Мосты в России работают в экстремальных условиях: перепады температур, вибрация и растущие нагрузки. Слабое место конструкции — опорные части с полимерными вставками, которые работают как «суставы». Именно они чаще всего выходят из строя, поскольку традиционные методы испытаний не позволяют предсказать поведение таких материалов при одновременном воздействии тепла и внешнего давления. В реальности мост за ночь промерзает, днем нагревается на солнце, а транспортные нагрузки приводят к необратимым изменениям этой прослойки. Одним из перспективных решений для таких узлов является сверхвысокомолекулярный полиэтилен — пластик, устойчивый к износу и обладающий низким коэффициентом трения. Ученые Пермского Политеха создали математическую модель, которая с точностью до 95% впервые позволяет прогнозировать износ этого полимера с учетом реальных климатических условий и сложного характера деформирования.
Что общего между человеком и мостом? В обоих случаях есть механизм, который гасит удары, снижает трение и дает «сложной системе» требуемую подвижность. В теле это суставы с хрящевой тканью — тонкой прослойкой между костями. В мосту ту же роль выполняет опорная часть с антифрикционной (снижающей трение) вставкой. Она помогает пролетам (основным несущим конструкциям) гасить вибрации и смещаться под нагрузкой. Для этого часто используют полимеры — они работают как искусственный хрящ.
Полимерные прослойки используют во всех типах мостов (автомобильных, железнодорожных, пешеходных). Они снижают трение, износ металла и гасят ветровые и температурные нагрузки. Однако чтобы мост надежно служил в разных климатах, инженерам при проектировании нужны данные о том, как материалы реагируют на температуру. Особенно это важно в России, где мосты работают при температурах от –40 °C до +50 °C. При этом машин на дорогах становится все больше, и мосты строят в местах, с суровым климатом и сложной местностью. Из-за этого опорные части конструкции сильнее страдают от нагрузок и перепадов температур. Повышается риск повреждения прослойки (выдавливание, сжатие), перекоса пролета и заклинивания опорной части. Все это в конечном счете приводит к повреждению моста.
Чтобы избежать таких проблем, традиционно в качестве антифрикционного материала используют тефлон, который занимает около 60 % мирового рынка полимеров. Материал при этом имеет серьезные ограничения при работе в высоконагруженных условиях из-за мягкости и текучести. Альтернативой выступает сверхвысокомолекулярный полиэтилен — пластик, устойчивый к механическому износу и обладающий низким коэффициентом трения. Он уже применяется в подвижных узлах, в том числе в мостах, но требуется прогнозирование его работы с учетом температуры и сложного деформирования.
Образцы сверхвысокомолекулярного полиэтилена
Проблема в том, что даже в мировой практике существующие методы испытаний и расчетов антифрикционных материалов не позволяют точно предсказать их поведение при экстремальных нагрузках и перепадах температур. В лаборатории их проверяют, например, просто сжимая с постоянной скоростью или нагревая до определенной температуры. А стандартные компьютерные модели учитывают только упругость, то есть полное восстановление формы после снятия нагрузки.
Но в реальности мост постоянно испытывает сочетание разных воздействий. За ночь он может промерзнуть до –30 °C, а утром резко нагреться на солнце, не считая внутреннего повышения температуры от натирания элементов друг о друга. Из-за этого в полимере возникают сложные внутренние напряжения. Добавьте к этому вес и удары от машин или поездов — и материал начинает необратимо деформироваться. Даже когда нагрузка уходит, форма не восстанавливается, что может привести к поломке опорной части.
Именно для учета этих факторов и создания достоверного прогноза работы конструкций при нагреве и нагрузках ученые Пермского Политехасоздали математическую модель, которая впервые позволяет предсказать поведение сверхвысокомолекулярного полиэтилена с точностью до 95%, в условиях, максимально приближенных к реальной работе моста.
Анна Каменских
— Суть разработки заключается в создании «цифрового двойника» антифрикционной прослойки «мостового сустава». Для этого мы провели комплекс экспериментов. Образцы сверхвысокомолекулярного полиэтилена испытывали в диапазоне температур от –40 до +80 °C. Их сжимали с разной скоростью — от медленной до быстрой, при разных температурах, воздействовали циклической нагрузкой при охлаждении образцов от максимальной до минимальной температуры, анализируя, как материал реагирует на комплексное тепловое и силовое воздействие, — рассказала Анна Каменских, доцент кафедры вычислительной математики, механики и биомеханики ПНИПУ, кандидат технических наук.
На основе этих данных научная группа создала модель, учитывающую упругость, вязкость и пластичность материала одновременно. Чтобы проверить точность модели, ее результаты сравнили с экспериментами, где образцы нагружали в несколько этапов. Причем использовались те данные, которые не применялись для построения модели. Расхождение составило менее 5%. Это значит, что модель предсказывает, как поведет себя пластик в новых условиях, с точностью более 95%.
Затем ученые применили эту модель к реальной конструкции — сферической опорной части железнодорожного моста (узлу, который соединяет пролет с опорой и позволяет ему двигаться). Именно такие сооружения испытывают самые интенсивные нагрузки: многократные проходы составов и экстремальные перепады температур.
Анастасия Богданова
— В специальной программе мы построили компьютерную модель опорной части, в которую заложили свойства материала прослойки — тот самый «цифровой двойник». Затем задали условия нагружения максимально приближенные к эксплуатационным: многократные проходы поездов до 2000 циклов и температуру от –40 до +50 °C. Расчет показал, где возникают самые сильные напряжения и какие участки разрушатся раньше всего. Самое уязвимое место – это зона, где прослойка выступает над нижней стальной плитой, которая служит опорой для полимера, но в месте их контакта возникает зона повышенного напряжения. В итоге мы получили зависимость, на которой видно, что после 2000 проходов составов пластические деформации в этой зоне достигают 9%, — рассказала Анастасия Богданова, научный сотрудник лаборатории цифрового инжиниринга машиностроительных процессов и производств Передовой инженерной школы ПНИПУ.
Это значит, что в самом нагруженном месте материал уже необратимо изменил свою структуру — но разрушения пока не произошло. Такая информация позволяет вовремя запланировать ремонт или усилить опасный участок еще на этапе проектирования.
Следовательно, благодаря новой разработке инженеры получают инструмент для точного компьютерного проектирования. Используя «цифровые двойники» материалов, можно проиграть любой сценарий эксплуатации — от суровой зимы до жаркого лета, от малозагруженной дороги до интенсивной магистрали. Модель сразу покажет, как поведет себя полимерная прослойка, где возникнут зоны риска и сколько циклов нагружения конструкция прослужит без капремонта.
В итоге это позволяет повысить надежность опорных частей мостов и адаптировать их конструкцию под конкретные условия эксплуатации, что расширит возможность использования сверхвысокомолекулярного полиэтилена.
Статья опубликована в журнале «Applied Mechanics». (если доступ к журналу ограничен, статью можно скачать здесь). Исследование проведено в рамках программы развития Передовой инженерной школы «Высшая школа авиационного двигателестроения», при поддержке Российского научного фонда (грант № 25-29-00638).
Источник: Минобрнауки России
