Расчет конструкций при действии ударных нагрузок
В современных условиях эксплуатации промышленного и энергетического оборудования нередко возникает необходимость учитывать ударные нагрузки. Такие нагрузки могут возникать при аварийных ситуациях, сбоях в технологическом процессе, падении предметов, транспортировке тяжелого оборудования и взрывных воздействиях.
Неправильная оценка или игнорирование ударных воздействий может привести к локальным повреждениям, разрушению конструкций, выходу оборудования из строя и, как следствие, к значительным экономическим и экологическим потерям. Именно поэтому расчет конструкций на удар является важной частью инженерного анализа и неотъемлемым этапом проектирования и оценки надежности объектов.
Неправильная оценка или игнорирование ударных воздействий может привести к локальным повреждениям, разрушению конструкций, выходу оборудования из строя и, как следствие, к значительным экономическим и экологическим потерям. Именно поэтому расчет конструкций на удар является важной частью инженерного анализа и неотъемлемым этапом проектирования и оценки надежности объектов.
Особенности ударных нагрузок
Удар — это кратковременное интенсивное воздействие с высокой скоростью нарастания силы. Основные характеристики ударной нагрузки:
• Кратковременность действия.
• Высокая интенсивность усилий.
• Наличие волновых процессов в материале.
• Возможность локализованных деформаций и разрушений.
Ударные нагрузки требуют особого подхода к расчетам, отличающегося от традиционного статического или даже динамического анализа.
• Кратковременность действия.
• Высокая интенсивность усилий.
• Наличие волновых процессов в материале.
• Возможность локализованных деформаций и разрушений.
Ударные нагрузки требуют особого подхода к расчетам, отличающегося от традиционного статического или даже динамического анализа.
Для каких конструкций выполняется расчет на ударные нагрузки
Расчет конструкций на ударные нагрузки необходим в тех случаях, когда предполагается воздействие резких, кратковременных усилий, способных вызвать значительные напряжения и деформации в элементах конструкции. Такие расчеты актуальны для следующих типов конструкций и объектов:
• Оборудование атомных электростанций (АЭС)
В условиях эксплуатации АЭС возможно воздействие ударных нагрузок при аварийных ситуациях, например, при разгерметизации трубопроводов, гидроударах, падении оборудования или элементов обвязки. Надежность и отказоустойчивость оборудования в таких случаях критически важны для обеспечения ядерной безопасности.
• Промышленное оборудование
Ударные нагрузки возникают при работе прессов, молотов, дробильных машин и другого динамически нагруженного оборудования. Анализ позволяет обеспечить ресурс и безопасность эксплуатации таких систем.
• Защитные ограждения, барьеры и энергопоглощающие конструкции
Эти конструкции специально проектируются для восприятия ударной энергии — например, от автомобилей, оборудования или при падении грузов. Расчет позволяет оптимизировать конструкцию под конкретный сценарий нагрузки.
• Мобильные и транспортируемые конструкции
При транспортировании оборудования или модульных конструкций возможно воздействие ударов, вибраций и резких ускорений. Анализ необходим для оценки стойкости конструкции к транспортным повреждениям.
• Военная и оборонная техника
Здесь расчеты на удар особенно важны — речь идет о стойкости к взрывным и баллистическим нагрузкам, а также к механическим ударам при эксплуатации.
• Оборудование атомных электростанций (АЭС)
В условиях эксплуатации АЭС возможно воздействие ударных нагрузок при аварийных ситуациях, например, при разгерметизации трубопроводов, гидроударах, падении оборудования или элементов обвязки. Надежность и отказоустойчивость оборудования в таких случаях критически важны для обеспечения ядерной безопасности.
• Оборудование для транспортирования радиоактивных материалов
Особую важность имеют расчеты динамической прочности оборудования, предназначенного для транспортирования радиоактивных материалов, включая свежее и отработавшее ядерное топливо.
В процессе транспортирования возможны аварийные ситуации — падения с высоты, столкновения, перевороты. Контейнеры должны сохранять герметичность, исключать утечку радиоактивных веществ и выдерживать экстремальные механические нагрузки. Расчет на удар позволяет гарантировать, что даже при наиболее тяжелых сценариях транспортная упаковка обеспечит защиту персонала, населения и окружающей среды. Надежность таких конструкций подтверждается как расчетными методами, так и испытаниями, строго регламентированными международными нормами и требованиями МАГАТЭ.
