CC BY
2
Жалнин Владислав Валерьевич, аспирант, Россия, Саратов, Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.
DETERMINATION OF NUMERICAL PARAMETERS OF THE MICRORELIEF FORMATION PROCESS ON COLLECTOR SURFACES
A.A. Korolev, A.V. Korolev, V.V. Zhalnin
A method is proposed to reduce the friction between the brushes and the collector of electric motors, which helps to reduce its wear and increase efficiency. Certain closed recesses are applied to the surface of the collector. Brushes, the material of which is graphite, at the beginning of the wear process, fill the grooves created on the collector with graphite. This makes it possible in the future to contact the brushes not with the copper surface of the collector, but with graphite. This significantly reduces the friction between the brushes and the collector and reduces wear. For the proposed method, a mathematical probabilistic model is constructed and the main factors influencing the performance of engines are identified. The mathematical expectation and the standard deviation of the depth of grain depressions are determined.
Key words: discrete microrelief, knurling, trench depth, probabilistic parameters, modeling.
Korolev Andrey Albertovich, doctor of technical sciences, professor, _ post@ssla.ru, Russia, Saratov, Saratov State Law Academy,
Korolev Albert Viktorovich, doctor of technical sciences, professor, Russia, Saratov, Saratov State Technical University named after Yuri Gagarin,
Zhalnin Vladislav Valerievich, postgraduate, Russia, Saratov, Saratov State Technical University named after Yuri Gagarin
УДК 629.7.08
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-7-420-421
МЕТОДИКА РАСЧЕТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ОЦЕНИВАНИЯ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ НЕСУЩИХ МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ СТАРТОВОГО КОМПЛЕКСА
П.В. Шаповалов, А.В. Шевченко
В статье рассмотрены этапы разработанной методики расчетно-экспериментального оценивания напряженно-деформированного состояния несущих металлоконструкций технологического оборудования стартового комплекса. Приведены результаты математического моделирования их напряженно-деформированного состояния при воздействии штатных и нештатных нагрузок на различных этапах функционирования с последующей верификацией результатов с данными натурного эксперимента.
Ключевые слова: технологическое оборудование стартовых комплексов, несущие металлоконструкции, напряженно-деформированное состояние, тензометрия, метод конечных элементов.
Важнейшим элементом объектов наземной космической инфраструктуры является технологическое оборудование (ТлО) стартовых комплексов (СК), имеющее в своем составе несущие металлоконструкции (НМК). В процессе подготовки ракеты космического-назначения (РКН) к пуску ТлО воспринимает значительные статические и динамические нагрузки циклического характера, которые, с течением времени приводят к появлению различного рода дефектов [1].
В настоящее время для обследования НМК применяются методы неразрушающего контроля: визуально-измерительный контроль, ультразвуковая дефектоскопия и толщинометрия [2]. Полное обследование НМК данными методами требует, как правило, весьма значительных временных затрат и в ряде случаев не представляется возможным без полного или частичного демонтажа, что также обуславливает высокую стоимость проведения данного вида работ. Кроме того, эти методы не позволяют получить на основе прямых измерений данные о напряженно-деформированном состоянии (НДС) объекта в целом, что затрудняет анализ причин, вызвавших деформации того или иного элемента и ограничивает возможность прогнозирования технического состояния металлоконструкции [3]. В этих условиях, задача повышения оперативности и достоверности результатов обследования НМК представляется сегодня весьма актуальной, а именно актуальным становится проведение комплексного обследования на основе сочетания методов тензометрического и ультразвукового контроля. Тензометрический метод, на основе математической модели [4], учитывающей весь спектр штатных и нештатных нагрузок, позволит оценить НДС НМК и локализовать места с несоответствием фактического НДС модельным значениям, а ультразвуковой - оперативно определить причину несоответствия и в случае обнаружения дефектной зоны выявить ее тип и параметры.
Для верификации значений НДС, полученных при моделировании воздействия комбинации нагрузок, действующих при штатных и нештатных режимах функционирования, и принятия решения о допустимости дальнейшей эксплуатации НМК, была разработана и апробирована соответствующая методика, основанная на проведении натурного эксперимента.
