Прогнозирование циклической долговечности герметизирующего материала в деформационных швах жестких аэродромных покрытий

Актуальность. Эксплуатация аэродромов — сложный, многоуровневый процесс, каждая составляющая которого ответственна за обеспечение его гарантированного срока эксплуатации. Одним из основных элементов аэродромного комплекса являются искусственные покрытия взлетно-посадочных полос и рулежных дорожек. Искусственные покрытия эксплуатируются в широком диапазоне температурных и эксплуатационных нагрузок [10, 17, 46, 88], что неизбежно приводит к их разрушению вследствие увеличения внутренних напряжений. Для снижения значений внутренних напряжений устраивают деформационные швы. Защита подстилающего слоя основания от попадания влаги возлагается на герметизирующий материал, заполняющий указанные швы. Российская промышленность предлагает широкий спектр герметиков, различного качества и цены [7,13, 26−28]. Однако заявляемые производителями значения физико-механических характеристик определяются в лабораторных условиях и не учитывают реальных условий эксплуатации. Подобное обстоятельство не позволяет потребителю хотя бы ориентировочно оценить сроки гарантированной работы герметизирующего материала. Несовершенство применяемых методик оценки физико-механических характеристик герметиков обусловлено тем, что каждый показатель оценивается отдельно. В связи с этим, весьма актуально определение целевой эксплуатационной характеристики герметика взамен десятка показателей физико-механических характеристик, реально не отражающих поведение герметизирующего материала в деформационном шве.

Актуальность работы обусловлена: — несоответствием существующих моделей вариативности физико-механических свойств герметизирующего материала в швах жестких аэродромных покрытий при многоцикловых нагружениях — натурным условиям;

— государственным заказом инженерно-аэродромной службы ВВС и ПВО РФ на научно-исследовательскую работу «Исследование поведения герметиков в швах аэродромных покрытий» ;

— отсутствием в нормативных документах методики прогнозирования долговечности герметиков при циклических воздействиях.

Целью работы является разработка физико-математической модели циклической долговечности герметизирующего материала в деформационных швах жестких аэродромных покрытий и на ее основе прогнозирование долговечности герметика в реальных условиях эксплуатации.

Задачи исследования:

— разработать и обосновать физико-математическую модель двухком-понентного герметизирующего материала, позволяющую в дальнейшем прогнозировать циклическую долговечность герметиков в деформационных швах жестких аэродромных покрытий;

— разработать методику экспериментальных исследований циклической долговечности материалов, с созданием экспериментальной установки, обеспечивающей выполнение требований указанной методики;

— проведение экспериментальных исследований циклической долговечности герметизирующих материалов «горячего» и «холодного» применения на основе разработанной методики;

— исследование напряженно-деформированного состояния герметизирующих материалов «горячего» и «холодного» применения в швах жестких аэродромных покрытий при многоцикловых нагружениях в диапазоне температур от -50 до +80°С;

— исследование изменения геометрии образцов герметиков при многоцикловых нагрузках и получение аналитической зависимости циклической долговечности герметизирующих материалов от числа циклов деформации и условий эксплуатации.

Научная новизна работы состоит в следующем:

— предложена физико-математическая модель двухкомпонентного герметизирующего материала, учитывающая анизотропию его физико-механических характеристик в процессе эксплуатации;

— исследовано изменение геометрии образцов герметизирующих материалов «горячего» и «холодного» применения в условиях многоцикловых нагружений с одновременным изменением температуры от -50 до +80°С;

— исследовано влияние режимов нагружения в условиях переменных температур на циклическую долговечность герметизирующих материалов;

— получена аналитическая зависимость циклической долговечности герметизирующих материалов, работающих в деформационных швах жестких аэродромных покрытий, от количества циклов нагружений при различных температурах в диапазоне от -50 до +80°С.

Практическая значимость работы определяется построением физико-математической модели циклической долговечности герметизирующего материала в деформационных швах жестких аэродромных покрытий, которая может служить инструментом при разработке технологического регламента по ремонту и содержанию аэродромов, а также для создания алгоритма и программного обеспечения по прогнозированию долговечности герметика деформационных швов жестких покрытий в реальных условиях эксплуатации.

На защиту выносятся.

— физико-математическая модель двухкомпонентного герметизирующего материала, учитывающая анизотропию его физико-механических характеристик в процессе эксплуатации;

— результаты исследования изменения геометрии образцов герметизирующих материалов «горячего» и «холодного» применения в условиях многоцикловых нагружений с одновременным изменением температуры от -50 до +80°С;

— результаты исследования влияния режимов нагружения в условиях переменных температур на циклическую долговечность герметизирующих материалов;

— аналитическая зависимость циклической долговечности герметизирующих материалов, работающих в деформационных швах жестких аэродромных покрытий, от количества циклов нагружений при различных температурах в диапазоне от —50 до +80°С.

Реализация результатов работы. Результаты диссертационных исследований внедрены при герметизации деформационных швов участков взлетно-посадочных полос на аэродромах г. Воронеж и г. Липецк, а также рекомендованы для включения в ГОСТ 30 740–2000 в качестве дополнения и использования для прогнозирования сроков эксплуатации герметиков в швах аэродромов Военно-воздушных сил Российской Федерации.

