Исследование напряженно-деформированного состояния полимерной водопропускной трубы КОРСИС диаметром DN/OD 1000 мм

1.

64-я научно-техническая конференция ВГТУ
Кафедра «Строительная механика»
доклад по теме:
«Исследование напряженно-деформированного состояния полимерной
водопропускной трубы КОРСИС диаметром DN/OD 1000 мм»
Докладчик: Щербаков Д.В., аспирант
Руководитель: Гриднев С.Ю.,
д.т.н., доцент кафедры «Строительная механика»

2.

Введение
Настоящая работа посвящена оценке прочностных характеристик трубы
КОРСИС диаметром DN/OD 1000 мм. Анализ напряженно-деформированного
состояния (далее – НДС) проводился с помощью программных комплексов,
реализующих метод конечного элемента* (далее – МКЭ). На основании
данной работы будет сделано заключение о возможности применения
исследуемой КЭ модели в качестве обоснования типовых проектных решений
для трубы КОРСИС.

3.

Расчетная модель
Геометрия создана в программном комплексе BETA CAE ANSA
(препроцессор)
Цели расчета:
• Определить напряжения и перемещение,
возникающие в трубе под действием колесной
нагрузки (в двух эксплуатационных состояниях);
• Провести верификацию КЭ модели;
• Рассмотреть
возможность
применения
результатов расчета в качестве обоснования
проектных решений для трубы КОРСИС (вариант
водопропускной трубы)
Начальные условия
Нагрузка – НК-80 (8 пятен контакта по 900 кН на каждое)
Размер пятна контакта одного колеса – 200х800 мм
Глубина заложения трубы – 500 мм
Слои заложения:
Грунт –Суглинок легкий (ГОСТ 25100, табл. Е.5)
Асфальтобетонная смесь
Щебень средней фракции
Песок мелкозернистый
Расчет проведен в ANSYS LS-Dyna (процессор/постпроцессор)

4.

Характеристики материалов
Материал грунта
Плотность ρ, кг/м3
Материал трубы
Модуль сдвига G,
МПа
Объемный модуль
упругости BULK,
МПа
6
16.5
1700
Данные
характеристики
MAT_SOIL_AND_FOAM
вносятся
в
карту
материала
Плотность ρ,
кг/м3
Модуль
упругости Е, МПа
Коэф. Пуассона µ
950
900
0.43
Критерий КупераСаймондса С
Критерий Купера-
2.1544001
3.1623001
Саймондса Р
В первом приближении полиэтилен можно задавать картой MAT_VISCOELASTIC. В дальнейшем
планируется исследовать возможность применения MAT_PLASTICITY_POLYMER, т.к. эта карта наиболее точно
отражает поведение полимерного материала, но для корректной работы нужны экспериментальные данные и
Карта материала MAT_SOIL_AND_FOAM в ANSYS LS-Dyna
предназначена для моделирования поведения грунтов и пенопластов
в численных расчетах. Эта карта объединяет характеристики грунтов,
позволяя учитывать их особенности при анализе динамических и
статических
процессов.
Также, данная карта позволяет учитывать как упругие, так и
пластические деформации материала, что делает ее полезной для
моделирования различных инженерных задач, связанных с грунтами.
подробное
изучение
каждой
из
переменных
и
ее
влияние
на
расчетную
модель.
Карта материала MAT_VISCOELASTIC в ANSYS LS-Dyna представляет собой модель вязкоупругого
материала, которая используется для описания поведения материалов, обладающих как упругими, так и
вязкими свойствами. Эта модель позволяет учитывать динамические эффекты деформации и разрушения
материалов при различных скоростях и нагрузках.

5.

Метод расчета
Т.к. расчет проводится в статике (скорости предельно малы), было
принято решение использовать неявные методы расчета (Implicit)
и неявный решатель.

6.

Верификационный расчет
Верификация была проведена на основе пункта И.3 документа
«Методические рекомендации к СП 399.1325800.2018».
Значение давления от нагрузки А-14 в КЭ модели – 154.4 кПа
Значение давления от нагрузки А-14 в примере из СП – 152.2 кПа
Расхождение результатов – 1.45%
Полученные данные позволяют сделать вывод о том, что КЭ модель трубы
КОРСИС DN/OD 1000 мм успешно прошла верификацию.

7.

Результаты расчета
Заложение под дорожной одеждой
Заложение в грунте

8.

Выводы
На основании полученных результатов расчетов можно сделать следующие выводы:
• Чтобы подтвердить применимость КЭ модели для обоснования АТПР, необходимо сравнить
основные эксплуатационные показатели с их нормативными значениями. В соответствии с СП
399.1325800.2018, величина овализации должна составлять:
• при кратковременной – не более 6%
• при долговременной – не более 10%
• Полученные данные позволяют сделать вывод о том, что овализация ни в одном из
рассмотренных случаев не превышает допустимые значения (вертикальное смещение <1 мм в
обоих случаях). Исходя из этого можно сделать заключение о том, что данные расчеты
целесообразно использовать для обоснования типовых проектных решений для трубы КОРСИС,
в частности, в случае прокладки под дорогой в качестве водопропускной трубы.
Рекомендации:
• Чем больше срок эксплуатации, тем менее пластичен материал трубы. Следовательно, есть
риски возникновения трещин и надломов. В связи с этим, по истечению срока эксплуатации
рекомендовано проводить проверку конструкции, т.к. полимерный материал (ПЭ-100) имеет
большой запас прочности и, в связи с этим, срок службы может быть увеличен в некоторых
случаях
• Данные модели трубы можно модифицировать (менять условия заложения, характер нагрузки и
т.д.) и использовать в дальнейших исследованиях.