НЕРАЗРУШАЮЩАЯ ВОЛНОВАЯ ДИАГНОСТИКА СОСТОЯНИЯ НАПРЯЖЕННЫХ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ
|
ВВЕДЕНИЕ 6
1 Современное состояние теории и практики диагностики технического состояния
железобетонных опор контактной сети железной дороги 12
1.1 Общая характеристика проблемы 12
1.2 Известные технические решения, касающиеся контроля состояния железобетонных
опор 14
1.3 Современные научные разработки методик оценки качества железобетонных опор 17
1.4. Выводы 18
2 Аналитические методы решения задачи о механических колебаниях модели
железобетонной опоры 19
2.1 Упрощенная методика расчета собственных колебания стержня - основного
конструктивного элемента железобетонной опоры 19
2.2 Альтернативная методика расчета, основанная на решении несамосопряженной
краевой задачи 21
2.3 Усовершенствованный подход на основе более точной модели опоры и
структурного алгоритма метода конечных интегральных преобразований 24
2.3.1 Постановка задачи 24
2.3.2 Этапы нахождения формального аналитического решения задачи 27
2.3.3 Аналитическое решение задачи в частном случае 29
2.4 Выводы 31
3 Численное моделирование механических колебаний реальной преднапряженной
железобетонной опоры контактной сети железной дороги 33
3.1 Особенности и возможности используемого программного продукта 33
3.2 Метод конечных элементов в COMSOL Multiphysics 33
3.3 Моделирование механических колебаний основного структурного элемента опоры -
стержня 37
3.4 Численное исследование динамики изменения спектра собственных механических
колебаний железобетонного стержня в условиях воздействия на него распределенной поперечной силы 41
3.5 Численное исследование динамики изменения спектра собственных механических
колебаний железобетонной опоры в условиях воздействия на опору распределенной поперечной силы 48
3.6 Выводы 53
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 54
ЛИТЕРАТУРА 56
ПРИЛОЖЕНИЕ А
1 Современное состояние теории и практики диагностики технического состояния
железобетонных опор контактной сети железной дороги 12
1.1 Общая характеристика проблемы 12
1.2 Известные технические решения, касающиеся контроля состояния железобетонных
опор 14
1.3 Современные научные разработки методик оценки качества железобетонных опор 17
1.4. Выводы 18
2 Аналитические методы решения задачи о механических колебаниях модели
железобетонной опоры 19
2.1 Упрощенная методика расчета собственных колебания стержня - основного
конструктивного элемента железобетонной опоры 19
2.2 Альтернативная методика расчета, основанная на решении несамосопряженной
краевой задачи 21
2.3 Усовершенствованный подход на основе более точной модели опоры и
структурного алгоритма метода конечных интегральных преобразований 24
2.3.1 Постановка задачи 24
2.3.2 Этапы нахождения формального аналитического решения задачи 27
2.3.3 Аналитическое решение задачи в частном случае 29
2.4 Выводы 31
3 Численное моделирование механических колебаний реальной преднапряженной
железобетонной опоры контактной сети железной дороги 33
3.1 Особенности и возможности используемого программного продукта 33
3.2 Метод конечных элементов в COMSOL Multiphysics 33
3.3 Моделирование механических колебаний основного структурного элемента опоры -
стержня 37
3.4 Численное исследование динамики изменения спектра собственных механических
колебаний железобетонного стержня в условиях воздействия на него распределенной поперечной силы 41
3.5 Численное исследование динамики изменения спектра собственных механических
колебаний железобетонной опоры в условиях воздействия на опору распределенной поперечной силы 48
3.6 Выводы 53
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 54
ЛИТЕРАТУРА 56
ПРИЛОЖЕНИЕ А
Разветвленная железнодорожная сеть России, наряду с автомобильными, речными и морскими перевозками, образует важнейшее звено, обеспечивающее успешное функционирование гигантского научно - производственного комплекса на исключительно обширной территории. Поэтому её контроль и поддержание в надлежащем работоспособном состоянии имеют первостепенное значение. Одним из важнейших элементов этой сети является контактная система распределения электроэнергии вдоль всех железнодорожных артерий. Наиболее уязвимыми во всей структуре контактной сети являются поддерживающие её железобетонные опоры. На 1990 год, на территории нынешней РФ, длина электрифицированных железных дорог общего пользования составляла 33,7 тыс.км, а на 2021 год эта длина составляет 44,5. Исходя из [1]среднее расстояние между опорами имеет значение порядка 50 метров. Таким образом, на территории РФ, сегодня используется порядка 750 тысяч опор, эксплуатационный срок которых превзошел гарантийный. По оценкам ФЕР, сумма, на демонтаж и установку 1 опоры, имеет значения в районе 5000 рублей. Исходя из выше сказанного, проект на замену всех опор, имеющих срок службы больше эксплуатационного, без учета стоимости опор, будет стоить 3,5 млрд. рублей. Используя выше приведенную статистику можно сказать о том, что данный тип железобетонных конструкций нуждается в контролируемой и выборочной поэлементной замене.