Методика расчетно-экспериментального оценивания НДС НМК ТлО СК. Методика расчетно-экспериментального оценивания НДС НМК ТлО СК состояла из следующих основных этапов (рис. 1):
териалов;
1. Построение геометрической модели объекта исследования и задание физико-механических свойств ма-
2. Определение типа и построение конечно-элементной сетки;
3. Выбор метода проведения расчета и задание начальных, граничных условий и параметров расчета;
4. Проведение расчета;
5. Обработка полученных результатов расчета;
6. Экспериментальные исследования;
7. Верификация полученных данных.
Построение геометрической модели обьеста исследования и задание фи зико механических свойств материалов
Определение типа и построение конечно-элементном сетки
®1
Выбор метода проведения расчета Задание начальных, граничных условий и параметров расчета
-01
Проведение расчета
"01
Обработка полученных результатов расчета
Экспериментальные исследования
"®1
Верификация полученных данных
Рис. 1. Блок схема методики расчетно-экспериментального оценивания НДСНМК ТлО СК
На первом этапе методики формировалась геометрическая модель объекта исследования. При подготовке модели учитывались кинематические связи (рис. 2) и определялась необходимая детализация элементов конструкции. Задавались физико-механические свойства материалов, такие как: плотность, модуль упругости, коэффициент Пуассона, модуль сдвига, пределы текучести и прочности, коэффициент теплового расширения материала.
а б
Рис. 2. Геометрическая модель объекта исследования: а - до момента старта РКН; б - конечное положение
НМК после старта РКН
На втором этапе строилась сетка конечных элементов (рис. 3, а). Для прочностного расчета (рис. 3, б, 4, а) строилась сетка на основе тетраэдрических, гексаэдрических элементов и их комбинаций с проведением локальной адаптации в местах концентраций напряжений [5].
Для газодинамического расчёта (рис. 3, в) формировалась область конечных (контрольных) объемов (рис.
4, б).
С
-ф\
Начато 1
Ввод параметров геометрии объекта нсследованип и ралмерон расчетном области
7
Выбор типа конечного элемента
Определение допустимого параметра у ■ удовпетворякнцего расчетным _параметрам задачи_
4
Построение сетки КЗ для прочностного расчета
I
-—О Л
Г Конец )
Рис.3. Блок-схема построения конечно-элементной сетки: а - блок-схема построения конечно-элементной сетки; б - 20-ти узловой конечный элемент; в - иллюстрация метода конечных объемов
421
а
в
б
Рис. 4. Создание сетки конечных элементов: а - для прочностного расчета; б - для газодинамического расчета
На третьем этапе задавались [6]:
- начальные условия, в виде начальных параметров ветрового потока и потока струи продуктов сгорания (рсТ,ТсТ,рсТ,МсТ) и др.;
- граничные условия, в виде комбинаций нагрузок и воздействий (^РКН,^КО,^Гд,^ВЕТ,^НмК,^мН), соответствующих определенному режиму функционирования СК (рис. 5), параметров входа и выхода в расчетную область и т.д.;
- параметры расчета, такие как модель турбулентности к — ш ББТ с соответствующими коэффициентами (Гк,Гш,Ск,Сш,Ук, Уш,5к,Бш,Сь,СЬш), способ пространственной дискретизации, параметры аппроксимации и другие.
РЕЖИМЫ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ НМК СК
Штатные (типовые)
13_
Нештатные (аварийные)
©©
О люд подиижмых элемента СО При шрына РН от стрюниш сюпл ©©©
Стярт РН ©©
Неравномерное кагружеыне ©©
С/-июне иин спру* о! оси СК при сылещ РКН ипн паштетной работы ДУ ©©
0©
} несонлл нагрузсэ * 1 : газодинамическая нагрузка
нагрузка (Т) ^нирцшмн нагрузка
а в
Рис.5. Нагрузки и их комбинации, действующие при различные режимах функционирования СК
На четвертом этапе, поочередно, для каждого режима функционирования РКН проводился расчет параметров НДС и контролировались параметры невязок. Блок схема расчета и полученные картины НДС представлена на рис. 6 и 7.
