Трещиностойкость элементов конструкций лесовозных железных дорог из композиционных материалов

ЛЕСОИНЖЕНЕРНОЕ ДЕЛО

ТРЕЩИНОСТОЙКОСТЬ ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИЙ ЛЕСОВОЗНЫХ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ ИЗ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Б.А. БОНДАРЕВ, Курский ГТУ, д-р техп. наук,

С.В. ПОВЕТКИН, Курский ГТУ, канд. техн. наук,

И В. БАБКИН, Курский ГТУ

Лесовозный железнодорожный транспорт представляет собой важную фазу производственного процесса лесозаготовок. На его долю приходится более 15 % объема вывозимой древесины, его трудоемкость в цикле производственных операций лесозаготовок составляет 7,5 %, а доля в себестоимости лесопродукции - 25 % и более в зависимости от расстояния вывозки древесины.

Эффективность его работы в значительной степени определяется транспортно-эксплуатационным уровнем, приспособленностью к перевозкам лесных грузов, условиями эксплуатации, безопасностью движения, зависящей от состояния пути, т.е. в конечном счете от физико-механических свойств материала шпал, которые со времени строительства первых железных дорог вошли в конструкцию верхнего строения пути в качестве незаменимого элемента, изготавливаемого в основном из древесины. Однако в последнее время находят применение шпалы из различных композиционных материалов, в частности из древесно-стекловолоконных композиционных материалов (ДСВКМ). Клееная древесина широко используется для изготовления пролетных строений мостов на лесовозных дорогах, работающих под действием циклических нагрузок, трещиностойкость которых недостаточно изучена.

Разрушение твердых тел происходит в результате развития содержащихся в них реальных дефектов. При оценке прочности, трещиностойкости и выносливости необходим учет имеющихся в элементах конструкций микротрещин, концентраторов напряжений и дефектов строения. В начальный момент нагружения в конструктивном элементе уже задано некоторое конечное возмущение в виде начальных микротрещин и несовершенства структуры материала конструкции.

carese@yandex.ru

Напряжения, при которых микротрещины начинают скачкообразно увеличиваться и превращаются в макротрещины, больше чем напряжения, необходимые для роста макротрещин. Величина напряжений, необходимых для распространения макротрещин, уменьшается по мере их роста.

В реальных условиях процессы образования и развития макротрещин зависят от материала конструкции, характера приложения внешней нагрузки, скорости деформирования.

При действии циклических нагрузок процесс усталости материалов можно разделить на три этапа: появление местных пластических деформаций, зарождение микротрещин, их развитие и перерастание в макроразрушения [1]. В области малоцикловой усталости пластические деформации развиваются спонтанно после нескольких циклов нагружения. Область ограниченной выносливости характеризуется активными изменениями в структуре материала конструкции, когда микротрещины начинают интенсивно развиваться. Рост микротрещин приводит к разрушению конструкции. При загружении ниже предела выносливости в материале конструкции образуются изменения, не приводящие к макроскопическому разрушению.

На выносливость конструкций также оказывают влияние различные факторы: уровень нагружения; коэффициент асимметрии цикла нагружения; частота приложения нагрузки; концентрация напряжений; температурно-влажностные условия испытаний. В зависимости от свойств материала конструкции те или иные факторы влияют по-разному. Существуют основные закономерности изменения выносливости конструкций при варьировании одного из таких факторов. Независимо от вида материала выносливость конструкции будет повышаться при: умень-

ЛЕСНОИ ВЕСТНИК 1/2010

85

ЛЕСОИНЖЕНЕРНОЕ ДЕЛО

шении уровня нагружения, числа повторных нагружении, концентрации напряжений, температуры и влажности окружающей среды; увеличении коэффициента асимметрии и частоты нагружения.

Экспериментальные исследования изгибаемых деревянных клееных элементов цельного сечения с горизонтальным расположением слоев на действие статической и циклической нагрузок проведены при разных значениях характеристик циклов и продолжительности испытаний [2]. Опытные элементы размерами 120x120x2000 мм. Испытания проводили на пульсаторе с инерционным силовозбудителем эксцентрикового типа и регулируемой частотой нагружения по двухточечной схеме нагружения с приложением сосредоточенных нагрузок в 3/8 пролета от опор. Сопротивляемость и трещиностойкость опытных элементов оценивалась по результатам испытаний на кратковременную и длительную статическую нагрузку и на длительную циклическую нагрузку. В процессе испытаний на выносливость нагрузка изменялась по закону, близкому к синусоидальному. Длительная циклическая нагрузка соответствовала асимметрии циклов нагружения (p = amin/amJ от 0,3 до 0,8 и уровням нагружения от 0,5 до 0,9 прочности опытных элементов при кратковременных статических испытаниях. Предел выносливости определяли по наиболее загруженной конструкции, в которой деформирование затухало и практически полностью прекращалось в процессе эксперимента. По результатам усталостных испытаний были построены кривые выносливости в полулогарифмических координатах [2]. Кривая выносливости, построенная в полулогарифмических координатах, позволяет легко определить временный предел выносливости для определенного количества циклов нагружений. Корреляционные уравнения для кривых выносливости в области ограниченной усталости получены в результате статистической обработки экспериментальных данных.