Настоящая диссертация направлена на разработку физических и технических основ создания приборов оперативного контроля состояния опор в условиях отсутствия ограничений на движение железнодорожного транспорта. В идеале указанный контроль должен исключать активное силовое воздействие на опоры контактной сети. Он должен характеризоваться оперативностью диагностики состояния опор и возможностью осуществления диагностики существующими службами контроля российских железных дорог (РЖД).
Важно подчеркнуть, что известные на сегодняшний день методы диагностики не дают достаточно достоверной информации о состоянии подземной части опор, которые наиболее сильно подвержены коррозийным изменениям.
В диссертации основополагающая роль отводится подробному теоретическому исследованию особенностей механических колебательных процессов, возникающих в напряженных железобетонных опорах контактной сети в условиях моделирующих наиболее типичные реальные условия функционирования сети. Эти процессы инициируются, в частности, подвижными составами и сопровождаются акустической эмиссией опор контактной сети. Характерные особенности указанной эмиссии могут быть выявлены только с привлечением эффективных современных методов спектрального анализа. Следует особо подчеркнуть, что полезный сигнал акустической эмиссии оказывается чрезвычайно малым на фоне разнообразных шумов, вызываемых проходящим составом. Однако основополагающее значение имеет то обстоятельство, что данные шумы являются когерентными. В предлагаемых ранее подходах к решению обсуждаемой проблемы не было обращено должного внимания этому факту и, в конечном итоге, породило у ряда специалистов скептическое отношение к возможностям контроля состояния опор на основе спектрального анализа их акустической эмиссии.
Ядро предлагаемого в диссертации подхода составляет спектральный анализ колебательных процессов в напряженных элементах конструкции, образующих внутреннюю силовую арматуру. Старение и деградация силовой арматуры опор обусловливают изменение структуры спектра собственных частот механических колебаний: смещаются резонансные частоты, меняется их добротность, возникают колебания на побочных частотах. На кафедре радиофизики ТГУ при решении разнообразных задач радиоволновой и ультразвуковой томографии плодотворно применялся метод согласованной фильтрация спектра регистрируемых частот. Поэтому имеются достаточно веские основания полагать, что согласованная фильтрация спектра регистрируемых частот, осуществляемая в рамках процесса диагностики состояния опор контактной сети, позволит выявлять дефекты опор и оценивать потенциальный срок их службы. О потенциальной мощности этого метода говорит тот факт, что именно благодаря его использованию ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН (г. Москва) удалось в свое время успешно решить задачу радиоволнового картографирования постоянно закрытой плотной облачностью поверхности Венеры.
Цель работы
Моделирование механических колебаний и исследование динамики изменения спектра собственных частот преднапряженной железобетонной опоры контактной сети железной дороги.
Задачи исследования
1. Разработать упрощенный аналитический подход к решению задачи о механических колебаниях модели железобетонной опоры закрепленной в земле без фундамента;
2. Усовершенствовать упрощенный аналитический подход на основе использования более точной модели опоры и структурного алгоритма метода конечных интегральных преобразований;
3. Разработать численный подход к решению задачи о механических колебаниях модели железобетонной опоры с использованием лицензионного численного пакета COMSOL Multiphysics;
4. Разработать поэтапный алгоритм математического моделирования механических колебаний основного структурного элемента железобетонной опоры;
5. Разработать алгоритм математического моделирования механических колебаний упрощенной преднапряженной железобетонной опоры контактной сети железной дороги;
6. Произвести численное исследование динамики изменения спектра собственных механических колебаний железобетонной опоры в условиях воздействия на опору распределенной поперечной силы. На основе этого дать теоретическую оценку частотного диапазона свободных колебаний контролируемых железобетонных опор.
Область исследования
Системы обслуживания и эксплуатации объектов электроснабжения. Диагностика систем электроснабжения. Обеспечение безопасности движения подвижного состава.
Объект исследования
Технология ремонта и обслуживания опор контактной сети железных дорог.
Предмет исследования
Методы определения технического состояния опор контактной сети железных дорог.
