STRESS-STRAIN STATE OF A TWO - LAYER MATERIAL

АННОТАЦИЯ

В статье рассмотрено напряженно-деформированное состояние композиционного двухслойного материала на бетонной основе с полимербетонным покрытием, а также элементов промежуточного слоя с различными физико-механическими свойствами.

ABSTRACT

The article considers the stress-strain state of a composite two-layer material on a concrete base with a polymer-concrete coating, as well as the elements of the intermediate layer with different physical and mechanical properties.

Ключевые слова: бетон, концентрация напряжений, модуль упругости, составляющие компоненты, двухслойная система, полимербетон, промежуточный слой.

Keywords: concrete, stress concentration, modulus of elasticity, components, two-layer system, polymer concrete, intermediate layer.

Введение. Особый интерес представляет изучение напряженно – деформированного состояния слоистых систем. Знание такого состояния позволит целенаправленно формировать структуру двухслойного материала с такими свойствами составляющих и их взаимным расположением, которые обеспечат требуемые физико – механические свойства и монолитность системы [1-11].

В настоящей статье рассмотрено влияние модуля упругости, коэффициента Пуассона, геометрических размеров полимербетонного и бетонного слоев на концентрацию напряжений в контактной зоне. Определение напряжений и деформаций в материале с различными физико - механическими характеристиками произведено методом конечных элементов (МКЭ) [12, 13]. Для выполнения поставленных задач была рассчитана МКЭ расчётная модель (рис.1).

Определение влияния величины модуля упругости шпонки. Для определения влияние величины модуля упругости шпонки на степень концентрации напряжений на контакте шпонки с полимербетонным и бетонным слоями варьировался модуль упругости Е от 4*10⁴ до 6*10⁴ Мпа. Величины Н₁, Н₂, h₁, h₂ и q при этом были постоянными.

При изучении влияния толщины полимербетонного слоя и глубины заделки шпонки в слои варьировали Н₁, Н₂, h₁, h₂ при постоянных физико- механических характеристиках исходных композитов.

Рисунок 1. Модель двухслойного материала:

H₁ – толщина полимербетонного слоя; H₂ – толщина бетонного слоя; h₁ – глубина заделки щебня промежуточного слоя (шпонки) в полимербетонный слой; h₂ – глубина заделки шпонки в бетонный слой; q - равномерно-распределенная нагрузка

Влияние взаимного расположение шпонок по горизонтали на концентрацию напряжений изучалось на следующей модели (рис.2).

Рисунок 2. Модель двухслойного материала:

H₁ – толщина полимербетонного слоя; H₂ – толщина бетонного слоя; h₁ – глубина заделки щебня промежуточного слоя (шпонки) в полимербетонный слой; h₂ – глубина заделки шпонки в бетонный слой; q - равномерно-распределенная нагрузка; l – варьируемое расстояние между шпонками

В данном случае значение l варьировалось в интервале от 2 до 8 мм при постоянных значениях Н₁, Н₂, h₁, h₂ и физико – механических характеристиках.

Результаты расчетов плоского напряженно – деформированного состояния моделей приведены в виде эпюр  относительных изменений коэффициентов  концентрации напряжений, которые представляют  отношение разницы напряжений σ₁- σ₂ по осями Х и У  и интенсивности внешний нагрузки  принятой  равной 30Мпа, исходя из  требований, предъявляемых к бетонным полам марки «300» [14-16].

Эпюры построены по наиболее характерным сечениям.

Концентрация напряжений во всех рассмотренных случаях достигает наибольших величин на контакте шпонки с полимербетонным и бетонным слоями. С уменьшением глубины заделки шпонки в полимербетонный слой концентрация на контакте с ним падает незначительно [2]. Так, например, с изменением глубины заделки от 2 мм до 6 мм величина концентрации напряжений изменяется на 8-12%. Таким образом изменение глубины заделки шпонки (щебня) в полимербетонном слое практически не оказывает влияния на концентрацию напряжений при действии вертикальных нагрузок (рис.3,4).

Незначительное влияние на концентрацию напряжений оказывает расстояние «l», так при его изменении от 2 до 8 мм концентрация напряжений изменяется в пределах 10-15%.

Значительное влияние на величину концентрации напряжений оказывает изменение модуля упругости шпонки в 1,5 раза приводит к изменению концентрации напряжений до 30%.

Рисунок 3. Эпюры изменений коэффициентов концентрации напряжений (модель - а)

Рисунок 4. Эпюры изменений коэффициентов концентрации напряжений (модель - б)

Изменение концентрации напряжений от действия горизонтальных нагрузок показано на (рис 5).