С
/
Начало
3
Ввод параметров конфигурации задачи
7
Выбор расчетного метода
Расчет рабочих констант и параметров _разностной сетки_
Размещение и инициализация массивов исходных по геометрическим параметрам, свойствам материалов, граничным и начальным условиям для газодинамического расчета
Определение шага интегрирования, времени счета и параметров сходимости
з-
-8-1
Размещение и инициализация массивов исходных данных по геометрическим параметрам, свойствам материалов, граничным и начальным условиям для расчета НДС
_I_ _
Определение шага интегрирования, времени счета параметров сходимости
Расчет и вывод параметров НДС, запись файла промежуточных результатов
Рис. 6. Блок-схема проведения расчета
422
д е
Рис. 7. Расчетные нагрузки и параметры НДС НМК при различных режимах функционирования СК: а - старт РКН; б -отклонение струи продуктов сгорания при сносе РКН; в - неравномерное нагружение (на две опоры из четырех); г - отвод подвижных элементов; д - ветровая нагрузка при предстартовой
подготовке; е - общий вид НДС
На пятом этапе проводилась обработка полученных результатов расчета. По полученным зависимостям напряжений (рис. 8) от комбинаций нагрузок определялись критичные элементы конструкции по условию прочности, устойчивости и пространственной жесткости.
А-,1
Юг 1Щ ¿СО ЯО Иг ЗЕО <(0
Ив Ь» МО
ч
Г*4
\
а б в
Рис. 8. Расчетные зависимости напряжений, возникающих в основных элементах НДС НМК: а - в несущей стреле; б - в верхней части опорной фермы; в - в нижней части опорной фермы при отводе
На шестом этапе, для верификации модельных значений НДС критичных элементов, проводились экспериментальные исследования на натурном объекте (рис. 9).
Рис. 9. Схема размещения точек контроля напряженно-деформированного состояния несущей
металлоконструкции
423
Для имитации веса заправленной РКН, ветровой и инерционной нагрузки применялось оборудование, представленное на рис. 10.
а б в
Рис. 10. Имитация нагрузок: а - весовая (цистерны с водой, создающие вертикальную нагрузку до 520т); б - ветровая (полиспаст, создающий боковую нагрузку до 26т); в - инерционная (противовесы, массой
до 9,5т, создающие момент)
Результаты экспериментального исследования НДС в контрольных точках критичных элементов для типовых нагрузок и их комбинаций приведены на рис. 11.
—
1.
Зн!!!»! Гя
вг Рис.11. Зависимости напряжений, возникающих: а, б, в - в стержнях несущих стрел, опорныгх ферм, элементах опорного кольца от вертикальной (вес РКН) и боковой (порывы ветра) нагрузок; г - в стержнях опорныш ферм у площадки демпфирования от инерционной нагрузки
На седьмом этапе проводилась верификация результатов математического моделирования НДС НМК данными натурного эксперимента (рис. 12) [7]. Максимальные значения напряжений в критичных элементах НМК приведены в табл. 1.
При проведении модельных расчетов погрешности составили:
- относительная погрешность по напряжениям при динамических нагрузках: 12%;
- относительная погрешность по напряжениям при статических нагрузках: 8%;
- относительная погрешность определения газодинамической нагрузки: 6,5%;
- относительная погрешность определения ветровой нагрузки: 7,8%.
Погрешности эксперимента составили:
- относительная погрешность измерения напряжений при динамических нагрузках: 12%;
- относительная погрешность измерения напряжений при статических нагрузках: 7,9%;
- относительная погрешность средства измерения: 2,5%.
Анализ НДС проводился с использованием методов, допускаемых нагружений с соблюдением запасов, регламентированных в [8]:
При анализе методами допускаемых нагружений должно выполняться условие (1):
й<[й]=-^, (1)
п0щ
где й - расчетное нагружение НМК или ее элементов; [й] - предельно допустимое нагружение НМК или ее элементов; йп - критериальное нагружение, превышение которого приводит к потере работоспособности НМК; п0 - коэффициент неучтенных факторов, общий для всех критериев работоспособности; п; - частный коэффициент запаса по рассматриваемому критерию работоспособности.