При действии на деревянные клееные конструкции переменной нагрузки в ней одновременно развиваются два процесса - разрушения и релаксации напряжений. От соот-

ношения скоростей этих процессов зависит долговечность конструкции. Если скорость изменения напряжений выше скорости их релаксации, то в материале конструкции происходит накопление перенапряжений и в конечном итоге разрушение. Чем выше уровень действующих напряжений и меньше коэффициент асимметрии, тем больше скорость изменения напряжений и меньше возможность протекания релаксационных процессов. Это отражается на количестве циклов до разрушения.

При высоких уровнях нагружения наступало разрушение элемента в результате разрыва трех-четырех слоев в растянутой зоне изгибаемого образца. Чем выше был уровень нагружения, тем меньшее количество циклов выдерживал элемент до потери несущей способности. За критерий разрушения опытных образцов при испытаниях на выносливость было принято интенсивное появление и развитие макроповреждений с выходом из работы одного и более растянутых слоев, что сопровождалось резким приростом деформаций и изменением режима испытаний за счет уменьшения жесткости элемента. При средних уровнях нагружения разрушение происходило при числе циклов 104...106. Процесс деформирования опытных элементов не прекращался до момента их разрушения. При низких уровнях нагружения, не превышающих предела выносливости, процесс деформирования образцов со временем полностью затухал и дальнейшее загружение не приводило к разрушению.

В результате экспериментального исследования циклической долговечности изгибаемых деревянных клееных элементов, изготовленных из пиломатериалов разного сорта, получены зависимости между основными величинами, характеризующими процессы силового трещинообразования, и геометрическими размерами трещин, направлением и скоростью их роста в условиях длительного циклического нагружения [2].

Анализ характера разрушения клееных деревянных элементов при изгибе позволил определить основные закономерности трещинообразования и изменения напряженно-деформированного состояния при дли-

86

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 1/2010

ЛЕСОИНЖЕНЕРНОЕ ДЕЛО

тельном нагружении [3]. В результате анализа характера разрушения клееных деревянных элементов при изгибе установлено:

- образование макротрещин в изгибаемых деревянных клееных элементах происходило в местах расположения сортообразующих пороков строения древесины и технологических дефектов, расположенных в наиболее нагруженных слоях;

- снижение сорта пиломатериалов приводит к уменьшению трещиностойкости и сопротивляемости наиболее напряженных слоев изгибаемых деревянных клееных конструкций;

- на процесс развития трещин наибольшее влияние оказывали природные пороки строения пиломатериалов (сучки, косослой), технологические дефекты (зубчатые соединения, непроклей), слоистость конструкции, возможность рекомбинации усилий от скорости нагружения;

- с понижением сорта пиломатериалов в слоях клееных элементов увеличивается относительная выносливость и виброползучесть конструкций.

В процессе роста некоторые макротрещины прекращали развитие. На определенном этапе процесс роста трещин локализовался: преимущественно росло несколько трещин, опередивших в развитии остальные в силу сосредоточения на данном участке концентраторов напряжений и дефектов строения материала. Дальнейшее развитие главных трещин в конечном итоге приводит к разрушению конструкции в результате уменьшения ее несущей способности.

Снижение сорта пиломатериалов приводит к увеличению долговечности конструкций за счет нескольких факторов:

- увеличение возможности перераспределения усилий за счет снижения общего уровня нагружения;

- препятствия на пути развития трещин в виде клеевых швов, природных пороков строения пиломатериалов и технологических дефектов, влияющих на динамику и направление роста макротрещин;

- уменьшение концентрации напряжений в местах расположения природных пороков и технологических дефектов за счет

их размещения в средних слоях изгибаемых элементов;

- изменение интенсивности развития макротрещин в условиях разного влияния концентраторов напряжения на напряженнодеформированное состояние слоев конструкции.

Образование трещин в изгибаемых деревянных клееных элементах при наличии в них сортообразующих пороков строения древесины и технологических дефектов в подавляющем большинстве случаев происходило по присучковому косослою в месте наибольшего искривления волокон древесины; по границе «сучок»-«присучковая зона»; по телу сучка, если в нем образовалась усадочная трещина при высушивании пиломатериалов и ее направление перпендикулярно направлению действия усилий от внешней нагрузки.

