CC BY
40
Новые методы определения прочности металлоконструкции ГПМ Кирилов А.Ф.1, Назаров С.В.2, Савкин И.Ю.3
1 Кирилов Александр Федорович /Kirilov Aleksandr Fedorovich - кандидат технических наук, доцент, заместитель директора ООО «НЦТД»; 2Назаров Сергей Васильевич /Nazarov Sergej Vasil'evich - эксперт; 3 Савкин Игорь Юрьевич /Savkin Igor' Jur'evich - эксперт,
ООО «НЦТД», г. Нижний Новгород
Аннотация: рассмотрены особенности исследования поведения материалов в эксплуатационных условиях, освещен новый метод определения прочности металлоконструкции ГПМ - механика поврежденной среды (МПС). Приведен пример расчета по авторскому методу.
Ключевые слова: ресурс металлоконструкции кранов; механика поврежденной среды; МПС; расчетная схема деформации крана.
Одной из задач современного машиностроения является оценка ресурса ответственных конструктивных узлов инженерных объектов на стадии их проектирования, оценка выработанного и прогноз остаточного ресурса в процессе эксплуатации объектов, продление срока службы после отработки этими объектами нормативного срока. Особенно актуальны эти задачи для объектов, срок службы которых составляет несколько десятков лет. К таким объектам относятся и металлоконструкции кранов. Основным механизмом исчерпания ресурса для металлоконструкций кранов является усталость (малоцикловая усталость в местах значительной концентрации напряжений, где возможны знакопеременные пластические деформации, многоцикловая усталость в пределах упругой работы материала) и коррозийные повреждения различной природы. Так, например, наблюдения показали, что в подкрановых конструкциях, запроектированных на номинально упругие напряжения, возникает наибольшее количество повреждений из-за малоцикловой усталости в зоне верхнего пояса. В сварных балках продольные трещины начинаются, как правило, в околошовной зоне или в сварном шве и развиваются далее по стенке. В клепанных подкрановых балках наибольшее количество повреждений также наблюдается в зоне верхнего пояса.
Все это вынуждает конструкторов и расчетчиков более тщательно исследовать поведение материалов в эксплуатационных условиях, добиваться лучшего понимания разнообразных процессов развития поврежденности в объеме конструктивного узла при различных режимах эксплуатации объекта, надежно моделировать развитие связанных процессов деформирования и накопления повреждений в зависимости от параметров нагружения.
Оценка прочности металлоконструкций кранов в настоящее время базируется на теории предельных состояний. Однако, знание только предельных состояний конструктивного узла объекта не позволяет ответить на вопрос, как скоро эти предельные состояния будут достигнуты и как они изменяются в результате процессов накопления повреждений в материале конструктивного узла в зависимости от истории эксплуатации объекта.
Ресурс конструкции, в основном, определяется работой наиболее нагруженных узлов объекта, которые обычно находятся в условиях многоосного напряженного состояния, и испытывают знакопеременные деформации. В последние годы для решения этих задач успешно развивается новая дисциплина - Механика поврежденной среды (МПС). При реализации методов МПС возможны два подхода: формулировка сравнительно простых зависимостей для отдельных частных задач и использование полной системы уравнений МПС с разработкой соответствующих средств и программ вычислений на ЭВМ, позволяющих ввести поврежденность в анализ прочности и ресурса инженерных конструкций.
В настоящее время, в основном, реализуется первый подход. Развитие экспериментальной и вычислительной техники, методов решения нелинейных краевых задач на ЭВМ, открывает перспективные возможности использования полных уравнений МПС и на их базе с помощью специальных алгоритмов оценивать выработанный и прогнозировать остаточный ресурс машиностроительных объектов.
Таким образом, разработка и обоснование возможности применения определяющих соотношений МПС, позволяющих свести поврежденность в анализ прочности и ресурса металлоконструкций кранов, является в настоящее время актуальной задачей.
Наиболее перспективным, с точки зрения обоснованности и точности прогноза развития поврежденности по объему материала инженерного объекта, является применение математического моделирования деградации материала в сочетании с системами регистрации фактических параметров процесса накопления повреждений, позволяющими производить корректировку параметров моделирования.
Оценка прочности и ресурса сложных инженерных объектов, к которым, в частности, относятся металлоконструкции кранов в реалистических условиях эксплуатации, диктует высокие требования к характеристикам ЭВМ и к качеству программного обеспечения численного моделирования процессов усталостной долговечности. Принципиально важным является радикальное повышение точности расчета нагружений в районе концентраторов (сварных швов, коррозии, точках смены типа граничных условий и в других особых случаях).
Чтобы решить столь сложную проблему, необходим высокий технико-вычислительный потенциал. В настоящее время поставленных целей достигают реализацией серии взаимосвязанных расчетов меньшего уровня сложности: трехмерного упругого расчета, двухмерного упруго пластического расчета отдельных узлов, расчет отдельных зон с учетом образовавшихся в них дефектов.
