CC BY
189
УДК 539.3:624.042
М.А. Ковырягин РЕГУЛИРУЕМЫЕ КОНСТРУКЦИИ В ТРАНСПОРТНЫХ СООРУЖЕНИЯХ И МАШИНОСТРОЕНИИ
Рассматриваются вопросы управления напряженно-деформированным состоянием мостовых конструкций. Анализируется отечественный и зарубежный опыт. Обсуждаются технологии пассивного управления, такие как изоляция основания и рассеяние энергии. Акцент делается на активных, гибридных и полуактивных управляющих системах. Описаны обычные схемы и механизмы, используемые в управляемых системах. Далее представлены общие методы управления. Обсуждаются практические предложения по методам активного управления в мостах и машиностроительных конструкциях.
M.A. Koviriagin THE CONTROLLED CONSTRUCTIONS IN SUPPLY STRUCTURES AND MACHINBILDING
In this article the control of stress-deformed constructions in bridge engineering are considered. The russian and foreing experience is analyzed. Passive control is considered, including installing isolators of seismic ground motions or adding passive energy dissipation devices to dissipate vibration energy. Active, hybrid and semi-active controls are described here. Ordinary schemes and mechanisms of control systems are described in this work. General methods of control are represented. Practical methods of control in bridges and machinbil-ding structures are considered as well.
1. Регулируемые мостовые конструкции
Изменение напряженно-деформированного состояния мостовых конструкций в процессе изготовления отдельных деталей, сборки, в эксплуатации интересовало связанных с этими процессами инженеров с тех пор как существует документация на мосты. Талант, опыт и настойчивость инженеров, менеджеров и рабочих, востребованные необходимостью строительства мостов, приводят к тому, что мостостроение впитывает все новейшие достижения в области проектирования, технологии изготовления и сборки из машиностроения, промышленного и гражданского строительства, а также кибернетики, физики, гидродинамики и множества других наук, производя на свет в конечном счете произведения мостостроительного искусства, служащие людям многие десятилетия.
При оптимизации конструкции в процессе проектирования традиционно в качестве варьируемых параметров выбираются геометрические параметры элементов конструкций: форма и размеры сечений стержневых элементов, пластин и тому подобное. Однако очень интересные возможности открываются с развитием нового типа сооружений - управляемых конструкций [1]. Такие конструкции, по определению, активно реагируют на изменяющиеся окружающие условия и подстраивают свои параметры, например, жесткости или длины отдельных элементов, чтобы отвечать этим условиям наилучшим образом. Разумеется, такие возможности специально закладываются в конструкцию на стадии проектирования.
Известные проекты управляемых конструкций, разработанные Н.П. Абовским с последователями [2,3], являются конструкциями - механизмами, оборудованными датчиками, исполнительными устройствами и системой автоматического управления, функционирующей без вмешательства человека. Однако самими разработчиками признается, что проекты такого рода весьма дорогостоящи и оправданы только для немногочисленных уникальных сооружений.
Современный уровень проектирования конструкций и технологии изготовления материалов позволяет производить управление и в случае обычных конструкций [4,5]. Как правило, ответственные конструкции в течение срока службы подвергаются серии ремонтов, цель которых - не допустить превышения параметрами конструкции предельно допустимых значений. Дрейф параметров конструкций во времени при статическом нагружении происходит по причине естественной деградации материала, а также из-за агрессивных и иных внешних воздействий. До настоящего времени о необходимости очередного ремонта судят по результатам натурного обследования конструкции. Однако технология учета вышеупомянутых агрессивных и иных воздействий развита настолько, что позволяет спрогнозировать время и объемы плановых ремонтов, то есть, произвести оптимизацию по этим параметрам.
Такое действие следует считать оптимальным управлением конструкцией и об эффективности его говорят недавние исследования североамериканских специалистов [6]. Что касается возможности управления свойствами конструкций без превращения их в механизмы, можно упомянуть о разработке специальных добавок для бетона, которые могут быть термически активированы в произвольный момент срока службы бетонной конструкции и восстановить исходные прочность и сплошность бетона.
Другим направлением совершенствования мостовых конструкций является регулирование напряженно-деформированного состояния в них при действии динамических сил от перемещающегося транспорта, порывов ветра, шторма, землетрясения с тем, чтобы гарантировать эксплуатационную надежность моста при всех возможных неблагоприятных наложениях таких нагрузок.