Научная проблема
Превышение нормативных сроков эксплуатации опор контактной сети железных дорог вызывает существенное снижение несущей способности сети в целом или отдельных наиболее уязвимых её участков. Отсутствие достаточной информации о состоянии опоры не позволяет своевременно принимать решения по замене или продлении срока ее эксплуатации. Следствием этого обстоятельства, в конечном итоге, являются внеплановые затраты при эксплуатации. В настоящее время экспрессный подход к достоверному определению технического состояния опоры контактной сети в условиях реальной эксплуатации отсутствует.
Научная новизна:
1. Разработан упрощенный аналитический подход к решению задачи о механических колебаниях модели железобетонной опоры закрепленной в земле без фундамента;
2. Предложено усовершенствование упрощенного аналитического подхода на основе использования более точной модели опоры и структурного алгоритма метода конечных интегральных преобразований;
3. Разработан численный подход и поэтапный алгоритм математического моделирования механических колебаний упрощенной преднапряженной железобетонной опоры контактной сети железной дороги с использованием лицензионного численного пакета COMSOL Multiphysics® ;
4. Впервые проведено численное исследование динамики изменения спектра собственных механических колебаний железобетонной опоры в условиях воздействия на опору распределенной поперечной силы.
Теоретическая и практическая значимость работы
Разработанная концепция контроля технического состояния железобетонных опор контактной сети железной дороги, основанная на исследовании динамики изменения спектра собственных механических колебаний опоры в условиях воздействия на неё распределенной поперечной силы, потенциально может позволить более достоверно характеризовать техническое состояние железобетонных опор контактной сети и принимать обоснованные решения о продлении срока службы опор или их замене.
Рациональная отработка конечного программного продукта может составить основу для снижения ошибок при определении жизненного цикла опор контактной сети и экономических затрат при их эксплуатации.
Методология и методы исследования
Методологической основой исследования являлись основные положения теории колебаний твердых тел и теории упругости. Для решения поставленных задач использовались аналитические методы математической физики, а также численный метод воплощенный в расчётной схеме из объёмных и линейных конечных элементов в лицензионном численном пакете COMSOL Multiphysics®
Положение, выносимое на защиту:
Информативным критерием для обнаружения дефектов железобетонных опор является частотный сдвиг их собственных механических колебаний.
Достоверность результатов исследования
Обоснованность полученных результатов подтверждается корректным применением аналитических и численных методов математического моделирования. Часть результатов опубликована в рецензируемом издании Journal of Physics: Conference Series, индексируемом в БД Scopus (издательство IOP Publishing). Тезисы доклада "Методика расчета спектра собственных колебаний железобетонных опор со стержневой напрягаемой арматурой", прошли рецензирование и включены в программу работы международной научно-практической конференции "Актуальные проблемы радиофизики - 2021" (14-17 сентября 2021 года, г. Томск).
Настоящая диссертация направлена на разработку физических и технических основ создания приборов оперативного контроля состояния опор в условиях отсутствия ограничений на движение железнодорожного транспорта. В идеале указанный контроль должен исключать активное силовое воздействие на опоры контактной сети. Он должен характеризоваться оперативностью диагностики состояния опор и возможностью осуществления диагностики существующими службами контроля российских железных дорог (РЖД).
Важно подчеркнуть, что известные на сегодняшний день методы диагностики не дают достаточно достоверной информации о состоянии подземной части опор, которые наиболее сильно подвержены коррозийным изменениям.
В диссертации основополагающая роль отводится подробному теоретическому исследованию особенностей механических колебательных процессов, возникающих в напряженных железобетонных опорах контактной сети в условиях моделирующих наиболее типичные реальные условия функционирования сети. Эти процессы инициируются, в частности, подвижными составами и сопровождаются акустической эмиссией опор контактной сети. Характерные особенности указанной эмиссии могут быть выявлены только с привлечением эффективных современных методов спектрального анализа. Следует особо подчеркнуть, что полезный сигнал акустической эмиссии оказывается чрезвычайно малым на фоне разнообразных шумов, вызываемых проходящим составом. Однако основополагающее значение имеет то обстоятельство, что данные шумы являются когерентными. В предлагаемых ранее подходах к решению обсуждаемой проблемы не было обращено должного внимания этому факту и, в конечном итоге, породило у ряда специалистов скептическое отношение к возможностям контроля состояния опор на основе спектрального анализа их акустической эмиссии.