Разрыв волокон в месте наибольшего их искривления объясняется сравнительно малой прочностью древесины растяжению поперек волокон. Наибольшее искривление волокон находится в середине присучковой зоны или смещено к границе «сучок»-«при-сучковый косослой».

Разрушение по границе «сучок»-«при-сучковая зона» происходит при выпадающих или частично сросшихся сучках, когда нет надежной связи между телом сучка и древесиной. В этом случае сучок можно рассматривать как отверстие, на границе которого при отсутствии присучковой зоны или малых ее размерах возникают напряжения, в несколько раз превышающие общий уровень нагружения за счет концентрации внутренних усилий.

Третий вид разрушения наблюдался при наличии относительно крупных, здоровых, сросшихся сучков с усадочными трещинами достаточно больших размеров, особенно при выходе таких сучков на кромку крайнего растянутого слоя изгибаемого элемента.

Вышеизложенные виды разрушения изгибаемых элементов из сортовой клееной древесины не охватывают все возможные варианты характера разрушения, т.к. учесть все многообразие сучков и их присучковых зон практически невозможно. Однако их можно охарактеризовать как наиболее часто встре-

ЛЕСНОИ ВЕСТНИК 1/2010

87

ЛЕСОИНЖЕНЕРНОЕ ДЕЛО

чающиеся при разрушении клееных деревянных элементов при изгибе.

Наибольшее снижение трещиностойкости и сопротивляемости клееных деревянных элементов при изгибе происходит, когда:

- присучковая зона имеет относительно большие размеры (превышающие размеры сучка) и искривление волокон в ней составляет прямой угол с направлением максимального усилия от внешней нагрузки;

- присучковая зона отсутствует около выпадающего или частично сросшегося сучка.

В первом случае прочность элемента будет определяться сопротивлением древесины присучковой зоны растяжению поперек волокон.

При втором сочетании несущая способность элемента будет определяться сопротивлением древесины растяжению вдоль волокон с учетом концентрации напряжений на границе «сучок»-«древесина». Это сочетание можно представить с достаточной долей приближения в качестве модели для теоретического расчета как отверстие в анизотропной среде.

В обоих случаях после образования макротрещины характер ее развития будет зависеть от прочности слоев клееного элемента, жесткости клеевой прослойки и качества склеивания, наличия различных дефектов строения клееной древесины в объеме опытного образца.

Для учета влияния присучкового косослоя на характер распределения напряжений при растяжении вдоль волокон весь образец с сучком условно разделяли на три зоны механических свойств: сучковую, присучко-вую и периферийную.

В результате теоретического расчета методом конечных элементов (МКЭ) были определены коэффициенты концентрации напряжений в месте расположения сучков, соответствующие отношению величины максимальных напряжений в месте их концентрации к уровню общего нагружения элемента и равные 2,0...2,2.

Присучковая зона сглаживает концентрацию напряжений и одновременно снижает прочность древесины при растяжении вдоль волокон. При учете присучкового наклона во-

локон максимальные напряжения смещаются от отверстия или включения, которые имитируют сучок, и наибольшая концентрация напряжений будет не на границе «сучок»-«при-сучковая зона», а на границе «присучковая зона»-«периферийная зона с прямоволокнистой древесиной».

В реальной работе слоев деревянных клееных элементов при изгибе, где пороки нормируются относительно величины ширины соответствующей грани пиломатериала по сортам, необходимо учитывать влияние конечных размеров ширины пластины при расчете коэффициентов концентрации напряжений.

Поскольку в вычислительном комплексе библиотека конечных элементов не содержит ортотропный плоский треугольный элемент, была разработана методика определения коэффициентов жесткости треугольного элемента и для него выработан дополнительный модуль программы, учитывающий ортотропность.

Крайние растянутые волокна древесины изгибаемого элемента рассматривали как упругую ортотропную пластину прямоугольной формы, к двум противоположным граням которой приложены растягивающие усилия. Рассматриваемую область разбивали на ограниченное число конечных элементов треугольной формы, каждую вершину которых принимали за силовую точку. Для решения использовали вариационный принцип возможных перемещений.

В результате расчета были получены коэффициенты концентрации напряжений, установлены основные закономерности трещинообразования и изменения напряженнодеформированного состояния в месте расположения ребровых и пластевых сучков. Установлено, что концентрация напряжений в месте расположения сучков, выходящих на ребро слоя, в 3,0...3,2 раза больше, чем в месте расположения пластевых сучков того же размера.

В целом концентрация напряжений у ребровых сучков значительно выше, чем у пластевых, что не находит подтверждения в существующих нормативных документах. Необходима градация по сортам на пласте-

88

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 1/2010