б
ню 150 гоо гъо зоо 3so
450 500 550 600
• ТСНМДЛЧИМ 1 • Тсн издлчик 2 • Тензодэгчи« 3 * Тснюдэгчи« А в
Ры+Ркж- «Г
SOOO 10000 1SOOO ЛЮОО iSOOO эоооо
3
t О
1
• TwsoДЗГЧИИ to ТйИЮДОЧМС и • ТемМрДЛЧик 1 г • ТенЮДЛ 1чии 13 б
РдИН'
* ГеНЮДИЧИК 6 ТеНЭОДЗТЧИК 7 * ГеНЮДйГШКЙ » ТСчЗОДЛГНИк 9
г
Рис.12. Верификация модельных зависимостей напряжений результатами натурного эксперимента по элементам: а, б, в - стержни несущих стрел, опорныш ферм, опорное кольцо; г - стержни опорныш ферм
у площадки демпфирования
Максимальные теоретические и экспериментальные значения напряжений в элементах НМК
Максимальные напряжения в элементах НМК кг/см2
Нагрузка (комби- Опорное кольцо ВСП Верхняя часть опорной фермы Ветви несущей стрелы
нации нагрузок) тд1 тд2 тд3 тд4 тд5 тд10 тд11 тд12 тд13 тд14 тд15 тд16 тд17
теор.^^^ теор.^4^ теор.^^^^ теор.^^^^
Весовая нагрузка \-45,3 -40,Т\ \J9,7 ^—s41,3 -40,Г\ \J1,2 20,5 ~\J05,1 -193>\ 66,4^^ \,62,1 \;45,1 -55,6^\ \36,1 \530,4 -51992\ -519>\ \$20,3 -850,>\ \$40,4 -850>\
Боковая нагрузка 1403-\ \J0,5 -40,2~\ \U0,2 219Д~\ ' -^55,4 -65,2^\ 597Д*\ \И2,3 230,6"\ \J43,1 -229^\ "—-10,3 -11,5 ^—^ -32,6^\ \J2,7 -11,5~\
145,8\
Комбинация весовой и боковой нагрузок N101,4 90,3 N^ \32,5 28,7 N. N191,1 169,4\ \-37,3 -35,4 N472,2 452,2 N. N302,1 297,2 N. N226,7 212,5 N. N;293,2 -288,1\ \-96,5 -89,2 N. N545,2 -530,5\ N-605,4 -550,94. N-835,4 -862,7\ N880,3 -883,4\
Таким образом, по результатам сравнения реального и эталонного НДС НМК локализуются области (элементы) нерасчетной работы НМК и, с помощью визуально-измерительного и ультразвукового контроля, производится поиск дефектов, приводящих к полной или постепенной потере связи между несущими элементами.
Заключение. Разработана методика расчетно-экспериментального оценивания напряженно-деформированного состояния несущих металлоконструкций технологического оборудования стартового комплекса.
Методика основана на синтезе результатов математического моделирования и натурных экспериментов и позволяет оперативно получить, на основе прямых измерений, данные о фактическом напряженно-деформированном состоянии конструкции и, в дальнейшем, оценить техническое состояние ее элементов путем сравнения с эталонными значениями.
Полученные результаты служат исходными данными для прогнозирования вероятности безотказной работы ТлО СК на основе которых, в свою очередь, принимается научно обоснованное решение о возможности эксплуатации СК за пределами назначенных показателей.
Список литературы
1. Гроздов В.Т. Признаки аварийного состояния несущих конструкций зданий и сооружений. СПб.: Издательский Дом KN+, 2000. 48 с.
2. Методики оценивания эффективности функционирования системы эксплуатации объектов наземной космической инфраструктуры, находящихся за пределами назначенных показателей ресурсов: НТО. Юбилейный: НИИ КС, 2011. 60 с.
3. Stolz C., Neumair M. Structural Health Monitoring, In-service Experience, Benefit and Way Ahead // Structural Health Monitoring. 2010. Vol. 9. Р. 209-217. D0I:10.1177/1475921710366655.
4. Шевченко А.В., Ротэрмель А.Р., Сназин А.А. Математическая модель напряженно-деформированного состояния несущих металлоконструкций технологического оборудования объектов наземной космической инфраструктуры // Известия Тульского государственного университета. Тула, 2022. Вып. 8. С. 189 - 192.
5. Соловейчик Ю.Г. Метод конечных элементов для решения скалярных и векторных задач: учеб, пособие / М.Э. Рояк, М.Г. Персова. Новосибирск: НГТУ, 2007. 896 с.
6. Нагрузки и воздействия на здания и сооружения / Под общей ред. А.В. Перельмутера. 4-е изд. М.: СКАД СОФТ, 2014. 596 с.
7. Зверев В.А., Ломакин В.В., Чугунков В.В., Языков А.В. Методический аппарат для расчетного анализа прочности конструкций стартового комплекса ракет-носителей серии «Союз» // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Серия «Машиностроение». 2008. Спец, выпуск. С. 124-130.