Ядро предлагаемого в диссертации подхода составляет спектральный анализ колебательных процессов в напряженных элементах конструкции, образующих внутреннюю силовую арматуру. Старение и деградация силовой арматуры опор обусловливают изменение структуры спектра собственных частот механических колебаний: смещаются резонансные частоты, меняется их добротность, возникают колебания на побочных частотах. На кафедре радиофизики ТГУ при решении разнообразных задач радиоволновой и ультразвуковой томографии плодотворно применялся метод согласованной фильтрация спектра регистрируемых частот. Поэтому имеются достаточно веские основания полагать, что согласованная фильтрация спектра регистрируемых частот, осуществляемая в рамках процесса диагностики состояния опор контактной сети, позволит выявлять дефекты опор и оценивать потенциальный срок их службы. О потенциальной мощности этого метода говорит тот факт, что именно благодаря его использованию ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН (г. Москва) удалось в свое время успешно решить задачу радиоволнового картографирования постоянно закрытой плотной облачностью поверхности Венеры.
Цель работы
Моделирование механических колебаний и исследование динамики изменения спектра собственных частот преднапряженной железобетонной опоры контактной сети железной дороги.
Задачи исследования
1. Разработать упрощенный аналитический подход к решению задачи о механических колебаниях модели железобетонной опоры закрепленной в земле без фундамента;
2. Усовершенствовать упрощенный аналитический подход на основе использования более точной модели опоры и структурного алгоритма метода конечных интегральных преобразований;
3. Разработать численный подход к решению задачи о механических колебаниях модели железобетонной опоры с использованием лицензионного численного пакета COMSOL Multiphysics;
4. Разработать поэтапный алгоритм математического моделирования механических колебаний основного структурного элемента железобетонной опоры;
5. Разработать алгоритм математического моделирования механических колебаний упрощенной преднапряженной железобетонной опоры контактной сети железной дороги;
6. Произвести численное исследование динамики изменения спектра собственных механических колебаний железобетонной опоры в условиях воздействия на опору распределенной поперечной силы. На основе этого дать теоретическую оценку частотного диапазона свободных колебаний контролируемых железобетонных опор.
Область исследования
Системы обслуживания и эксплуатации объектов электроснабжения. Диагностика систем электроснабжения. Обеспечение безопасности движения подвижного состава.
Объект исследования
Технология ремонта и обслуживания опор контактной сети железных дорог.
Предмет исследования
Методы определения технического состояния опор контактной сети железных дорог.
Научная проблема
Превышение нормативных сроков эксплуатации опор контактной сети железных дорог вызывает существенное снижение несущей способности сети в целом или отдельных наиболее уязвимых её участков. Отсутствие достаточной информации о состоянии опоры не позволяет своевременно принимать решения по замене или продлении срока ее эксплуатации. Следствием этого обстоятельства, в конечном итоге, являются внеплановые затраты при эксплуатации. В настоящее время экспрессный подход к достоверному определению технического состояния опоры контактной сети в условиях реальной эксплуатации отсутствует.
Научная новизна:
1. Разработан упрощенный аналитический подход к решению задачи о механических колебаниях модели железобетонной опоры закрепленной в земле без фундамента;
2. Предложено усовершенствование упрощенного аналитического подхода на основе использования более точной модели опоры и структурного алгоритма метода конечных интегральных преобразований;
3. Разработан численный подход и поэтапный алгоритм математического моделирования механических колебаний упрощенной преднапряженной железобетонной опоры контактной сети железной дороги с использованием лицензионного численного пакета COMSOL Multiphysics® ;
4. Впервые проведено численное исследование динамики изменения спектра собственных механических колебаний железобетонной опоры в условиях воздействия на опору распределенной поперечной силы.
Теоретическая и практическая значимость работы
Разработанная концепция контроля технического состояния железобетонных опор контактной сети железной дороги, основанная на исследовании динамики изменения спектра собственных механических колебаний опоры в условиях воздействия на неё распределенной поперечной силы, потенциально может позволить более достоверно характеризовать техническое состояние железобетонных опор контактной сети и принимать обоснованные решения о продлении срока службы опор или их замене.
Рациональная отработка конечного программного продукта может составить основу для снижения ошибок при определении жизненного цикла опор контактной сети и экономических затрат при их эксплуатации.
Методология и методы исследования
Методологической основой исследования являлись основные положения теории колебаний твердых тел и теории упругости. Для решения поставленных задач использовались аналитические методы математической физики, а также численный метод воплощенный в расчётной схеме из объёмных и линейных конечных элементов в лицензионном численном пакете COMSOL Multiphysics®
Положение, выносимое на защиту:
Информативным критерием для обнаружения дефектов железобетонных опор является частотный сдвиг их собственных механических колебаний.
