К. т. н. Сагиров Ю.Г.

Государственное высшее учебное заведение

«Приазовский государственный технический университет», Украина

Пространственное моделирование и долговечность

металлоконструкции мостовых кранов

Уточнение методов расчета долговечности крановых металлоконструкций - важная научно-техническая задача, решение конторой позволит повысить безопасность эксплуатации грузоподъемных кранов, в частности мостовых. Современные системы автоматизированного проектирования (САПР) значительно преуспели в работе с трехмерными моделями и позволяют создавать и анализировать объемные твердотельно-деформируемые модели. Современному инженеру доступны различные программы для работы и анализа объемных моделей. В данной работе приводится пример использования основных возможностей САПР SolidWorks и приложения Cosmos Works при выполнении анализа напряженно-деформированного состояния и расчетов долговечности металлоконструкции.

Металлоконструкция выполнена коробчатого сечения. С целью сокращения времени на создание стержневого аналога (сетки) для реализации метода конечных элементов (далее МКЭ) на ЭВМ и времени на расчет, модель несколько упрощена – созданы только основные несущие металлоконструкции (концевые и пролетные балки с установленными диафрагмами, узлы крепления ходовых колес крана) мостового крана. Модель создана в среде SolidWorks 2009. Метод конечных элементов реализован в среде COSMOSWorks 2009. Средствами COSMOSWorks 2009 создана сетка: количество элементов – 155681, количество узлов – 269062 (рис. 1), назначен материал (литая углеродистая сталь) из библиотеки SolidWorks.

Рисунок 1. Сетка на твердом теле для реализации МКЭ

В COSMOSWorks выполнено следующее: изображен и создан перечень перемещений, сил реакций, контактного давления, нагрузок и напряжений в разных направлениях. Построены эпюры напряжений в модели и выполнены сечения для просмотра результатов внутри модели. Использованы инструменты для плоского, цилиндрического и сферического разрезов.

При моделировании нагружения металлоконструкции крана нагрузка прикладывалась к тележке (рис. 2), кран опирался на рельсовый путь, закрепление осуществлялось за основания колонн.

Рисунок 2. Места приложения нагрузки (1) и места закрепления (2) модели

С использованием инструментов COSMOS Works, построены эпюры распределения коэффициента запаса прочности и распределения напряжений в модели.

Также, для более детального анализа нагруженного состояния отдельных участков металлоконструкций крана, рассмотрены сечения, на которых можно проследить распределении напряжений в скрытых участках металлоконструкции крана: внутренние полости коробчатых балок, ребра жесткости.

При проведении анализа повреждений металлоконструкции крана, большое внимание уделялось наиболее нагруженным участкам и участкам, имеющим минимальные коэффициенты запаса прочности по результатам моделирования, а именно – места крепления ходовых колес крана, места соединения главных и концевых балок.

В результате установлено, что наиболее нагруженными участками являются: опорная часть крана и узел сопряжения главной и торцевой балок.

Для созданной модели существует возможность определить значения напряжений (эквивалентных) в любой точке (рис. 3).

Рисунок 3. Определение напряжений в модели

На следующем этапе моделирования были рассмотрены модели с трещинами в стенках характерных участков конструкции и определены напряжения с их учетом. Установлено, что наличие трещин привело к увеличению напряжений в опорной части крана с 77 МПа до 745 МПа. Значения напряжений в других точках также увеличились.

В местах образования трещин на кране выполнена установка ремонтных накладок, которая также была смоделирована с последующим определением напряжений. Построенные эпюры позволяют утверждать, что после установки накладок значения напряжений уменьшилось, как со стороны трещин (внешняя сторона торцевой балки), так и с внутренней стороны. Например, у узла 9145 напряжения уменьшились с 101,7 МПа до 64,8 МПа.

На основе выполненного моделирования выполнен расчет долговечности элементов металлоконструкции. Если для материала известны предел ограниченной выносливости при числе циклов n и напряжение , вызывающее разрушение после N циклов, то определить число циклов до разрушения становится возможным по формуле:

. (1)

Для сталей предел ограниченной выносливости, определенный на базе N_б=10⁷ циклов можно принять за предел выносливости, так как если стальной образец выдержал 10⁷ циклов, то он может выдержать практически неограниченное число циклов.

Предел ограниченной выносливости для стали можно принять (при отсутствии экспериментальных данных для данного материала) 140 МПа.

k – тангенс угла наклона кривой Велера, построенной в логарифмических координатах. Для металлов k = 5-10.

Возможное число циклов N нагружения при известном, превышающем предел выносливости, максимальном напряжении цикла:

. (2)

Используя моделирование напряженного состояния металлоконструкции крана, зависимость (2), сведения о физических свойствах материала металлоконструкции, а также информацию о нагруженности металлоконструкции в процессе эксплуатации можно определять остаточный ресурс металлоконструкции.

Зная число циклов нагружения крана в сутки (год) и используя методику [4] можно определить срок службы крана в днях (годах).

Предложенная методика позволяет определять долговечность элементов металлоконструкции с учетом фактических состояния и значения напряжений в них.

Дальнейшее совершенствование предложенной методики определения долговечности металлоконструкции может быть направлено на учет большего числа факторов, влияющих на изменение физических и механических свойств металла и нагруженность конструкции; на уточнение зависимости (2) и входящих в нее величин.

Литература

1. Алямовский А.А. Solid Works/ Компьютерное моделирование в инженерной практике / А.А. Алямовский, А.А. Собачкин, Е.В. Одинцов.- СПб.: БВХ-Петербург.- 2005. - 800 с.

2. Сагиров Ю.Г. Средства уменьшения коэффициента динамичности при передвижении мостового крана с учетом неровностей рельсового пути: Дисс. канд. техн. наук: 05.05.05; - Защищена 27.11.2009; Утв. 08.03.2010. - Одесса, 2009. - 182 с.-Библиогр.: с. 150-162.

3. Концевой Е.М. Ремонт крановых металлоконструкций / Е.М. Концевой, Б.М. Розенштейн. – Л.: Машиностроение, 1979. – 206 с.

4. Циклическая прочность металлов. Сборник: материалы Второго совещания по усталости металлов, АН СССР.– 1962.