8. ГОСТ Р 51282-99 Оборудование технологическое стартовых и технических комплексов ракетно-космических комплексов. Нормы проектирования и испытаний / Госстандарт России // Принят и введен в действие Постановлением Госстандарта Российской Федерации от 21 мая 1999 г. № 172. М., 1999. 22 с.
Шаповалов Павел Викторович, научный сотрудник, shapovalov-pavel@yandex.ru, Россия, Санкт-Петербург, Военно-космическая академия имени А. Ф. Можайского,
Шевченко Артем Васильевич, канд. техн. наук, начальник отдела, artnetru@yandex.ru, Россия, Санкт-Петербург, Военно-космическая академия имени А. Ф. Можайского
THE METHOD OF COMPUTATIONAL AND EXPERIMENTAL EVALUATION OF THE STRESS- STRAIN STATE OF THE LOAD-BEARING METAL STRUCTURES OF THE TECHNOLOGICAL EQUIPMENT OF THE LAUNCH COMPLEX
P.V. Shapovalov, A.V. Shevchenko
The article considers the stages of the developed methodology of computational and experimental evaluation of the stress-strain state of the load-bearing metal structures of the technological equipment of the launch complex. The results of mathematical modeling of their stress- strain state under the influence of regular and abnormal loads at various stages of operation with subsequent verification of the results with the data offull-scale modeling are prsented.
Key words: technological equipment, load-bearing metal structures, stress-strain state, strain gauge, finite element method.
Shapovalov Pavel Viktorovich, researcher, shapovalov-pavel@yandex.ru, Russia, St. Petersburg, A.F. Mozhaisky Military Space Academy,
Shevchenko Artem Vasilyevich, candidate of technical sciences, head of the department, artnetru@yandex.ru, Russia, St. Petersburg, Military Space Academy named after A.F. Mozhaisky
УДК 620.172.21:621.64
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-7-426-427
ОПРЕДЕЛЕНИЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ВАНТУЗА В ТРУБОПРОВОДАХ
РАЗЛИЧНОГО ТИПА
Ю.В. Щипкова
В работе проведен сравнительный анализ напряженно-деформированного состояния вантузов с «воротником» и без воротника. Параметры для расчета выбраны эквивалентно реальным трубопроводам. В результате анализа выявлено, что использование «воротника» снижает напряжение, следовательно, уменьшает возможность возникновения аварийной ситуации на трубопроводе.
Ключевые слова: вантуз, напряженно-деформированное состояние, накладка.
Методы ремонта труб в эксплуатирующих компаниях всегда регламентированы. В соответствии с технической документацией, с 2007 года запрещена установка на нефтепроводах заплат всех видов. Установленные ранее заплаты вварные и накладные в настоящее время являются дефектами и подлежат ремонту [1]. Однако, некоторые элементы трубопровода по напряженно-деформированному состоянию похожи на заплаты, яркий пример - вантуз с усиливающей накладкой [2].
Тема данной работы является актуальной, так как во избежание инцидентов, связанных с вантузами [3-5], необходимо определять их несущую способность.
Цель данной работы - сравнительный анализ несущей способности вантуза с усиливающей накладкой и вантуза в виде тройника.
Для достижения данной цели были выполнены следующие задачи:
- рассмотрены конструкции вантуза [6];
- смоделированы обе конструкции в программе ANSYS [7,8];
- произведен сравнительный анализ напряженно-деформированного состояния.
Для определения несущей способности вантуза обеих конструкций необходимо провести анализ напряженно-деформированного состояния.
Для исследования был выбран узел врезки вантуза в трубопровод, поскольку этот узел является самым опасным с точки зрения напряженно-деформированного состояния. В программе ANSYS была смоделирована конструкция вантуза с «воротником» (рис.1) и без него и определено их напряженно-деформированное состояние [9,10].
Исходные данные для построения представлены в табл. 1.
После построения геометрической модели объекта, необходимо было создать его конечно-элеметную модель, т.е. на область пространства, занимаемую объектом, была нанесена сетка из узлов и элементов (рис. 2).
Внутренняя полость находиться под воздействием избыточного давления. Величина избыточного давления равна 10 МПа (рис.3).
Граничные условия:
-ограничены перемещения по оси Oz обеих поверхностей (рис.4).
-для решения задачи, необходимо было зафиксировать точку, относительно которой будет производиться расчет, поэтому поверхность фланца зафиксирована жесткой заделкой (рис.5).