Апробация работы. Основные положения, научные и экспериментальные результаты докладывались и обсуждались на следующих конференциях, семинарах и совещаниях: Всероссийской научной конференции «Средства наземного обеспечения авиации» (Воронеж: ВВВАИУ, 2001) — Международной научной конференции «Проектирование, строительство и эксплуатация аэродромно-технических комплексов аэропортов» (Москва: МАДИ, (-ГТУ) 2003) — Международной научно-практической конференции «Композиционные строительные материалы. Теория и практика» (Пенза, 2004) — XXIV Российская школа по проблемам науки и технологий, посвященная 80-летию со дня рождения академика В. П. Макеева. (Екатеринбург: Уро РАН, 2004) — Всероссийской научной конференции.

Современные проблемы механики и прикладной математики" (Воронеж: ВГУ, 2004) — Научно-технической конференции «Теоретические и практические вопросы создания и совершенствования инфраструктуры и объектов базирования ВС РФ» (Москва: 26 ЦНИИ МО РФ, 2005).

Публикации. Основные результаты и выводы диссертационных исследований нашли отражение в 13 публикациях, общим объемом 42 страницы. Личный вклад автора составляет 32 страницы. В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателю принадлежит: в /4/ - разработка и изготовление экспериментальной установки по определению физико-механических параметров высокоэластичных герметизирующих материаловв /5/ - результаты экспериментальных исследований взаимозависимости геометрических размеров образцов герметиков при многоцикловых деформацияхв /6/ - разработка метода обнаружения возникающих внутренних микродефектов в образцах герметиковв 111 — вывод уравнений, описывающих релаксационные свойства герметиковв /8, 12/ - модель циклической долговечности герметизирующего материала позволяющая в реальных условиях эксплуатации прогнозировать его долговечность в деформационных швах жестких покрытий.

Достоверность полученных результатов, научных положений, выводов и рекомендаций, приведенных в работе, подтверждается результатами теоретических, лабораторных и опытно-экспериментальных исследований, выполненных с использованием современных методов и поверенных приборов, позволяющих провести эксперименты с допустимой погрешностью. Экспериментальные исследования проводились одновременно по нескольким методикам, что позволило оценить одни и те же процессы и явления с разных сторон.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав основного текста с изложением результатов исследований, основных выводов и списка литературы из 124 наименований и 6 приложений. Работа содержит 154 страницы сквозной нумерации, включая 62 рисунка, 2 таблицы и 14 страниц приложений.

выводы.

1. Предложена физико-математическая модель двухкомпонентного герметизирующего материала с упруго-пластичными блоками, учитывающая анизотропию его физико-механических характеристик при деформации и влияние коэффициентов Пуассона компонентов на напряженно-деформированное состояние. Данная модель позволяет в дальнейшем прогнозировать циклическую долговечность герметиков.

2. Разработана и применена методика экспериментальных исследований циклической долговечности герметизирующих материалов посредством, созданной лично автором, установки. Экспериментальная установка позволяет обнаружить возникновение внутренних нарушений сплошности герметиков при многоцикловых деформациях по изменению их магнитной проницаемости и наблюдать за процессом изменения геометрии образцов при деформации в диапазоне температур от -50 до +80°С.

3. Установлена зависимость изменения геометрии образцов герметизирующих материалов и их относительной плотности в сечении от числа циклов деформации, испытанных герметиком за предыдущий период эксплуатации. В результате использования методики установлено, что для обеспечения качественной герметизации шва его ширина должна быть порядка 2−4 см в случае использования герметиков «горячего» применения (БПАГ) и 1−2 см при применении «холодных» герметиков (АПГХО). Глубина заполнения шва должна быть не меньше его двойной ширины.

4. Установлено влияние режимов нагружения, в диапазоне температур от -50 до +80°С, на циклическую долговечность герметиков. Так при температуре порядка 20 °C, увеличение скорости нагружения в 2 раза приводит к росту внутренних напряжений в образце на 60−70%, в то время как при температурах близких к температуре хрупкости герметика, внутренние напряжения увеличиваются в 3−4 раза.

5. Получена аналитическая зависимость циклической долговечности герметизирующих материалов деформационных швов жестких аэродромных покрытий от числа циклов нагружений вызванных температурными и механическими воздействиями, учитывающая геометрию швов, условия их герметизации и экскурсии, климатический район эксплуатации покрытия.

6. Разработана и апробирована методика определения физико* механических характеристик герметизирующих материалов, базирующаяся на учете структурных изменений возникающих при многоцикловых деформациях. Методика позволяет проверять соответствие партий герметиков требованиям ГОСТа, и уточнять сроки ремонта деформационных швов жестких покрытий аэродромов.

7. Разработаны рекомендации по применению методики определения долговечности герметизирующего материала в деформационном шве жесткого аэродромного покрытия, позволяющие устранить неоднозначность определения причин возникновения предельного состояния и последующего за ним разрушения материала герметика в деформационном шве.

8. Указанные рекомендации учитывают результаты, полученные посредством разработанной автором экспериментальной установки, исследования процесса изменения геометрии герметизирующих материалов в деформационных швах и позволяют оценить эксплуатационную долговечность герметиков.