Простейшим противодействием динамическим силам является установка подушек для изолирования конструкции от сейсмического движения основания или установки устройств, рассеивающих энергию вибраций или динамических воздействий. Успешное использование этих новых направлений проектирования в мостовых конструкциях является многообещающим [6]. В сравнении с пассивным рассеянием энергии, технология активного управления является самой новой. С тех пор как активная управляющая система приобретает лучшую приспособляемость к требованиям практики и больший авторитет, чем пассивная система, возможность использования активных управляющих систем в мостостроении привлекает все большее внимание.
2. Классификация управляющих систем
Структурно управляющие системы классифицируются по следующим четырем категориям [7]:
• Пассивное управление - управляющая система не требует внешнего энергетического источника. Механизмы пассивного управления прикладывают усилия в ответ на перемещение конструкции. Энергия в системе, управляемой по пассивной схеме, не может быть увеличена механизмами пассивного управления.
• Активное управление - система управления нуждается во внешнем источнике энергии для управляющих активаторов, которые прикладывают к конструкции силы различными способами. Эти управляющие силы могут использоваться двояко как для концентрации, так и для рассеяния энергии в конструкции. В системах управления с активной обратной связью сигналы на исполнительные механизмы передаются как функция ответа системы, измеренная физическими датчиками (оптическими, механическими, электрическими, химическими и другими).
• Гибридное управление - система управления использует комбинацию активной и пассивной систем регулирования. Например, конструкция, снабженная вязкоэластичным демпфированием дополнительно к регулируемому инерционному демпферу на самой высокой точке конструкции или изолирующей подушке с исполнительным механизмом, активно управляемым по коэффициенту усиления.
• Полуактивное управление - система управления, для функционирования которой энергии извне требуется на порядок меньше, чем для обычной активной системы. Естественным является тот факт, что механизмы полуактивного контроля не увеличивают механическую энергию устройств системы (включая системные и управляющие механизмы), за счет чего гарантирована стабильность входных и выходных параметров. Устройства полуактив-ного управления зачастую имеют вид механизмов пассивного регулирования.
В качестве примера можно привести систему активного управления пролетом моста с активным инерционным демпфером, установленным на каждой опоре, и подушками, сейсмически изолирующими ферму от опор. Естественно, что изолирующие подушки защища-
ют мост от землетрясения за счет гашения вибраций. Эти системы имеют преимущество в простоте, надежности и не требуют внешних источников энергии для собственного функционирования. Изолирующие системы, однако, трудно разместить и они стесняют конструкцию в местах соединения (на стыках). К недостаткам механизмов пассивного контроля и управления, с другой стороны, относится тот факт, что они пассивно откликаются на структурные изменения по однажды введенной схеме [6].
Разрабатываемые активные системы имеют уникальные возможности. Базируясь на реакциях конструкции и внешних возмущениях, эти интеллектуальные системы могут активно изменять их свойства и управляющие силы, максимизируя эффективность защиты системы, увеличивая срок службы моста, позволяя выдерживать экстремальную нагрузку [6]. К недостаткам относится тот факт, что приложение больших компенсирующих нагрузок требует в активно регулируемых системах значительного энергопотребления, что затрудняет реализацию. Кроме того, чисто активно управляемые системы могут быть недостаточно надежны. Естественно, поэтому комбинируются активные управляемые системы с опорными развязывающими подушками, которые дают результат так называемого гибридного управления. Г ибридная управляющая система более реализуема, чем чисто активная система, так как пассивные элементы могут защитить мосты от обычного повреждения, если активная часть не сможет выдержать экстремальную нагрузку. Но установка и эксплуатация двух различных систем является главным недостатком гибридной схемы. Окончательно полуактивный способ регулирования несущей способности моста определяется в соответствии с возможностью активной регулировки давления или коэффициента трения в опорах скольжения моста. Мощность, необходимая для получения управляемого сигнала и механических воздействий в полуактивных управляющих системах небольшая. Незначительная по размерам батарея может иметь достаточно емкости для запаса необходимой энергии для компенсации возмущения. Таким образом, в будущем эти системы управления останутся эффективными, несмотря на неизбежное потребление энергии. Именно поэтому системы полуактивного контроля сейчас имеют реально приемлемый вид.
