10 (октябрь)

СОДЕРЖАНИЕ № 10 2012

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ МЕХАНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ КОНСТРУКЦИЙ
METHODS OF INVESTIGATION OF MECHANICAL STATE OF STRUCTURES

Окопный Ю.А., Радин В.П., Чирков В.П., Щугорев А.В.
ОБ УСТОЙЧИВОСТИ ОДНОЙ МЕХАНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ПРИ НЕКОНСЕРВАТИВНОМ НАГРУЖЕНИИ
Контактная информация: hb @ idspectr.ru

Аннотация. Исследуется устойчивость положения равновесия механических систем, расчетная схема которых может быть представлена в виде стержня или пластины в состоянии цилиндрического изгиба с изменяющимся межопорным расстоянием. Рассматриваются три неконсервативные задачи теории упругой устойчивости, а именно: стержень при действии потенциальной и следящей сил, участок трубопровода с движущейся жидкостью и флаттер плоской пластины в сверхзвуковом потоке газа. Определяются критические значения параметров консервативных и неконсервативных нагрузок, на плоскостях параметров нагружения строятся границы области устойчивости.
Ключевые слова: стержень на шарнирных опорах; варьирование межопорного расстояния; неконсервативные нагрузки; устойчивость; дивергенция; флаттер.

Okopny Yu.A., Radin V.P., Chirkov V.P., Schugorev A.V.
THE STABILITY OF MECHANICAL SYSTEM WITH NONCONSERVATIVE LOADING

Annotation. Stability of position of balance of the mechanical systems which can be presented in the form of a beam or a plate in a condition of a cylindrical bend with the changing interbasic distance is investigated. Three nonconservative tasks of the theory of elastic stability, namely a beam are considered at action of potential and folowing forces, a pipeline site with moving liquid and a flatter of a flat plate in a supersonic stream of gas are considered. Critical values of parameters of conservative and nonconservative loadings are defined and plotted on the planes of parameters of loading.
Keywords: Beam on a rocker bearing; A variation of interbasic distance; Nonconservative loadings; Stability; A flatter.

Кузнецов С.Ф., Семенов А.С.
ИДЕНТИФИКАЦИЯ ОБЛАСТЕЙ НУЛЕВОЙ РЕАКЦИИ ДЛЯ СИСТЕМЫ БАЛКА–НЕОДНОРОДНОЕ УПРУГОЕ ОСНОВАНИЕ
Контактная информация: KuznetsovSF @ mpei.ru

Аннотация. Поставлена задача идентификации области нулевой реакции для системы балка–неоднородное упругое основание при наличии данных о прогибах как линейная обратная задача об определении дополнительных нагрузок, моделирующих сопротивление основания. Численный метод решения обратной задачи основывается на конечно-элементной аппроксимации и итерированном варианте регуляризации по методу Тихонова, модифицированном с целью использования при регуляризации априорной информации об искомом решении. Идентификация области 0-реакции реализуется в шаговой процедуре, выбор наилучшего приближения осуществляется по критерию, сформулированному на основе принципа виртуальных работ для систем с распределенными упругими связями.
Ключевые слова: конструкция; упругое основание; технический мониторинг; задача идентификации; обратная задача; метод регуляризации; погрешность данных; априорная информация.

Kuznetsov S.F., Semenov A.S.
IDENTIFICATION OF DOMAINS WITH 0-REACTIONS FOR SYSTEM BEAM–INHOMOGENEOUS ELASTIC FOUNDATION

Annotation. Problem of identification of domains with 0-reactions for a system beam–inhomogeneous elastic foundation on base of data on beam deflection are considered. The problem is determined as linear inverse problem with respects to additional elastic responses of foundation due to heterogeneity. Numerical method of solution of inverse problem on the ground of finite element discretization and iterative version of the Tihonov’s regularization is used. Identification of domains with 0-reactions is realized as stepping procedure, the closest approach is defined with use a criterion following from principle of virtual work.
Keywords: Construction; Elastic Foundation; Technical monitoring; Identification problem; Inverse problem; Regularization method; Error in the data; A priori information.

Позняк Е.В.
ОЦЕНКА ДЕФЕКТОВ В СОЕДИНЕНИЯХ МОДЕЛИ КАРКАСНОГО ЗДАНИЯ КАК ИНИЦИАТОРОВ ПРОГРЕССИРУЮЩЕГО ОБРУШЕНИЯ
Контактная информация: PozniakYV @ mpei.ru

Аннотация. Рассмотрен способ оценки степени опасности локального повреждения строительных конструкций по отношению к заданному типу аварийного воздействия. Предложенный способ тестирования поврежденных систем с помощью импульсного воздействия позволяет оценить любые заданные повреждения с точки зрения устойчивости к прогрессирующему обрушению. Применение методики проиллюстрировано на модели каркасного здания.
Ключевые слова: дефект; повреждение; каркасное здание; прогрессирующее обрушение; импульсное воздействие.