Рисунок 5. Концентрация горизонтальных напряжений при различном расположении промежуточного слоя

Выводы: По результатам проведенных исследований можно сказать, что основным фактором являются физико – механические свойства компонентов двухслойных моделей. Из условий минимальной концентрации напряжений и наиболее полного использования несущей способности составляющих в композиционных материалах наиболее рационально применять компоненты, у которых упругие и прочностные свойства несколько близки по своим значениям. В таких композиционных двухслойных материалах происходит минимальная концентрация напряжений в контактах составляющих материалов, что способствует получению долговечных материалов.

Список литературы:

1. Mirakhmedov M.M., Khalfin G.R. "Investigation of the longitudinal hijacking force from friction braking," Journal of Tashkent Institute of Railway Engineers: Vol. 16 : Iss. 4 , Article 19 (2020).
2. Лесов К.С., Рустамович Х.Г.А. Расчет и оценка устойчивости рельсовой плети бесстыкового пути для условий Узбекистана //Barqarorlik va yetakchi tadqiqotlar onlayn ilmiy jurnali. – 2022. – С. 339-343.
3. Begmatov N.I., Muhammadiyev N.R. "Экспериментальное определение жесткости рельсовой нити". Железнодорожный транспорт: актуальные задачи и инновации, vol. 3, no. 1, 2021, pp. 5-11. doi:10.24412/2181-953X-2021-1-5-11.
4. S.T. Djabbarov, R.H. Mukarramov. 3D skaneridan foyidalanib xavfli ekzogen geologik jarayonlarni kuzatish haqida - Научный журнал транспортных средств и дорог. 2021 - С 50-58.
5. Лесов К.С., Хальфин Г.А.Р. Технико-экономическое обоснование эффективности применения диагностических средств //Oriental renaissance: Innovative, educational, natural and social sciences. – 2022. – Т. 2. – №. Special Issue 4-2. – С. 208-216.
6. Рустамович Х.Г.А., Пурцеладзе И.Б. Обоснование необходимости и целесообразности укладки сверхдлинных плетей на АО «Ўзбекистон Темир Йўллари» //Universum: технические науки. – 2022. – №. 3-3 (96). – С. 23-25.
7. Лесов К.С., Рустамович Х.Г.А. Диагностическое средство для косвенного определения усилия нажатия клемм скрепления Pandrol Fastclip //Universum: технические науки. – 2022. – №. 5-4 (98). – С. 54-56.
8. Khalfin G. A. R., Yakhyaeva M. T., Yakhyaeva S. T. Factors determining the stability of a continious welded track //Scientific progress. – 2021. – Т. 2. – №. 2. – С. 53-55.
9. Khalfin Gali-Askar Rustamovich Factors influencing the choice of direction and position of the HSR route // Universum: технические науки. 2021. №10-5 (91).
10. Rustamovich, Khalfin G., and Purtseladze I. Borisovna. "Use of a System for Determining the State of a Non-jointed Track to Ensure the Safety of Train Traffic." JournalNX, vol. 7, no. 05, 2021, pp. 242-245, doi:10.17605/OSF.IO/U3A2F.
11. Рустамович Х.Г.А., Пурцеладзе И.Б. Оценка погонного сопротивления продольному перемещению рельсовых плетей //Universum: технические науки. – 2021. – №. 6-2 (87). – С. 13-15.
12. Рустамович Х.Г.А. Состояние «Маячных» шпал и причины неравномерного распределения продольных напряжений в рельсовой плети //Universum: технические науки. – 2019. – №. 12-1 (69). – С. 72-75.
13. Khalfin G.A., Umarov K. The work of intermediate rail fasteners on mountain sections of railways //AIP Conference Proceedings. – AIP Publishing LLC, 2023. – Т. 2612. – №. 1. – С. 040023.
14. Khalfin, Gali-Askar. "Research of running resistance to longitudinal movement of rails on JSC" Uzbekiston Temir Yulari". Journal of Tashkent Institute of Railway Engineers 16.2 (2020): 14-19.
15. Rustamovich, Khalfin G. "Clamping Force of Intermediate Fasteners and Their Determination." JournalNX, vol. 7, no. 05, 2021, pp. 233-236, doi:10.17605/OSF.IO/ETJHF.
16. Рустамович, Хальфин Гали-Аскар. "Пурцеладзе Ирина Борисовна Оценка погонного сопротивления продольному перемещению рельсовых плетей." Universum: технические науки 6-2 (2021): 87.