Различные управляемые системы с их достоинствами и недостатками представлены в таблице [7].
Взаимосвязь различных этапов развития управляющих технологий изображена на рис. 1 [9]. В левом столбце перечислены все известные в настоящее время механизмы, используемые в системах активного управления мостовыми конструкциями. В среднем столбце указаны типовые алгоритмы преобразования сигналов от датчиков перемещений, скоростей и ускорений на исполнительные механизмы, упомянутые ранее. Правый столбец содержит номенклатуру получаемых от суперпозиции первых двух столбцов типов управления и получаемых при этом эффектов. Базирующаяся на измеряемой деформации активная управляемая система может быть представлена в виде трех различных схем. Схема с обратной связью после произведенных измерений использует информацию для коррекции с использованием управляющих усилий. Другая схема, называемая системой управления с прямой связью, производит коррекцию непосредственно при измерении и используется преимущественно при больших ускорениях. Естественным является комбинирование упоминаемых терминов -прямая/обратная связь, если при выработке стратегии управления используется информация как о возмущениях, так и о свойствах системы [9].
Мост, снабженный такой активной системой управления, может изменять свои характеристики при различных внешних воздействиях и противостоять им. Такая самоадаптация создает эффективную защиту по отношению к экстремальной нагрузке и относительно нечувствительна к статическим нагрузкам и подвижкам основания. Кроме того, активная управляющая система может быть использована при смягчении сверхрискованных ситуаций, например, управлении вибрациями при землетрясениях.
Мостовые управляемые системы
Системы Типовые механизмы Преимущества Недостатки
Пассивные Подушки из эластомерической резины (РОЧ) Простота Большие перемещения
Резино-свинцовые подушки Дешевизна Неизменяемые свойства
Инерционные демпферы Простота установки
Демпферы сухого трения Простота обслуживания
Демпферы внутреннего трения Не нужна внешняя энергия
Демпфер с переменной инерционной характеристикой Стабильность конструкции
Регулируемые жидкостные демпферы
Активные Управляемая связь Сильная система Нуждается во внешней энергии
Управляемая опорная подушка Система может дестабилизироваться
Управляемый инерционный демпфер Усложненная система
Гибридная Управляемый инерционный демпфер + подушка Сильная и реализуемая Два положения системы
Управляемая растяжка + подушка
Управляемый инерционный демпфер + демпфер внутреннего трения
Полуак- тивная Управляемые опоры скольжения Стабильность конструкции Два положения системы
Управляемые демпферы сухого трения Т ребуют мало энергии
Управляемые жидкостные демпферы Простота установки
3. Типы управления
Предполагается, что эффект управления достижим в идеальной ситуации: мост представляется как линейная структура с линейным регулятором. В действительности и реальная конструкция и система регулирования являются существенно нелинейными. Однако, если интервал действия управляющей системы является малым и вовлекаемые нелинейности являются сглаженными, то управляющая система в динамике может быть описана системой линеаризованных дифференциальных уравнений. В общем, нелинейности могут быть классифицированы как врожденные (естественные) и внешние (искусственные). Естественными нелинейностями являются такие, которые естественно сообразуются с конструкцией моста. Примерами естественных нелинейностей являются: нелинейная деформация компонентов моста, сейсмические изоляторы, демпферы трения и т.д. Внешними нелинейностями, с другой стороны, являются законы регулирования, искусственно введенные в мостовые схемы управления самим проектировщиком. Нелинейные законы управления, такие как оптимальное импульсное управление, скользящее модальное управление и адаптивный контроль, являются типичными примерами внешних нелинейностей.
Рис. 1. Технологии управления
В соответствии с видом моста и управления, общие типы управления могут быть классифицированы на следующие четыре категории, изображенные на рис.2.
Рис. 2. Типы управления
Линейный. Линейный регулятор, управляющий линейной мостовой структурой. Здесь простой и распространенной системой управления является регулятор типа линейного квадратичного регулятора (ЛКР). Выбор такого типа закона управления основывается на предположении, что управляемый мост будет оставаться в линейной области. Преимущества законов линейного управления являются хорошо известными, легко разрабатываемыми и внедряемыми в различных приложениях по управлению мостами.