Poznyak E.V.
ASSESSMENT OF DEFECTS IN FRAME BUILDING MODEL JOINTS AS INITIATORS OF THE PROGRESSIVE COLLAPSE

Annotation. The goal of this study is the development the local damages estimation method of building structures for given type of emergency loads. The proposed method of testing damaged systems with impulse loads allows to evaluate the danger degree of any given damage from the position of the resistance to a progressive collapse. The frame building model computation is used to illustrate the efficiency of the method.
Keywords: Defect; Damage; Frame building; Progressive collapse; Impulse load.

РАСЧЕТЫ КОНСТРУКЦИЙ НА СЕЙСМОСТОЙКОСТЬ
SEISMIC STABILITY ANALYSIS OF STRUCTURES

Семенов В.А., Лебедев В.Л.
РАСЧЕТЫ ПРОСТРАНСТВЕННЫХ СООРУЖЕНИЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПРОСТРАНСТВЕННЫХ МОДЕЛЕЙ СЕЙСМИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ
Контактная информация: vas @ tech-soft.ru

Аннотация. Представлены методики расчета пространственных моделей сооружений методом конечных элементов на основе использования общей пространственной модели воздействия, описывающей сейсмическое движение массива грунта векторами ускорений поступательного и вращательного движения опорных точек, которые могут быть произвольно ориентированы в пространстве. Даны решения задачи о вынужденных колебаниях конструкции при землетрясении во временной области. Получены общие соотношения для определения требуемого числа форм собственных колебаний и наиболее опасных направлений сейсмического воздействия. Представленные методики реализованы в программном комплексе MicroFE, предназначенном для массового применения при строительном проектировании. Приведены некоторые результаты динамического расчета многоэтажного здания.
Ключевые слова: конструкция; сейсмическое воздействие; метод конечных элементов; опасные направления сейсмического воздействия.

Semenov V.A., Lebedev V.L.
THE COMPUTATION OF SPATIAL STRUCTURE USING SPATIAL MODELS OF SEISMIC IMPACT

Annotation. Presents computation methods the spatial structures by finite element method using common spatial model of seismic action. The model describes the motion of an array of seismic ground acceleration vector of translational and rotational motion of reference points that can be arbitrarily oriented in space. We also solve the problem of forced vibrations of structures during an earthquake in the time domain. The general correlation for determining the required number of forms of natural vibrations and the most dangerous directions of seismic action. Techniques presented in this paper are implemented in software package MicroFE, designed for mass use in building design. Some results of the dynamic analysis of multistory buildings.
Keywords: Construction; Seismic action; Finite element method; Dangerous directions of seismic action.

Тяпин А.Г.
ПРЯМОЙ ПОДХОД К СЕЙСМИЧЕСКОМУ РАСЧЕТУ СИСТЕМЫ СООРУЖЕНИЕ–ОСНОВАНИЕ НА ОСНОВЕ ПРИНЦИПА СУПЕРПОЗИЦИИ
Контактная информация: hb @ idspectr.ru

Аннотация. Автор развивает основанный на принципе суперпозиции волновых полей общий подход к решению задач SSI, по отношению к которому прямой и импедансный подходы являются частными случаями. На простом одномерном примере, допускающем аналитическое решение, демонстрируется, что при корректном применении прямой подход приводит к точным результатам. Однако в традиционно используемом на практике прямом подходе часто происходит подмена краевых условий. В ряде случаев такие подмены приводят к существенным погрешностям в результатах. Эти эффекты демонстрируются и обсуждаются.
Ключевые слова: взаимодействие сооружений с основанием; сейсмические расчеты; суперпозиция волновых полей.

Tyapin A.G.
DIRECT APPROACH TO THE SEISMIC SSI ANALYSIS BASED ON THE SUPERPOSITION

Annotation. The author develops general approach to the soil-structure interaction (SSI) problems based on the superposition of wave fields. Direct and impedance approaches are the particular cases of this general approach. Using simple 1D example enabling analytical solution, the author demonstrates that direct approach leads to the accurate results. However, very often in the direct approach one performs a certain substitution of the boundary conditions. Sometimes such substitutions may lead to the significant errors in results. These effects are demonstrated and discussed.
Keywords: Soil-structure interaction; Seismic analysis; Superposition of wave fields.

