CC BY
13
Definition of a tension of a beam traverses (with slips on a place of the arisen cracks) when carrying out examination industrial the lifting and rotary stand Kuzminov A. , Golubev A. , Zelenkov N. ,
Glazunov A.4 (Russian Federation)
Определение напряженного состояния балки траверсы (с накладками на месте возникших трещин) при проведении промышленной экспертизы подъемно-поворотного стенда Кузьминов А. Л. , Голубев А. В. , Зеленков Н. Н. ,
Глазунов А. Е.4 (Российская Федерация)
1 Кузьминов Александр Леонидович / Kuzminov Aleksandr - доктор технических наук,
генеральный директор;
2Голубев Александр Викторович / Golubev Aleksandr - технический директор,
Общество с ограниченной ответственностью «ПТМ Северо-Запад»;
3Зеленков Николай Николаевич / Zelenkov Nikolay - заместитель начальника отдела
ЭПБ ГПМ иКП, эксперт;
4Глазунов Алексей Евгеньевич / Glazunov Aleksey - инженер-механик,
Общество с ограниченной ответственностью «Промышленная экспертиза», г. Череповец
Аннотация: по геометрической модели была создана конечно-элементная модель подъемно-поворотного стенда машины непрерывного литья заготовок. Особенностью модели является то, что в ней использованы элементы с заданными, согласно условию свойствами материала, толщинами. Для усиления траверсы стенда в местах возможного развития усталостных трещин установлены накладки, что также учтено при моделировании. В областях, имеющих наиболее сложную геометрию, концентрация элементов была искусственно повышена для получения более точных результатов. Представлены результаты расчетов различных вариантов нагрузки траверсы стенда. Установлено, что использование накладок не приводит к нежелательному изменению напряженного состояния конструкции балки траверсы.
Abstract: on a geometrical model the certainly-element model of lifting-turning stand of machine of the continuous casting ofpurveyances was created. A model feature is that in her elements are used with the properties of material set according to a condition by thicknesses. For strengthening the traverses of stand in the places of possible development of fatigue cracks are set protective straps, that is also taken into account at a design. In areas, having the most difficult geometry, the concentration of elements was artificially enhanceable for the receipt of more exact results. The results of calculations of different variants of loading are presented traverses of stand. It is set, whatever the use ofprotective straps causes the undesirable change of the tense state of construction of beam
Ключевые слова: машина непрерывного литья, ковш, подъемно-поворотный стенд, траверса, конечноэлементная модель, напряженно-деформированное состояние.
Keywords: machine of the continuous casting, scoop, lifting-turning stand, traverse, certainly-element model, tensely-deformed state.
УДК 669.02.09
Современные исследования состояния инженерных конструкций самого различного назначения невозможно представить без численных методов расчета. Развитие численных методов расчета сложных структур позволило использовать расчетные модели, описывающие реальные условия эксплуатации и режимы работы [1].
В силу специфических достоинств метод конечных элементов (МКЭ) стал на сегодняшний день наиболее популярным методом инженерного анализа сложных структур. По своему характеру МКЭ относится к вариационно-разностным методам и имеет в своей основе представление исходной области со сложной формой границ совокупностью достаточно простых подобластей (конечных элементов).
Представление исследуемой области совокупностью подобластей имеет смысл дискретизации континуальной задачи с заменой реальной области тела с бесконечно большим числом степеней свободы приближенно-эквивалентным телом с большим, но конечным числом степеней свободы. Последующий вывод разрешающих уравнений для совокупности конечных элементов из вариационных принципов механики определяет вариационный характер метода. Именно указанными двумя факторами определяется эффективность метода при решении сложных задач механики.
В рамках проведения экспертизы подъемно-поворотного стенда машины непрерывного литья заготовок была поставлена задача смоделировать конструкцию и режимы его работы. Основной частью стенда, воспринимающей статические нагрузки, является балка траверсы и рычаг, удерживающий ее в горизонтальном положении. С обеих сторон балки имеются крепления для серьги, предназначенной для
установки ковша. Кроме того, на одной из балок имелись трещины, закрытые приваренными стальными накладками, толщиной 30 мм.
Моделирование стенда осуществлялось с помощью пакета прикладных программ I-DEAS фирмы SDRC методом конечных элементов. Для этого была построена геометрическая модель траверсы, рычагов подвески и двух ковшей рис. 1.
По геометрической модели была создана конечно-элементная модель, состоящая из более чем 30.000 элементов, обладающих суммарно более чем 90.000 степенями свободы рис. 2.