Линейно управляющий. Линейный регулятор, управляющий нелинейной структурой. Как показано на рис. 2, этот тип принадлежит ко второй категории. Примеры таких законов регулирования включают непрерывное оптимальное управление, линеаризованную обратную связь и т.д. Эта стратегия управления сохраняет преимущества линейного регулятора, и таким образом проще разрабатывать и реализовывать алгоритм управления. Однако такие линейные законы управления работоспособны в ограниченном диапазоне и когда зона действия расширяется, линейный регулятор теряет точность или устойчивость, потому что нелинейности в системе не могут быть полностью компенсированы.
Нелинейно управляющий. Нелинейный регулятор, управляющий линейной структурой. По существу, если нежелательная характеристика линейной системы может быть умышленно улучшена введением нелинейного регулятора вместо использования линейного регулятора, то нелинейный закон может быть предпочтительнее. Такой вывод является основной мотивацией для развития внешней нелинеаризационной стратегии, такой как импульсное оптимальное управление, управление скользящим методом и адаптивное управление.
Нелинейный. Нелинейный регулятор, управляющий нелинейной структурой. Резонным является управление нелинейной структурой, используя нелинейный регулятор, который может управлять нелинейностями направленно в широком диапазоне. Иногда разработка хорошего нелинейного регулятора может быть проще и естественнее его линейного двойника, так как нелинейные регуляторы глубже отражают нелинейную структуру системы. Однако, поскольку нелинейные системы могут иметь гораздо более полные и всеобъемлющие режимы, чем линейные, то в настоящее время не создано системного анализа для предсказания свойств нелинейных систем, не существует систематизированных методик для проектирования нелинейных управляющих систем. Поэтому точная идентификация, описание структурных нелинейностей и проектирование подходящего нелинейного регулятора, базирующегося на этих специфических нелинейностях, являются исключительно трудным делом.
4. Структура управляющих систем
Управляемые общестроительные, мостовые конструкции - это деформируемые системы с переменными управляемыми параметрами. В отличие от традиционных, используемых во многих областях техники конструкций, где лишь учитывают и нормируют их деформируемость, то есть стремятся преодолеть негативные последствия нагружения, переход к управлению деформированием на современном этапе открывает новые возможности для инженерного конструирования. Действительно, в настоящее время инженеры проектируют такие конструкции, которые противостоят предполагаемым заранее комбинациям внешних нагрузок. Исходя из такой идеологии, конструкции имеют высокую несущую способность или запас прочности, которые будут очень редко, а возможно и никогда использоваться полностью во время их срока жизни. Естественно, что в будущем станет возможным проектировать конструкции, которые будут самоизменяться при переменных внешних воздействиях.
Управление напряженно-деформированным состоянием (НДС) осуществляется за счет перестройки конструкции как в любой системе автоматического управления с использованием измерительной аппаратуры, объективно отражающей НДС, управляющего блока, ко-
торый оценивает НДС конструкции и формирует управляющий сигнал, а также исполнительных устройств, перестраивающих конструкцию (рис. 3) [9].
Рис. 3. Структура управляющей системы
Под перестройкой конструкции понимается изменение силовой схемы закрепления (введение дополнительных опор, поддомкрачивание), упорядочивание внутренних усилий в элементах конструкции за счет изменения натяжения, например, вантов или каких-либо других противодействий прикладываемым обычно в динамическом режиме нагрузкам.
По существующему в настоящее время мнению, в отличие от широко используемых в различных областях техники традиционно неуправляемых конструкций, автоматическое управление позволяет достичь качественно новых характеристик [1]:
1) снизить материалоемкость за счет рационального изменения напряженного и деформированного состояния при переменных во времени внешних воздействиях и параметрах конструкции;
2) обеспечить стабильность эксплуатационных характеристик и повысить надежность конструкций за счет расширения их адаптивных свойств;
3) улучшить характеристики управляемости механизмов путем обеспечения управления деформативностью их элементов;
4) повысить качество и точность изготовления на основе учета и управления дефор-мативностью изделия и технологического оборудования;
5) эффективнее и полнее использовать ресурсы конструкции, повысить их эффективность в различных областях техники (в строительстве, радиотехнических устройствах, летательных аппаратах, робототехнике, машиностроении и др.), особенно там, где традиционные способы конструирования становятся малоэффективными или технически нереализуемыми;
6) предотвращать аварийные ситуации (разрушение конструкций);
7) управлять конструкцией в недоступных для человека местах.