ПРОЧНОСТЬ И НАДЕЖНОСТЬ МАШИН И ОБОРУДОВАНИЯ
STRUCTURAL STRENGTH AND RELIABILITY OF MACHINES AND EQUIPMENTS

Воронцов А.Н., Волоховский В.Ю.
МЕХАНИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ОЦЕНКИ ПРОЧНОСТИ И РЕСУРСА СТАЛЬНЫХ КАНАТОВ ГРУЗОПОДЪЕМНЫХ МАШИН ПО ДАННЫМ ДИАГНОСТИКИ
Контактная информация: Vorontsov @ intron.ru

Аннотация. Представлена методика анализа несущей способности и индивидуального остаточного ресурса стальных канатов на основе данных магнитной дефектоскопии. Методика базируется на механической модели каната с частичной потерей сечения по металлу и обрывами проволок. Остаточный ресурс прогнозируется по истории изменения текущего коэффициента запаса прочности эксплуатируемого каната. Приведен пример расчета изменения несущей способности и ресурса шахтного каната по данным пяти инспекций.
Ключевые слова: стальной канат; магнитная дефектоскопия; потеря сечения; обрыв проволоки; механическая модель; оценка прочности; планирование инспекций; остаточный ресурс.

Vorontsov A.N., Volokhovsky V.Yu.
MECHANICAL MODEL FOR STRENGTH AND LIFE-TIME ASSESSMENT OF TESTED HOISTING ROPES

Annotation. Principles of successive strength assessment and life-time forecasting of steel wire ropes based on magnetic NDT technique arepresented. The mechanical model of deteriorated stranded ropes is proposed. Stress safety factor is considered as a suitable indicator of working history state of degraded rope. Example of strength estimation and life-time prediction of hoisting mine rope under fatigue tension-tension loading is demonstrated.

Keywords: Hoisting steel rope; Magnetic diagnostic; Deterioration; Mechanical model; Strength assessment; Safety factor; Life-time prediction.

Серветник А.Н.
МОДЕЛИРОВАНИЕ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ ДИСКА ТУРБИНЫ АГТД
Контактная информация: servetnik @ ciam.ru

Аннотация. Представлены результаты квазистатического численного моделирования разгонных испытаний диска турбины АГТД. Для определения напряженно-деформированного состояния (НДС) диска в процессе нагружения использован метод конечных элементов (МКЭ). Моделирование полей упругопластических деформаций проводилось с использованием теории пластического течения с изотропным упрочнением. Исследовано влияние на модель условий текучести Мизеса и Треска, а также разброса механических свойств материала. Для интегральной оценки разрушающей частоты вращения диска предложено использовать энергетический критерий разрушения. Величина разрушающей частоты вращения диска по предложенной методике сопоставлялась как с данными эксперимента, так и с расчетными результатами, полученными с помощью других критериев разрушения.
Ключевые слова: разгонные испытания диска; напряженно-деформированное состояние; условие текучести; разрушающая частота вращения; критерий разрушения; удельная энергия деформации.

Servetnik A.N.
LOAD-CARRYING CAPABILITY SIMULATION OF AVIATION GAS TURBINE ENGINE DISK

Annotation. The results of quasi-static numerical simulation of spin tests of aviation gas turbine engine disk are presented. To determine stress-strain state of disk during loading finite element analysis is used. Simulation of elastic-plastic strain fields was carry out using incremental theory of plasticity with isotropic hardening. Model sensitivity from V.Mises and Tresca yield conditions and scattering of material properties was investigated. As an integral assessment of disk burst speed, it has been suggested that a local energy fracture criterion be used. The results of calculation made using this criterion were compared with the results of disk testing carried out at special spin test rigs and also with the results of calculations made using different local strain and stress fracture criteria.
Keywords: Burst speed tests; Stress-strain state; Yield condition; Burst speed; Fracture criterion; Strain energy density.

Шипков А.А., Шепелев С.В., Томаров Г.В.
РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ПО ОПРЕДЕЛЕНИЮ МИНИМАЛЬНО ДОПУСТИМЫХ ТОЛЩИН СТЕНОК ЭЛЕМЕНТОВ И УЗЛОВ ТРУБОПРОВОДНЫХ СИСТЕМ, СОДЕРЖАЩИХ ЭРОЗИОННО-КОРРОЗИОННЫЕ ДЕФЕКТЫ
Контактная информация: ShipkovAA @ mpei.ru

Аннотация. Статья посвящена описанию существующих методик оценки минимально допустимой толщины стенки элементов трубопроводов, содержащих эрозионно-коррозионные утонения, и проблем их применения. Рассмотрены принципы, методики и нормативные документы, используемые в стране и за рубежом. Приведены примеры численного моделирования напряженно-деформированного состояния в типовых участках трубопроводов российских атомных электростанций, содержащих эрозионно-коррозионные утонения в основном металле. Показана необходимость учета размеров и месторасположения дефектов при оценке минимально допустимой толщины стенки фасонных элементов трубопроводов. Предложены направления совершенствования действующей в отрасли нормативной документации.
Ключевые слова: эрозия-коррозия; дефект; метод конечных элементов; ресурс; трубопроводные системы; прочностной расчет.