Достоверность результатов исследования
Обоснованность полученных результатов подтверждается корректным применением аналитических и численных методов математического моделирования. Часть результатов опубликована в рецензируемом издании Journal of Physics: Conference Series, индексируемом в БД Scopus (издательство IOP Publishing). Тезисы доклада "Методика расчета спектра собственных колебаний железобетонных опор со стержневой напрягаемой арматурой", прошли рецензирование и включены в программу работы международной научно-практической конференции "Актуальные проблемы радиофизики - 2021" (14-17 сентября 2021 года, г. Томск).
Цель диссертационной работы заключалась в разработке комплексного аналитико-численного подхода к решению задачи контролю состояния опор контактной сети железных дорог в реальных эксплуатационных условиях, основанного на их волновой диагностике.
На начальном этапе исследований был проведен поиск научно-технической литературы и патентной документации по теме диссертационной работы (неразрушающий контроль предварительно напряженных железобетонных опор методом акустической эмиссии). После ранжирования информации было произведено уточнение задач исследования.
Как таковое оно включало, во-первых, апробацию аналитического подхода, состоящего в получении формальных решений трех модельных задач все большей сложности. Мы пришли к выводу, что наиболее перспективным аналитическим методом является метод конечных интегральных преобразований, разработанный Ю.Э. Сеницким. В диссертации представлен анализ особенностей и потенциальных возможностей этого метода применительно к проблематике магистерской диссертации.
Во-вторых, исследование включало численное моделирование основано на использовании программного продукта COMSOL Multiphysics.
В результате численного моделирования были проведены анализы различных инструментов COMSOL Multiphysics, таких как, Eigenfrequency и Frequency Domain. Были проведены 2 исследования с упрощенными моделями опоры, а именно, металлическим стержнем и бетонным стержнем, армированным 1 арматурой. Данные этапы исследований, в основном, были направлены на изучение основ моделирование в COMSOL, в том числе, создание геометрии и сетки, задание начальных (в том числе преднапряжений) и граничных условий, «связки» перемещений элементов армирования с бетоном, а также задания коэффициентов демпфирования. На последнем этапе, сначала было проведено исследование на сеточную сходимость и тем самым определена оптимальная сетка. После чего, производился анализ собственных частот для бездефектной опоры и опоры, поврежденной в подземной части. Помимо выше упомянутых операций в COMSOL, также были освоены элементы, связанные с постобработкой, к ним можно отнести создание иллюстраций, графиков и т.д.
В качестве дальнейших исследований, планируется использование более точной модели опоры, а именно конической формы модели, и подключение аналитического подхода, для подтверждения корректности полученных результатов, путем сравнения аналитического и численного решений.
На начальном этапе исследований был проведен поиск научно-технической литературы и патентной документации по теме диссертационной работы (неразрушающий контроль предварительно напряженных железобетонных опор методом акустической эмиссии). После ранжирования информации было произведено уточнение задач исследования.
Как таковое оно включало, во-первых, апробацию аналитического подхода, состоящего в получении формальных решений трех модельных задач все большей сложности. Мы пришли к выводу, что наиболее перспективным аналитическим методом является метод конечных интегральных преобразований, разработанный Ю.Э. Сеницким. В диссертации представлен анализ особенностей и потенциальных возможностей этого метода применительно к проблематике магистерской диссертации.
Во-вторых, исследование включало численное моделирование основано на использовании программного продукта COMSOL Multiphysics.
В результате численного моделирования были проведены анализы различных инструментов COMSOL Multiphysics, таких как, Eigenfrequency и Frequency Domain. Были проведены 2 исследования с упрощенными моделями опоры, а именно, металлическим стержнем и бетонным стержнем, армированным 1 арматурой. Данные этапы исследований, в основном, были направлены на изучение основ моделирование в COMSOL, в том числе, создание геометрии и сетки, задание начальных (в том числе преднапряжений) и граничных условий, «связки» перемещений элементов армирования с бетоном, а также задания коэффициентов демпфирования. На последнем этапе, сначала было проведено исследование на сеточную сходимость и тем самым определена оптимальная сетка. После чего, производился анализ собственных частот для бездефектной опоры и опоры, поврежденной в подземной части. Помимо выше упомянутых операций в COMSOL, также были освоены элементы, связанные с постобработкой, к ним можно отнести создание иллюстраций, графиков и т.д.
В качестве дальнейших исследований, планируется использование более точной модели опоры, а именно конической формы модели, и подключение аналитического подхода, для подтверждения корректности полученных результатов, путем сравнения аналитического и численного решений.