Естественно, что преждевременное стремление к управлению конструкциями, когда не исчерпана эффективность традиционных способов их совершенствования, не может быть оправдано, однако мы полагаем, что теоретическое исследование вопросов управления конструкциями уже возможно.
5. Принципы создания и типы управляемых конструкций
Создание управляемых конструкций может базироваться на следующих принципах [1]:
1) энергетическом, когда регулируется перераспределение энергии в конструкции за счет главным образом электромеханических, электромагнитных приспособлений;
2) перестройки системы, изменения ее геометрического образа за счет, например, передвигающихся и изменяющих жесткость опор;
3) мобилизации внутренних резервов системы, достигаемой путем усиления опасных зон, создания разгружающих состояний путем введения предварительно напряженных элементов;
4) преобразования внешнего воздействия введением дополнительного конструктивного устройства, связанного с внешней средой и управляемой конструкцией;
5) дополнительного внешнего воздействия на конструкцию, осуществляемого специальной силовой установкой;
6) управляющей связи, когда создается и используется для управления система связи с заданным (управляемым) характером деформирования;
7) использования истории создания (сборки) системы, то есть использования таких элементов, которые вели бы себя при эксплуатации иначе, чем при изготовлении и сборке.
Обычный подход к проектированию конструкций основывается на преодолении возможных вредных воздействий (эксплуатационных нагрузок прямого назначения конструкции, а также снеговых, ветровых и прочих погодных и тектонических воздействий), которые связаны со значительным расходом энергии, рассеянной в среде, окружающей рассматриваемую конструкцию.
Нетрадиционный подход состоит в использовании части этой энергии для управления напряженно-деформированным состоянием (рис. 2). Эта энергия с использованием управляющего модуля приводит в движение исполнительные механизмы. Следовательно, управляемые конструкции являются логически обоснованным следующим шагом в развитии проектирования. Важно заметить, что и при традиционном проектировании управление применяется на стадиях конструирования, а также изготовления и монтажа, а во все остальные периоды (эксплуатация, модернизация, уничтожение) конструкция остается неуправляемой.
При проектировании управляемых конструкций кроме известных методов строительной механики, сопротивления материалов и теории упругости используются методы линейного и нелинейного, а также динамического программирования [10]. Причем эти методы находят применение при проектировании управляющих модулей (рис. 2). Конструкция рассматривается здесь в качестве объекта системы автоматического регулирования. Выделяются следующие три типа систем автоматического управления с электронным модулем:
Тип 1: оцениваются параметры напряженно-деформированного состояния в двух и более сечениях конструкции. Информация поступает на сравнивающее устройство, где вырабатывается управляющий исполнительным устройством сигнал. После направленного воздействия на конструкцию управляемые параметры напряженно-деформированного состояния приводятся к заданному состоянию. При этом величина каждого из параметров может не измеряться, поскольку целью является достижение заданных соотношений в контролируемых сечениях. Структурная схема данной системы автоматического управления изображена на рис. 3. Практическое использование такой схемы описано в задаче управления вибрациями мостов.
Тип 2: измеряется параметр изменяющейся внешней нагрузки. Информация поступает на привод исполнительного механизма, который срабатывает пропорционально параметру внешней нагрузки.
Тип 3: САУ НДС состоит из информационно-измерительной системы с достаточным количеством тензодатчиков, показания которых поступают в аналоговый модуль, идентифицирующий и рассчитывающий управляемые параметры НДС. Из управляющего модуля сигналы (в соответствии с заложенным в модуль критерием управления) поступают на приводы исполнительных механизмов.
Примером творческого применения управляемой конструкции первого типа является мост в районе села Пристанное близ Саратова в процессе строительства. Надвижка пролетов моста до 157 метров длиной осуществлялась по схеме рис. 4, где исполнительными механизмами
являлись гидравлические домкраты, управляющий модуль состоял из центрального компьютера и станции управления процессом надвижки, а чувствительными элементами являлись лазерная мишень и тензометрические датчики. Процесс надвижки пролета контролируется на экране компьютера по пяти параметрам. При этом наглядно представляются не только текущие значения этих параметров, но и допустимые для данного положения пролета их значения. При достижении этих значений процесс надвижки пролета автоматически прекращается.