Shipkov A.A., Shepelev S.V., Tomarov G.V.
THE RESULTS OF NUMERICAL MODELING TO DETERMINE THE MINIMUM ALLOWABLE WALL THICKNESS OF PIPING SYSTEMS ELEMENTS AND ITS GROUPS WITH EROSION-CORROSION THINNING

Annotation. The paper describes the existing methodologies for assessing the minimum allowable wall thickness of pipeline elements with erosion-corrosion thinning and problems of their application. The principles, methods and regulations used in the country and abroad are under consideration. The paper deals with examples of numerical simulation of the stress-strain state in the standard pipe sections of Russian nuclear power plants that contain erosion-corrosion thinning of the base metal. The necessity of taking into account the size and location of defects for assessing the minimum allowable wall thickness of the pipe shaped elements is approved. Ways of improving the current industry standard documentation are proposed.
Keywords: Erosion-corrosion; Damage; Finite elements method; Durability; Pipeline system; Strength prediction.

ПРИЛОЖЕНИЕ
SUPPLEMENT

МЕТОДЫ РАСЧЕТА КОНСТРУКЦИЙ МАГИСТРАЛЬНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ
STRUCTURAL CALCULATIONS OF LONG DISTANCE PIPELINES

Ковех В.М., Панов М.Ю., Морин И.Ю., Овсянников Е.Н.
АНАЛИЗ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ МОРСКИХ ТРУБОПРОВОДОВ ПРИ УКЛАДКЕ С УЧЕТОМ ВЛИЯНИЯ БЕТОННОГО ПОКРЫТИЯ ТРУБ
Контактная информация: V_Kovekh @ vniigaz.gazprom.ru

Аннотация. Представлен алгоритм расчета напряженно-деформированного состояния подводного магистрального трубопровода, позволяющий учесть большие перемещения и пластическое деформирование металла труб при укладке на морское дно. Выполнен анализ влияния бетонного покрытия на НДС зоны расположения монтажных кольцевых сварных соединений трубопровода. Приведен пример расчета процесса укладки морского трубопровода с учетом влияния технологического натяжения и особенностей деформирования трубы на стингере трубоукладочного судна.
Ключевые слова: подводный трубопровод; обетонированный трубопровод; стингерный метод укладки трубопровода; конечно-элементная модель.

Kovekh V.M., Panov M.Yu., Morin I.Yu., Ovsyannikov E.N.
STRESS-STRAIN STATE ANALYSIS OF SUBMARINE PIPELINES WITH CONCRETE COATING DURING INSTALLATION

Annotation. In article presents algorithm for calculating the stress-strain state of the submarine pipeline. This algorithm allows to take into account large displacements and the plastic deformation of the pipe metal during installation. Is analyzed the influence of concrete cover on the stress-strain state of welded joints of pipe. Also presented an example of pipeline laydown computation with consideration of the technological tension and conditions of pipeline deformation on stinger.
Keywords: Submarine pipeline; Concrete coated pipeline; S-lay installation method; Finite element model.

Ковех В.М., Силкин В.М., Овсянников Е.Н., Морин И.Ю.
ОЦЕНКА РАБОТОСПОСОБНОСТИ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ ТРУБОПРОВОДОВ С УЧЕТОМ СОСТАВА, ОБЪЕМА И ДОСТОВЕРНОСТИ ИСХОДНЫХ ДАННЫХ
Контактная информация: V_Kovekh @ vniigaz.gazprom.ru

Аннотация. Рассмотрены критерии и методы расчетной оценки работоспособности сварных соединений трубопроводов с учетом состава, объема и достоверности исходных данных об уровне нагруженности, механических свойствах металла, геометрии сварного шва. Оценка выполняется по результатам визуального, измерительного и неразрушающего контроля физическими методами. Обсужден вариант построения трехуровневой системы оценки работоспособности кольцевых стыковых сварных соединений магистральных газопроводов. Приведены результаты параметрического анализа влияния смещения кромок на концентрацию напряжений на кольцевом сварном шве. Представлены примеры расчетной оценки внутренних и поверхностных дефектов сварного соединения.
Ключевые слова: оценка работоспособности; сварное соединение; дефект; механика разрушения.

