CC BY
94
УДК 621.873.35: 629.11.02
A.В. Редькин, канд. тех., наук, доц. (4872) 33-22-88, [email protected] (Россия, Тула, ТулГу),
B. А. Обыденов, асп., (4872) 33-22-88, [email protected] (ТулГУ),
О.В. Козлов, студент, (ТулГУ)
КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЕТРОВОЙ НАГРУЗКИ С ПОМОЩЬЮ МЕТОДА КОНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
Рассматриваются способы совершенствования методов расчета ветровой нагрузки грузоподъемных установок с использованием метода конечных элементов.
Ключевые слова: метод конечных элементов, устойчивость, нагрузка ветровая.
Оценку влияния давления ветра на устойчивость кранов, работающих на открытом воздухе, в настоящее время проводят согласно ГОСТ 1451-77. Данна методика заключается в определении коэффициентов аэродинамической силы для различных сечений, коэффициентов учитывающих изменение динамического давления по высоте, а также коэффициентов перегрузки и наветренную площадь. При определении ветровой нагрузки на конструкцию крана, состоящую из множества элементов, различающихся формой сечения, размерами и углами наклона относительно направления ветра, расчетчик сталкивается с трудностями, заключающимися в правильности выбора того или иного значения коэффициентов. В свою очередь, правильный выбор коэффициентов существенно влияет на точность полученных результатов. В итоге, чем сложнее конструкция, тем больше погрешность и, как следствие, менее точный результат.
Как известно, увеличение темпов роста мощности микропроцессорной техники, привели к становлению новых методов проектирования. Все больше отраслей народного хозяйства используют принципы, заключающиеся в разработке трехмерного прототипа изделия. Благодаря этому в краностроении появились конструкции, сформировавшие новый сегмент на рынке строительной техники, вобравшие в себя универсальность башенных кранов и мобильность автомобильных - это легкие быстромонти-руемые башенные краны. Отличите л ной особенностью конструкции данных кранов является подвижность всех несущих элементов в результате использования шарнирно связанных между собой сборочных единиц.
Для обеспечения подвижности всех элементов конструкции тщательным обраом прорабатывать сечения сборочных единиц, вследствие чего снизилась масса крана. В результате стрела имеет ступенчатую форму и состоит из раскосов различного сечения с переменным углом наклона по всей дине. Так как данный вид кранов также предшзначен для работы на
открытом воздухе, то при расчете механизмов и устойчивости крана, существующие методы расчета ветровой нагрузки по ГОСТ имеют достаточно большую погрешность, что существенно влияет на выбор кранового оборудования и приборов безопасности.
Альтернатива существующей методике по ГОСТ для решения данной задачи существует и базируется на методе конечных элементов (МКЭ). Данный метод широко используется при расчете аэродинамики летательных аппаратов, расчете ветровой нагрузки зданий, моделировании процессов гадрогазодинамики и т.д.
В качестве конечно-элементной модели используется пространство, окружающее исследуемую конструкцию, в данном случае крана. Другими словами, моделируется поведение воздушных масс при обтекании трехмерного прототипа изделия. Сама же конструкция является полостью в модели воздушного пространства. Расчет на основе МКЭ позволяет получить данные с меньшей погрешностью, так как для анализа используется масштабная модель изделия.
Существует два способа моделирования аэродинамики с помощью МКЭ: двухмерный и трехмерный. Использование того или иного способа обусловлено сложностью модели и целью исследования. Первый используется принципиально для моделей с постоянной формой сечения по всей длине или для тел, имеющих одну ось симметрии для всей модели. Например, для построения модели ародинамики крыла достаточно использовать лишь его сечения. При моделировании ародинамики крана необходимо учесть как наветренную площадь, так и затененные участки конструкции, т.е. рассматривается пространственная трехмерна модель. В связи с этим использоване двухмерного способа моделирования ародинамики не приветствуется.
Для более подробного описания методики исследования МКЭ, а также анаиза и сравнения полученных результатов с анаитическими расчетами представим модель воздушного пространства и расчетную схему быстромонтируемого крана КБ-235, выпускаемого предприятием ООО «Стройтехника» г. Донской (рис. 1, а).
Для оцени изменения опрокидывающего момента от действия ветрового потока рассмотрим несколько расчетных случаев.
а б
Рис. 1. Края КБ-235: а - конечно-элементная модель; б - принципиальная схема
Второй расчетный случай: направление ветра перпендикулярно ребру опрокидывания 1-1, стрела повернута на угол а = 15, 30, 45, 60, 750 (см. рис. 1). С поворотом стрелы меняется наветренна площадь конструкции, а также удерживающий момент. Часть затененных узлов и элементов добавляется к участкам прямого действия ветрового потока (рис. 3), и часть стрелы переносится за ребро опрокидывания.