Расчеты оборудования для транспортирования радиоактивных материалов на ударопрочность (ударостойкость) выполняются в соответствии с НП‑053‑04, НП‑058‑14 и ГОСТ Р 70420‑2022
• Промышленное оборудование
Ударные нагрузки возникают при работе прессов, молотов, дробильных машин и другого динамически нагруженного оборудования. Анализ позволяет обеспечить ресурс и безопасность эксплуатации таких систем.
• Защитные ограждения, барьеры и энергопоглощающие конструкции
Эти конструкции специально проектируются для восприятия ударной энергии — например, от автомобилей, оборудования или при падении грузов. Расчет позволяет оптимизировать конструкцию под конкретный сценарий нагрузки.
• Мобильные и транспортируемые конструкции
При транспортировании оборудования или модульных конструкций возможно воздействие ударов, вибраций и резких ускорений. Анализ необходим для оценки стойкости конструкции к транспортным повреждениям.
• Военная и оборонная техника
Здесь расчеты на удар особенно важны — речь идет о стойкости к взрывным и баллистическим нагрузкам, а также к механическим ударам при эксплуатации.
Подходы к расчету
Расчет конструкций при ударных воздействиях выполняется с применением методов динамического анализа. В зависимости от задач и характера удара применяются:
• Аналитические методы — для простых схем и в качестве первичной оценки. Основаны на решении уравнений движения, законов сохранения импульса и энергии.
• Импульсный подход — используется при анализе кратковременных воздействий, когда важна интегральная оценка реакции системы.
• Аналитические методы — для простых схем и в качестве первичной оценки. Основаны на решении уравнений движения, законов сохранения импульса и энергии.
• Импульсный подход — используется при анализе кратковременных воздействий, когда важна интегральная оценка реакции системы.
• Численные методы (метод конечных элементов, МКЭ) — основной инструмент для анализа сложных конструкций и геометрий. Позволяют учитывать пластичность, разрушение, контактные взаимодействия, локальные напряжения.
Численные методы расчета
Два основных численных метода моделирования: явная и неявная динамика.
Явная динамика (Explicit Dynamics)
Явная динамика применяется, когда требуется смоделировать быстроразвивающийся процесс с высокой точностью — например, прямой удар, взрыв или разрушение.
Особенности:
• Используются очень малые временные шаги (вплоть до микросекунд).
• Подходит для моделирования кратковременных, резких импульсов.
• Отлично справляется с большими деформациями, контактами и разрушениями.
• Не требует решения больших систем уравнений на каждом шаге (что ускоряет расчет при кратковременных процессах).
Подходит для анализа:
• Падения оборудования;
• Разрушения элементов конструкции;
• Ударов транспортных средств;
• Фрагментации и трещинообразования.
Программные решения: LS‑DYNA, Abaqus/Explicit, ANSYS Autodyn, Зенит‑95, ЛОГОС Прочность, Fidesys.
Неявная динамика (Implicit Dynamics)
Неявная динамика эффективна при более длительных воздействиях, где важны волновые и колебательные эффекты, но процесс развивается относительно медленно.
Особенности:
• Позволяет использовать большие временные шаги.
• Требует решения системы уравнений на каждом шаге (большая вычислительная нагрузка).
• Лучше подходит для анализа устойчивости, отклика конструкции во времени, длительных вибрационных процессов.
• Обеспечивает высокую точность при умеренных скоростях деформации.
Подходит для:
• Моделирования сейсмических воздействий.
• Отклика массивных конструкций на кратковременный импульс.
• Расчета оборудования с инерционным гашением удара.
• Анализа остаточных колебаний.
Программные решения: Abaqus/Implicit, ANSYS Transient, Зенит‑95.
Явная динамика (Explicit Dynamics)
Явная динамика применяется, когда требуется смоделировать быстроразвивающийся процесс с высокой точностью — например, прямой удар, взрыв или разрушение.
Особенности:
• Используются очень малые временные шаги (вплоть до микросекунд).
