н.Н. Торичнев; ред.: К.К. Папок, П.И. Давыдов. М.; Л.: Химия, 1965. 270 с.
2. Топлива, смазочные материалы, технические жидкости. Ассортимент и применение: Справочник / И.Г.Анисимов, К.М. Бадыштова, С.А. Бнатова, и др.; Под ред. В.М.Школьникова. Изд. 2-е пере-раб. и доп. М.: Издательский центр «Техинформ», 1999. 596 с.
3. Криогенный бетон: по материалам Международной конференции. М.: Стройиздат, 1986.
168 с.
4. Воробьев А.А., Саид Мохамад. Влияние нефтепродуктов на некоторые деформативные свойства бетона при кратковременном нагружении // Бетон и железобетон. 2003. №6. С. 18-20
5. Васильев H.M. Деформативность пропитанного нефтепродуктами бетона // Бетон и железобетон. 1988. №12. С. 10-11.
6. Васильев Н.М. Влияние минеральных масел на физико-механические свойства бетона и его защита. Дисс. ... к.т.н. М., 1966. 163 с.
7. Воробьев А.А., Саид Мохамад. Влияние нефтепродуктов на некоторые деформативные свойства бетона при кратковременном нагружении // Бетон и железобетон. 2003. №6. С. 18-20.
8. Hesham Diab. Compressive strength performance of low- and high-strength concrete soaked in mineral oil // Construction and Building Materials. 2012. Vol. 33. Pp. 25-31.
9.Yurtdas L, Xie S.Y., Burlion N., Shao J.F., Saint-Marc J., Gamier A. Influence of chemical degradation on mechanical behavior of a petroleum cement paste II Cement and Concrete Research. 2011, Vol. 41. Issue 4. Pp. 412-421.
10. Zhang J., Weissinger E.A., Peethamparan S., Scherer G.W. Early hydration and setting of oil well cement // Cement and Concrete Research. 2010. Vol. 40. Issue 7. Pp. 1023-1033.
11.Свинцов А.П., Николенко Ю.В., Харун М.И. Влияние вязкости нефтепродуктов на деформативные свойства бетона // Инженерно-строительный журнал.2014. №7. С.16-22.
12. СП 28.13330.2017 «СНиП 2.03.11- 85 Защита строительных конструкций от коррозии» с Изменениями № 1, № 2.
Мандрица Дмитрий Петрович, канд. техн. наук, доцент, vka@mil.ru, Россия, Санкт-Петербург, Военно-космическая академия имени А. Ф. Можайского,
Миронов Андрей Николаевич, д-р техн. наук, профессор, Россия, Санкт-Петербург, Военно-космическая академия имени А. Ф. Можайского,
Авсюкевич Дмитрий Алексеевич, д-р техн. наук, профессор, Россия, Санкт-Петербург, Военно-космическая академия имени А. Ф.Можайского
DEVELOPMENT OF MODELS OF DEGRADATION OF MATERIALS AND STRUCTURES IN CONDITIONS
OF FUEL COMPONENT SPILLS
D.P. Mandritsa, A.N. Mironov, D.A. Avsyukevich
The analysis of the parameters of operation of special structures that are exposed to spills of fuel components is carried out. The indicators of the impact of fuel components on the load-bearing structures of special structures, which lead to the degradation of the main operational properties: reliability and durability of materials and structures, are determined. For concrete samples of various classes, studies of the effect of kerosene on concrete samples of various classes were carried out. The parameters of the interaction of kerosene with
440
the structural material during free spreading are determined. Mathematical models for the degradation rate of concrete of various classes are constructed. The experimental values of the destruction front coordinate obtained from the isochrons of concrete degradation are determined.
Key words: degradation, destruction, strength, microhardness, concrete samples, kerosene concentration.
