В Перми разработали цифровую модель для прогноза износа мостовых конструкций

«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.

Полимерные вставки применяются в мостах для компенсации вибраций и смещений пролетных строений под нагрузкой. Наряду с традиционным тефлоном все чаще используется сверхвысокомолекулярный полиэтилен, однако такие материалы подвержены износу.

«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 полученных данных была сформирована модель, учитывающая упругие, вязкие и пластические свойства материала. Ее точность проверили сравнением с экспериментами, не использованными при построении: расхождение составило менее 5%, что подтверждает точность прогнозов свыше 95%.

Модель протестировали на сферической опорной части железнодорожного моста — узле, соединяющем пролет и опору. Расчеты показали, что наиболее уязвимой является зона выступа полимерной прослойки над нижней стальной плитой. После 2 тыс. проходов поездов пластическая деформация в этом участке достигает 9%, что свидетельствует о начале необратимых изменений, но позволяет заранее определить необходимость ремонта.

Исследование выполнено при поддержке Минобрнауки РФ в рамках федерального проекта передовых инженерных школ, результаты опубликованы в журнале Applied Mechanics.