• Подходит для моделирования кратковременных, резких импульсов.
• Отлично справляется с большими деформациями, контактами и разрушениями.
• Не требует решения больших систем уравнений на каждом шаге (что ускоряет расчет при кратковременных процессах).
Подходит для анализа:
• Падения оборудования;
• Разрушения элементов конструкции;
• Ударов транспортных средств;
• Фрагментации и трещинообразования.
Программные решения: LS‑DYNA, Abaqus/Explicit, ANSYS Autodyn, Зенит‑95, ЛОГОС Прочность, Fidesys.
Неявная динамика (Implicit Dynamics)
Неявная динамика эффективна при более длительных воздействиях, где важны волновые и колебательные эффекты, но процесс развивается относительно медленно.
Особенности:
• Позволяет использовать большие временные шаги.
• Требует решения системы уравнений на каждом шаге (большая вычислительная нагрузка).
• Лучше подходит для анализа устойчивости, отклика конструкции во времени, длительных вибрационных процессов.
• Обеспечивает высокую точность при умеренных скоростях деформации.
Подходит для:
• Моделирования сейсмических воздействий.
• Отклика массивных конструкций на кратковременный импульс.
• Расчета оборудования с инерционным гашением удара.
• Анализа остаточных колебаний.
Программные решения: Abaqus/Implicit, ANSYS Transient, Зенит‑95.
Что мы учитываем при расчете
При выполнении расчетов на удар мы учитываем:
• Время действия и форму импульса.
• Массу и скорость ударяющего тела.
• Свойства конструкционных материалов, включая поведение при высокой скорости нагружения.
• Геометрические особенности (наличие концентраторов напряжений, тонкостенные элементы и т.п.).
• Условия закрепления, взаимодействие с другими элементами конструкции.
• Возможность локального разрушения, смятия, пластических деформаций.
Расчет может проводиться как в линейной, так и в нелинейной постановке — с учетом физической, геометрической и контактной нелинейности.
• Время действия и форму импульса.
• Массу и скорость ударяющего тела.
• Свойства конструкционных материалов, включая поведение при высокой скорости нагружения.
• Геометрические особенности (наличие концентраторов напряжений, тонкостенные элементы и т.п.).
• Условия закрепления, взаимодействие с другими элементами конструкции.
• Возможность локального разрушения, смятия, пластических деформаций.
Расчет может проводиться как в линейной, так и в нелинейной постановке — с учетом физической, геометрической и контактной нелинейности.
Почему важно учитывать динамические свойства материалов
Важным фактором, определяющим поведение конструкции при ударе, является динамическая свойства материала. Многие конструкционные материалы — от сталей до композитов — демонстрируют разные механические свойства в зависимости от скорости деформации. Это означает, что:
• При высокой скорости нагружения прочность может увеличиваться (так называемый эффект упрочнения при высоких скоростях).
• Пластичность может снижаться, повышая риск хрупкого разрушения.
• Энергия, которую материал способен поглотить до разрушения, зависит от его вязкости и трещиностойкости.
• Пластичность может снижаться, повышая риск хрупкого разрушения.
• Энергия, которую материал способен поглотить до разрушения, зависит от его вязкости и трещиностойкости.
Выполнение расчета конструкции без учета динамических свойств материалов — грубая инженерная ошибка, которая может привести к недопустимым рискам:
• Перерасход материала и неоправданное завышение массы конструкции.
• Недоучет реальных напряжений и деформаций, приводящий к разрушению в условиях эксплуатации.
• Игнорирование локальных эффектов, таких как концентрации напряжений в зонах удара.
• Перерасход материала и неоправданное завышение массы конструкции.
• Недоучет реальных напряжений и деформаций, приводящий к разрушению в условиях эксплуатации.
• Игнорирование локальных эффектов, таких как концентрации напряжений в зонах удара.
Статьи на данную тему
Оценка динамической прочности оборудования АЭС при падениях
Наши проекты
Расчет на прочность и сейсмостойкость теплообменника для АЭС
Расчет на вибростойкость и ударостойкость электротехнического оборудования
Расчет на ударостойкость оборудования для хранения и транспортирования РАО