Mandritsa Dmitry Petrovich, candidate of technical sciences, docent, vka@mil.ru, Russia, St. Petersburg, Military Space Academy named after A.F. Mozhaisky,
Mironov Andrey Nikolaevich, doctor of technical sciences, professor, Russia, St. Petersburg, Military Space Academy named after A.F. Mozhaisky,
Avsyukevich Dmitry Alekseevich, doctor of technical sciences, professor, Russia, St. Petersburg, Military Space Academy named after A.F. Mozhaisky
УДК 004.032.26:517.977.56
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-12-441-446
НЕЙРОСЕТЕВОЕ ПРОГНОЗИРОВАНИЕ СКОРОСТИ ДВИЖЕНИЯ МОБИЛЬНОГО РОБОТА НА РАЗНЫХ ТИПАХ ПОВЕРХНОСТЕЙ
А.С. Беляев, Н.С. Дружинин, М.С. Суходоев, А.В. Цавнин, О.А. Брылев
Проведены эмпирические исследования прогнозирования координат и угловой ориентации мобильного робота, функционирующего на разных типах поверхностей, имитирующие естественные условия. Полученная нейросетевая модель, базирующаяся на информации с скоростей движения и токов двигателей, апробирована при движении по 2-м траекториям с переходом между 2-мя разными типами поверхностей. Произведен количественный анализ точности предсказания модели.
Ключевые слова: мобильный робот, outdoor, подстилающие поверхности, нейронные сети.
Для мобильных роботов, функционирующих внутри помещений большинство задач связанных с навигацией и управлением решены и дальнейшее исследование направлено на улучшение точности систем. Что касается роботов outdoor-типа, функционирующих в естественных условиях, где трудно спрогнозировать не только внешнее возмущение, но и их влияние на поведение робототехнической системы. Поэтому большинство задач для таких роботов остаются нерешенными, или решенными частично.
К таким задачам в первую очередь можно отнести инерциальную навигацию, которую можно разделить на 2 подзадачи: во-первых, определение координат и угловой ориентации робота в пространстве по информации с бортовой сенсорной системы, а во-вторых, определение наиболее эффективных управляющих воздействий на двигательную систему. Решение второй задачи в большинстве случаев невозможно без первой ввиду того, что большинство алгоритмов управления реализуется с использованием обратной связи, для которой необходима информация о текущем положении робота в пространстве.
При решении первой задачи можно выделить 2 основных подхода, на которые опираются исследовательские коллективы по всему миру: определение физических закономерностей, таких, как проскальзывание, вязкость, сцепление, момент и т.п. и использование нефизических закономерностей на основе различных методов искусственного интеллекта.
Получение физических параметров и закономерностей позволяет строить классические математические модели и, соответственно, применять общеизвестные подходы к анализу и синтезу систем управления с учетом требуемых показателей качества, в том числе, когда показатели [1,2].
Оба данных подхода также можно разделить на 2 направления: с использованием предварительной классификации поверхностей, по которым перемещается робот и без использования классификатора.
Использование физических закономерностей без классификации в основном базируется на определении проскальзывания колес мобильного робота. Например, в [3] получена линейная зависимость проскальзывания от токов двигателя, которая впоследствии используется для коррекции траектории движения робота. Похожая зависимость проскальзывания от момента вращения колес получена в [4]. Аналогичные результаты получены в других работах для разных типов роботов и разных условий [5-7].
Отдельным направлением исследований хочется выделить исследования взаимодействия колес с поверхностью на специализированных стендах. В [8] приведен широкий обзор подобных работ по исследованию проскальзывания колес на одноколесных стендах [9]. Кроме того, проводимые исследования используют для предсказания проходимости грунта марсохода [10].
Использование классификаторов при использовании физических закономерностей в своем большинстве необходимо для учета влияния подстилающих поверхностей разных тип, которые значительно отличаются по влиянию [11]. Кроме того, классификаторы могут быть использованы и для улучшения точности классификации, путем разделения физического воздействия на степени влияния [12].