Как видно из рис. 3 при обтекании наветренной пощади происходит дополнительное нагружение раскосов, объединяющих нижний пояс стрелы, а также раскосов и пояса, находящихся в затененной части.
Рис. 2. Диаграмма нарушений
Рис. 3. Распределение давлений и линий тока
Дополнительное нагружение затененных участков конструкции увеличивает значение опрокидывающего момента. При расчете аэродинамики крана по ГОСТ возникает ряд дополнительных задач, связанных с уточнением положений затененных участков, коэффициентов аэродинамической силы, углов наклона и т.д. Зачастую их определить невозможно. В связи с этим существенно снижается точность результатов.
Третий расчетный случай: направление ветра перпендикулярно ребру 1-1, стрела направлена по ветру. Наветренна площадь минимальна. При данном расположении стрелы момен от действия силы ветра принимает минимаьное значение. Положение стрелы относительно опорного конура и направления ветра является максимаьно безопасным, так как наветренна площадь имеет несущественные рамеры, центр тяжести крана максимаьно удаен от ребра опрокидывания.
В результате численного моделирования ародинамики крана пи положении стрелы «по ветру» было установлено, что при обтекании оголовка башни прямолинейные ветровые потоки спираьно закручиваются, приобрета характер турбуленных завихрений, а также дополнительно нагружают участки стрелы (рис. 4).
На рис. 4, а представлена карта распределения нагружений по металлоконструкции стрелы. Более темные участки соответствуют менее нагруженным областям. Как видно из рис. 4, верхня часть стрелы за оголовком башни подвергается нагружению по всей дине.
Pressure
(Contour 1)
Ё36.935
453.431
322.795
229.796
163.591
116.460
82.907
59.Q21
142.01/
29.912
21.294
15.159
10.792
7. 583
5.469
3.893 ■
2.772 ш
1 . 973 ш
1 .405 |
1 000
[Ра]
а
Рис. 4. Действие ветрового потока в положении стрелы «по ветру»: а - распредеение давлений; б - линии тока
Результаты исследования влияния ветра на устойчивость крана приведены в таблице. В качестве основного критерия при представлении данных выбран момент, создаваемый ветром относительно ребра 1-1 (см. рис. 1,б). Скорость ветра 14 м/с соответствует скорости рабочего состояния на высоте 10 м над поверхностью земли в соответствии с ГОСТ с учетом типа крана: строительных, монтажных, стреловых самоходных и т.д.
Рез»льтаты1 вычислений
Расчетный случай 00 150 3 о с 450 6 о с 750 9 о с
Момент от силы ветра, кН, Анаитический метод. 112 107,9 99,5 80,6 56,9 28,8 34,9
Момент от силы ветра, кН, МКЭ. 74,2 73,7 69,8 64,7 58 47,2 36,2
Полученные данные свидетельствуют о том, что коэффициенты аэродинамической силы, динамического давления по высоте и т.д., представленные в ГОСТ, имеют усредненное значение с погрешностью в большую сторону. Это справедливо, так как при анализе ветрового воздействия общедоступными методами по ГОСТ, в случае получения данных удовлетворяющих условиям устойчивости (к>1,15), с определенной степенью уверенности можно предположить, что реальная устойчивость крана на 15...20% выше расчетной. Для определения устойчивости это, безусловно, является положительным фактором, так как крановое оборудование и крановые установки относятся к объектам повышенной опасности и к
ним предъявляются особые требования, но для проектирования и разработки приборов безопасности необходимы более достоверные данные.
В связи с этим отметим, что сама полна и достоверна информация может быть получена только при использовании ародинамической трубы, но так как это сверхдорогое устройство и возможность размещения кранового оборудования в нем ограничена ввиду рамеров, а ГОСТ не дает полной достоверной информации о действии ветровой нагрузки, то совершенно справедливо и экономически выгодно становится использование современных CAE (Computer-aided engineering (англ.) автоматизированна разработка) систем при оценке аэродинамики грузоподъемных машин.
Список литературы
1. Вайнсон А.А. Подъемно-транспортные машины: учебник для вузов. 4-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение, 1989. 536 с.
2. В.И. Брауде и др.Справочник по кранам: В2т. Т.1. Характеристики материаов и нагрузок. Основы расчета кранов. Их приводов и металлических конструкций/ под общ. ред. М.М. Гохберга. Л.: Машиностроение, 1988. 536 с.
3. Басов К.А. ANSYS: справочник пользователя. М.: ДМК пресс, 2005. 640 с.
4. ГОСТ 1451-77. Краны грузоподъемные. Нагрузка ветрова. Нормы и методы определения.
A.Redkin, V. Obydenov, O. Kozlov
Computer modelling of wind loading by means of the method offinal elements
Ways of perfection of methods of calculation of wind loading of load-lifting installations, with use of a method offinal elements are considered.
Получено 07.04.09
