Специалисты Пермского национального исследовательского политехнического университета (ПНИПУ) построили цифровую модель, способную предсказывать деформацию наиболее уязвимых частей мостов — мостовых «суставов», содержащих полимерные материалы. Точность прогнозов достигает 95%, сообщили в пресс-службе Минобрнауки РФ.
"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. Одним из перспективных решений для таких узлов является сверхвысокомолекулярный полиэтилен. <…> 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", — отметили в пресс-службе.
Вставки из полимерных материалы используются в мостовой архитектуре, поскольку они помогают мостовым пролетам гасить вибрацию и смещаться под нагрузкой в необходимых пределах. Традиционно из таких материалов прежде всего используется тефлон. Однако наиболее современным и перспективным считается высокомолекулярный полиэтилен. При этом полимерные материалы и детали из них неизбежно более всего изнашиваются.
"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 минус 40 до плюс 80 градусов. 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 доцент кафедры вычислительной математики, механики и биомеханики ПНИПУ Анна Каменских.
На основе этих данных научная группа создала цифровую модель, учитывающую упругость, вязкость и пластичность материала. 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%.
Эту модель применили к сферической опорной части железнодорожного моста (узлу, который соединяет пролет с опорой). Именно такие сооружения испытывают самые интенсивные нагрузки: многократные проходы составов и экстремальные перепады температур. Расчеты показали, что самое уязвимое место — это зона, где прослойка выступает над нижней стальной плитой, которая служит опорой для полимера. После 2 тысяч проходов поездов, согласно расчетам, пластические деформации в этой зоне достигают 9%. Это значит, что материал уже необратимо изменил свою структуру, но разрушения пока не произошло, и можно вовремя назначить ремонт.