Для иллюстрации возможности практического применения метода математического моделирования исчерпания ресурса была решена задача оценки прочности и ресурса металлоконструкции крана мостового типа в зависимости от положения груза по его длине (1 вариант расчета - перемещение груза в пролете крана, 2 вариант - перемещение груза по консоли крана). Расчетные исследования выполнены для монотонного статического, динамического (резкая остановка при плавном перемещении) и на усталостную долговечность. Материал крана Ст. 3.
Для общего представления о характере деформирования крана и выявления местоположения узлов «критических» с точки зрения долговечности на первом этапе был поведен упругий расчет по КЭ программе. Кран моделировался в натуральную величину с соблюдением заданных характеристик и геометрических размеров. Исходя из сортаментов используемых профилей, идеализация конструкции крана на конечные элементы проводилась с использованием балочного конечного элемента, который является трехмерным, симметричным в поперечном сечении.
Задание нагрузки производилось путем последовательного приложения сосредоточенной силы в точках по длине продольной средней балки. Точки приложения выбирались, исходя из постановки задачи, и располагались по длине нижней средней продольной балки (двутавр №30) в местах расположения поперечных ферм крана.
С целью обоснования правильности выбора расчетной схемы крана и ее КЭ идеализации, выполнено сопоставление расчетных максимальных перемещений с замеренными в натуральных условиях под нагрузкой. Расхождение результатов расчета и натурального замера, сопоставимо с погрешностью замера перемещений, которая составляет ± 2 мм.
В расчетном случае «сила на консоли», когда сила приложена в районе 26 фермы, перемещение в металлоконструкции крана и напряжения достигают максимума в элементах балок, которые в дальнейшем будем называть «критическими».
В расчетном случае «сила - в пролете» имеет место краевой эффект, т.е. максимальные напряжения возникают в конструкции, когда груз находится в районе 11 и 19 ферм и значения этих напряжений равны. «Критические» элементы располагаются симметрично по длине конструкции относительно центральной фермы № 15.
Для определения напряжений в конструкции крана при воздействии динамических нагрузок (внезапная остановка опускаемого груза) произведен перерасчет значений напряжений в «критических» элементах,
используя эмпирическое значение коэффициента динамичности
адин = к * -ас ка = 1,25,
аст
ка
по формуле:
а
_ди"
где " - напряжение в 1-ом элементе конструкции, возникающее при статическом напряжении, а при динамическом.
На втором этапе, система определяющих соотношений МПС, использовалась для оценки усталостной долговечности материала в «критических» элементах, местоположение которых определялось на первом этапе расчета.
На базе проведенного численного анализа кинетики НДС в металлоконструкции крана выявились опасные зоны с наиболее интенсивным процессом накопления повреждений. Далее, используя краевые условия, взятые из общего решения МКЭ, уточнялись для каждой зоны кинетика напряженно-деформированного состояния и параметры, необходимые для оценки величины накопленной поврежденности для заданного периода эксплуатации крана. Затем, для каждой опасной зоны путем интегрирования уравнения накопления повреждений для заданной истории нагружения в этой зоне, определялась накопленная к данному моменту времени поврежденность и определялась усталостная долговечность крана.
Литература
1. Звягин А.Д. Вибродиагностическая система контроля качества ремонта колесно-моторных блоков электровозов в локомотивных депо Горьковской железной дороги // Испытания материалов и конструкций. Вып. 3. - Н. Новгород: Изд-во общества «Интелсервис», 2002. - 104 с.
2. ДавыдовВ.В. Динамические расчеты прочности судовых конструкций. - Л.: Судостроение, 1974.
3. Звягин А.Д., Логинов Е.А., ЕлчаниновЕ.В. Лаборатория вибрации - флоту // Применение методов прикладной геометрии и механики при решении инженерных задач речного судостроения - Н. Новгород: ВГАВТ, 1996.
4. Логинов Е.А. Влияние условий эксплуатации на вибрацию судов внутреннего плавания: Автореферат диссертации кандидата технических наук - Горький, 1985.
5. Волченко В.Н. Оценка и контроль качества сварных соединений с применением статистических методов /
B.Н. Волченко. - М.: Издательство стандартов, 1974. - 160 с.
6. Болотин В.В. Прогнозирование ресурса машин и конструкций / В. В. Болотин. - М.: Машиностроение, 1984. - 312 с.
7. Волков В.М. Объединенная модель образования и роста усталостных трещин в концентраторах напряжений / В.М. Волков, А.А. Миронов // Проблемы прочности и пластичности: Межвуз. сб. - Н. Новгород: Изд-во Нижегород. гос. ун-та, 2005. - Вып. 67. - С. 20-25.
8. Миронов А.А. Модель определения эффективного коэффициента концентрации напряжений дефектов сварных швов / А.А. Миронов // Труды Нижегород. гос. техн. ун-та им. Р.Е. Алексеева. - 2012 - № 1 (94). -
C. 169-176.