Рис. 4. Принципиальная схема надвижки пролетов моста в районе с. Пристанное у г. Саратова
Рассмотрим далее примеры управляемых конструкций по материалам российской и зарубежной печати.
6. Примеры управляемых конструкций
В настоящее время эффективность управления практически доказана в следующих конструкциях: астрономические и радиолокационные антенны, мачты кораблей, дымовые трубы, сейсмостойкие здания, вибрирующие машиностроительные системы, небоскребы [3,5,8].
Некоторые осуществляемые в настоящее время доводочные операции над строительными конструкциями могут быть отнесены к управляющим воздействиям. Например, повторное натяжение вантовых тросов в вантовых мостах есть изменение силовой схемы конструкции, то есть ее управление. Оно может быть произведено в процессе возведения моста для компенсации укладки дорожного покрытия и установки оборудования или несколькими годами позже в качестве нейтрализации эффектов усадки и ползучести бетонных плит проезжей части. Другой пример управления - поднятие зданий и сооружений для противодействия осадке грунта. В горных местностях, например, многие здания выравниваются после воздействия дождя, снега, оползня, ветра. Некоторые конструкции постоянно оборудованы выравнивающими приспособлениями, которые могут использоваться в любое время: например, виадук СИагша1х во Франции, контрольная башня в аэропорту Каша1 в Японии.
Идея создания управляемых конструкций не нова. В 1972 году Яо (Уао) предложил принцип активного контроля конструкции [4]. «Активное гашение» вибраций трубы с теоретической точки зрения изучалось Яоогёа I. в 1975 году [5]. В [6] описано несколько примеров современных управляемых конструкций.
Первый - это погружаемый в воду тоннель круглого поперечного сечения с почти нулевой плавучестью без полезной нагрузки. В этом случае удается погружать очень большие пролеты. Вследствие неопределенностей (изменений температуры и солености воды, изменения плотности и объема бетона) равновесие между силами веса и выталкивающей силой плавучести неточно. Оригинальность проектировочного решения состоит в строительстве тоннеля немного меньшего веса, чем вес вытесняемой воды и компенсации любого отклоне-
ния от равновесия с помощью балластных цистерн. Контроль заполнения этих цистерн осуществляется с помощью датчиков перемещения, которые оценивают вертикальное положение тоннеля непрерывно. Естественным в этом случае является регулирование положения тоннеля и по крену.
Второй - является иллюстрацией одного из основных путей создания управляемых конструкций с помощью мощных домкратов. Эти устройства прикладывают меняющиеся силы к конструкции в зависимости от поставленных задач. Платформа Екойвк общим весом 25000 т на шельфе в Северном море в 1987 г. была поднята на 6,5 м за 26 ч с помощью домкратов [6]. Надвижка пролетов моста Могшаиу была произведена с помощью 76 домкратов с 5-миллиметровым допуском в отклонении уровня поддомкрачивания [6].
Для контроля управления все чаще используются компьютеры. Они выполняют двоякую функцию оценки НДС и выработки корректирующего сигнала. Поэтому в ближайшем будущем компьютерный контроль наравне с домкратами будет использоваться для создания активных сил в сооружениях с целью противодействия подвижной или ветровой нагрузке. Например, будет возможно регулировать усилия в элементах, когда подвижная нагрузка перемещается по мосту. Прикладываемые усилия могут быть отрегулированы в соответствии с величиной перемещения плиты проезжей части для минимизации перемещения, а также изгибающего момента и перерезывающей силы в плите. Этот процесс будет более эффективным для железнодорожных мостов, чем для автодорожных, так как, во-первых, нагрузка от поездов может быть лучше определена (положение, интенсивность, скорость), а, во-вторых, нагрузка от поезда представляет собой более высокий процент от проектной железнодорожной нагрузки, чем отдельный грузовик от проектной автомобильной нагрузки.
Действие управляющего усилия для компенсации подвижной нагрузки более очевидно в вантовых мостах, если каждый трос снабдить датчиком деформации и домкратом. Пока поезд пересекает мост, усилия в каждом тросе регулируются из условия минимизации прогиба плиты и изгиба пилона в опасных сечениях. Это позволит сделать длинные пролеты более тонкими, а плиты проезжей части - более дешевыми. Для неразрезных плит технически возможно погашать температурный градиент за счет активного изменения опорных усилий с использованием домкратов, размещаемых на каждой опоре.