Kovekh V.M., Silkin V.M., Ovsyannikov E.N., Morin I.Yu.
ASSESSMENT OF PIPELINE WELDED JOINTS OPERABILITY ON ACCOUNT OF THE LIST OF THE INPUT DATA, THEIR AMOUNT AND VALIDITY

Annotation. Criteria and methods of assessment of pipeline welded joints operability on account of the list of input data on mechanical properties of metal, welded joints geometry and loads, as well as the amount and validity of the data involved are considered. The assessment is based on the results of nondestructive test. A variant of constructing a three-level system of assessing operability of pipeline girth butt welds is discussed. Parametric analysis of the effect of misalignment of weld edges upon stress concentration in girth butt weld is presented. Examples of assessment of internal and surface defects in welded joints are given.
Keywords: Assessment of operability; Welded joint; Defect; Fracture mechanics.

Трофимов О.В., Курганова М.А., Носова Е.С.
ЧИСЛЕННЫЕ МЕТОДЫ АНАЛИЗА НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ МАГИСТРАЛЬНЫХ ГАЗОПРОВОДОВ НА УЧАСТКАХ ПЕРЕСЕЧЕНИЙ АКТИВНЫХ ТЕКТОНИЧЕСКИХ РАЗЛОМОВ
Контактная информация: O_Trifonov @ vniigaz.gazprom.ru

Аннотация. В настоящее время значительное количество магистральных газопроводов прокладывается в сложных условиях, включая области вечной мерзлоты, сейсмически активные районы, оползневые участки. Проблема пересечения активных тектонических разломов находится в числе основных задач, так как монотонные подвижки грунта, возникающие при активизации разлома,могут нанести существенный ущерб газопроводу. Для данной задачи в статье рассмотрена методология численного анализа напряженно-деформированного состояния газопроводов на основе метода конечных элементов. Решение данной задачи может быть проведено на основе моделей газопровода балочного типа или моделей оболочечного типа. В первом случае взаимодействие с грунтом моделируется с помощью нелинейных распределенных связей («грунтопружин»). Во втором случае окружающий грунт моделируется в рамках механики сплошной среды и теории пластичности. Описание моделей различного уровня сложности проиллюстрировано результатами расчетов, выполненных в программном комплексе ANSYS
Ключевые слова: магистральный газопровод; активный тектонический разлом; пластические деформации; местная потеря устойчивости; метод конечных элементов.

Trifonov O.V., Kurganova M.A., Nosova E.S.
NUMERICAL METHODS FOR STRESS-STRAIN ANALYSIS OF GAS-MAIN PIPELINES AT ACTIVE FAULT CROSSINGS

Annotation. At present, a substantial amount of onshore pipelines are laid in complex environmental conditions including permafrost regions, seismic regions, sites susceptible to landslides and soil flows. In this connection, the problem of active fault crossing is among the major tasks since the permanent ground deformations can cause a significant damage to the pipeline. In the paper, a methodology of numerical analysis of stress-strain state based on the finite-element method is considered. The solution to the problem can be conducted using beam-type or shell-type models. In the first case the pipe-soil interaction is modeled by the nonlinear distributed supports («soil springs»). In the second case the surrounding soil is modeled in the framework of continuum mechanics and plasticity theory. The description of the models is illustrated by numerical results calculated with the use of ANSYS finite element software.
Keywords: Gas-main pipeline; Active fault; Plastic strains; Local buckling; Finite element method.

Мурзаханов Г.Х., Щугорев В.Н.
АНАЛИЗ ПРОЧНОСТИ ГАЗОПРОВОДОВ С ДЕФЕКТАМИ
Контактная информация: MurzakhanovGK @ mpei.ru

Аннотация. На примере оценки сварного соединения показаны некоторые возможности Московского городского центра при ГУП Мосгаз по исследованию надежности газопроводов. По результатам комплексного исследования сварных соединений с различными видами дефектов оценена степень риска разрушения газопровода при эксплуатации.
Ключевые слова: качество; сварное соединение; дефекты; оценка прочности; структурный анализ.

Murzakhanov G.Kh., Schugorev V.N.
STRENGTH ANALYSIS OF GAS PIPELINES WITH DEFECTS

Annotation. In this article, by the example of the joint weld estimation, the some of MOSGAZ’Moscow City Center capabilities of the gas pipe lines’reliability research are showed. Based on the comprehensive analysis results of the joint welds with different types of defects, the risk level of gas pipe line destruction during the exploitation was evaluated.
Keywords: Quality; Joint weld; Defects; Strength evaluation; Structural analysis.