В машиностроительных конструкциях под управлением понимается изменение этой конструкции в процессе проектирования, эксплуатации, ремонта и ее утилизации (уничтожения). Приведем несколько примеров.
В сельскохозяйственном машиностроении более 70% дизелей тракторов и комбайнов эксплуатируются после операций управления [11], которые называются капитальным ремонтом. Причем, 20-50% управленческих корректировок приходится на топливную аппаратуру [12]. Ярким примером управления конструкцией в процессе эксплуатации здесь можно привести доработку форсунки на ремонтном предприятии [12].
В электронном машиностроении управление конструкцией чаще всего распространено на этапе проектирования [13], когда различные формы и назначение изделий требуют изменения подходов к тепловым [13] и прочностным расчетам [14].
В транспортном машиностроении управление замыкается преимущественно на конструкционных размерах и параметрах в зависимости от вида материала [15,16] или энергоемкости оборудования [19].
Таким образом, управляемые машиностроительные конструкции - это деформируемые системы с переменными управляемыми параметрами. В отличие от традиционных, используемых во многих областях техники конструкций, где лишь учитывают и нормируют их деформируемость, то есть стремятся преодолеть негативные последствия нагружения, переход к управлению деформированием на современном этапе открывает новые возможности для инженерного конструирования. Действительно, в настоящее время инженеры проектируют такие конструкции, которые противостоят предполагаемым заранее комбинациям
внешних нагрузок. Исходя из такой идеологии, конструкции имеют высокую несущую способность или запас прочности, которые будут очень редко, а возможно и никогда не будут использоваться полностью во время их срока жизни. Естественно, что в будущем станет возможным проектировать конструкции, которые будут самоизменяться при переменных внешних воздействиях [20].
Выводы
Появление новых сооружений последнего десятилетия показывает, что развитие управляемых конструкций идет медленно. Объяснение такому положению следует искать в том, что для их развития нужны люди, обладающие знаниями, далекими от инженерной строительной технологии в областях [21-25]:
- механики жидкости для точного знания действия ветра;
- анализа и контроля движения;
- приборостроения и проектирования датчиков;
- передачи сигналов, анализа информации, передаваемой датчиками;
- технологии компьютерного контроля;
- стохастической динамики;
- инженерной механики проектирования приводов;
- электронной техники.
Тем не менее за управляемыми конструкциями будущее. Предполагается, что управляемые конструкции будут внедрены первоначально на крупных объектах по следующим причинам: а) они могут быть «рентабельными» только для очень больших конструкций, на которых сократится потребление конструкционного материала и тем самым окупится создание управляющей системы; б) большие конструкции с большим собственным периодом колебаний легче контролировать, потому что временной интервал для включения исполнительных устройств будет не столь коротким (следует учесть также и инерционность больших конструкций при приведении их в исходное положение, скорость, с которой это приведение должно осуществляться).
ЛИТЕРАТУРА
1. Абовский Н.П. Управляемые конструкции. САУ-НДС: Учеб. пособие / КИСИ. Красноярск, 1995. 125 с.
2. Абовский Н.П. Управление деформированием отражающей способности поверхности антенн: Обзор работ // Пространственные конструкции в Красноярском крае: Сб. науч. тр. / КИСИ. Красноярск, 1998. С.56-101.
3. Управляемые конструкции (патенты и изобретения): Сборник / КИСИ. Красноярск, 1997. 135 с.
4. Yao J.T.P. Concept of structural control // Journal of the structural division Proceeding of the American Society of Civil Engineers. 1972. July. P.1567-1574.
5. Roorda J. Tendon control in tall structures // Journal of the structural division. Vol.101. March, 1975. P.505-521.
6. Montens S. A global concept for 21st century structures: PARASTRESSING // New technologies in structural engineering. Lisbon, Portugal, July 2-5,1997. Vol.1, Session 2, Innovation Structural Solutions. Р.649-656.
7. Регулирование. Синтез. Оптимизация. Избранные задачи по строительной механике и теории упругости: Учеб. пособие для вузов / Н.П. Абовский, Л.В. Енджиевский, В.И. Савченков и др., Под ред. Н.П. Абовского. 3-е изд., перераб. и доп. М.: Стройиздат, 1993. 456 с.
8. Абовский Н.П. Управление конструкциями с использованием механических и аналоговых устройств: Учеб. пособие / КИСИ. Красноярск, 1996. 107 с.
9. Ascraft M. Vibration control of assembly stands during bridge extension // New technologies in structural engineering. Lisbon, Portugal, July 2-5,1997. Vol.1, Session 2, Innovation Structural Solutions. Р.543-549.
10. Controlling method of bridge launching process / O. Chemerinsky, V. Seliverstov, A. Chvyrev, V. Akatov, J. Nayanov. Long-Span and High-Rise Structures. IABSE symposium, Kobe, 1998. Р.501-506.
11. Загородских Б.П., Ковырягин М.А., Новофастовский Д.В. Восстановление распылителей форсунок проточкой // Степные просторы. 1987. № 1. С.42.
12. Загородских Б.П., Ковырягин М. А., Новофастовский Д.В. Герметичность распылителя форсунки дизеля // Повышение надежности автотракторных дизелей при их ремонте и эксплуатации: Сб. науч. работ. Саратов: Сарат. с.-х. ин-т им. Н.И. Вавилова, 1993. С.3-13.
13. Ковырягин М.А. Методика расчета температурных полей методом элементарных балансов в сферической системе координат // Современные проблемы теплофизики, механики и термомеханики в электронном машиностроении: Материалы регион. совещ. / Сарат. по-литехн. ин-т. Саратов, 1991. С.26-27.
14. Ковырягин М.А. Регулируемое напряженно-деформируемое состояние двухсвязных пластин с подкрепляющим ребром по некруговому контуру // Восьмой Всерос. съезд по теоретической и прикладной механике: Аннотации докладов. (Пермь, 23-29 августа 2001 г.). Екатеринбург: УрО РАН, 2001. С.336-337.
15. Сухоруков В.С., Ковырягин М.А., Нурмаганбетов Б.С. Обоснование рациональной формы образующей винтовой поверхности вертикального шнека / Сарат. политехн. ин-т. Саратов, 1991. 10 с. Деп. в ВИНИТИ 19.03.91, №1184 В91.
16. Сухоруков В.С., Ковырягин М.А., Нурмаганбетов Б.С. Выбор формы образующей рабочей поверхности шнека для вертикального перемещения материала // Организация, технология и механизация мелиоративных работ: Сб. науч. работ. Саратов: Сарат. с.-х. ин-т им. Н.И. Вавилова. 1993. С.86-92.
17. Сухоруков В.С., Ковырягин М.А., Нурмаганбетов Б.С. К вопросу определения механической энергии на перемещении материала винтовым конвейером // Организация, технология и механизация мелиоративных работ: Сб. науч. работ. Саратов: Сарат. с.-х. ин-т им. Н.И. Вавилова. 1993. С.93-102.
18. Ковырягин М.А. Изменяемые конструкции // Направления и пути совершенствования образовательного процесса на основе современных педагогических технологий: Сб. трудов. Саратов: Воен. артил. ун-т, Поволж. отд. Акад. воен. наук. 2000. С.102-105.
19. Овчинников И.Г., Ковырягин М.А. Использование принципов активного управления конструкцией в транспортных сооружениях // Транспортное строительство. 2000. № 6. С.7-9.
20. Ковырягин М.А., Овчинников И.Г. О типах и алгоритмах управления мостовыми конструкциями // Проблемы оптимального проектирования сооружений: Сб. докл. IV Все-рос. семинара. Новосибирск: НГАСУ,2002. С. 178-188.
21. Мосты: история, дискуссии, новые решения, опыт: Юбил. сб. тр. каф. «Мосты» МИИТ / Ред. В.К. Блохин, И. А. Сильницкий. М.: МИИТ, 1997. 251 с.
22. Ковырягин М. А., Овчинников И.Г. Управляемые конструкции (в мостостроении). Саратов: СГТУ, 2003. 96 с.
23. Ковырягин М.А. Регулируемые конструкции / Технолог. ин-т Сарат. гос. техн. ун-та. 2002. Деп. в ВИНИТИ 01.04.02 № 577-В2002. Энгельс, 2002. 45 с.
Ковырягин Михаил Алексеевич -
кандидат технических наук, доцент кафедр «Высшая математика и механика»
Энгельсского технологического института Саратовского государственного технического университета и «Вычислительный эксперимент в механике»
Саратовского государственного университета им. Н.Г. Чернышевского