"1
Рис. 1. Геометрическая модель
Рис. 2. Конечно-элементная модель
На рис. 3 изображена расчетная схема балки траверсы, где учитывается влияние наложенных на трещины накладок. С учетом симметричности модели были приложены нагрузки на траверсу.
Так как модель траверсы и рычага представляет собой листовую конструкцию, то большинство элементов, использованных при моделировании, представляет собой оболочковые элементы с заданными, согласно условию свойствами материала, толщинами. В областях, имеющих наиболее сложную геометрию, концентрация элементов была искусственно повышена для получения более точных результатов.
Накладки на балке из-за своей незначительной толщины, также промоделированы оболочковыми элементами
2
1
Рис. 3. Модель балки траверсы (накладки 1 и 2)
Так как модель траверсы и рычага представляет собой листовую конструкцию, то большинство элементов, использованных при моделировании, представляет собой оболочковые элементы с заданными, согласно условию свойствами материала, толщинами. В областях, имеющих наиболее сложную геометрию, концентрация элементов была искусственно повышена для получения более точных результатов. Накладки на балке из-за своей незначительной толщины также промоделированы оболочковыми элементами.
О точности и адекватности моделирования можно судить по такому косвенному показателю, как разница между вычисленной и реальной массой модели. Расхождение масс составило не более 2 %.
Рассматривались три варианта нагружения балки траверсы: одним полным ковшом массой 500 Т, одним полным ковшом и неполным, массой 200 Т, и двумя полными ковшами.
На рис. 4-6 отображено напряженное состояние, с учетом накладок, расположенных над трещинами в балке. Из анализа результатов расчетов можно сделать вывод, что влияние накладок на общее напряженное состояние объекта незначительно.
На рис.4 представлены результаты расчетов варианта нагрузки балки траверсы с одним полным ковшом. Максимальное эквивалентное напряжение в области шарнира качания балки в этом случае составило 101 МПа, а максимальная деформация составила 9,2 мм. Напряжения в области накладок составляют около 40 МПа.
Рис. 4. Напряженное состояние балки траверсы с накладками, вариант с одним полным ковшом (500 т)
На рис. 5 приведены результаты расчетов варианта с одним полным и одним полупустым ковшами. Максимальное напряжение получено в середине верхней плоскости балки и составило 82,52 МПа, а максимальная деформация составила 8,43 мм. Напряжение в области накладок равно 28-30 МПа.
/honel/data/ideae/traversa/tr_2003_06.mfl RESULTS: 5- B.C. 1 ,STRESS_5,LOADSET 520+220 STRESS - VON MISES MIN: 0.17 MAX: 32.52 DEFORMATION: 2- B.C. 1, DISPLACEMENT .LOADSET 520+220
DISPLACEMENT - MAG MIN: 0.00 MAX: 3.43 VALUE OPTION:ACTUAL
Рис. 5. Напряженное состояние балки траверсы с накладками, вариант с одним полным и одним полупустым ковшами (200 Т)
На рис. 6 представлены результаты расчетов варианта нагрузки с двумя полными ковшами. Максимальное эквивалентное напряжение в этом случае получено ближе к краю верхней плоскости балки. Оно достигает значения 101,8 МПа. Максимальная деформация составила 7,28 мм. Напряжение на балке в области накладок составит 25-30 МПа.
Можно отметить также и изменение распределения напряжений. Зафиксирован некоторый рост напряжений вдоль границы накладок, расположенных со стороны ковша, наблюдающийся при всех режимах нагружения.
VALUE OPTION:ACTUAL SHELL SURFACE: TOP 101.79
96.70 91.61 36.52 31.43 76.34 71.26. 66.17. 61.03. 55.99. 50.90. 45.81. 40.72. 35.63. 30.54. 25.45 20.36 15.27
10.18
5.09
0.01
Рис. 6. Напряженное состояние балки траверсы с накладками, вариант с двумя полными ковшами
Для сравнения на рис. 7 изображены полученные результаты расчета траверсы без накладок, но с учетом образования трещин. Рассмотрен наиболее неблагоприятный вариант нагрузки с одним полным ковшом. Расчетная модель балки траверсы была подвергнута изменениям, которые включают ослабление связей между конечными элементами в области трещин. Максимальное эквивалентное напряжение в этом случае составило 254,97 МПа, полученное на концах промоделированных трещин. Максимальная деформация составила 12,2 мм. Напряжения в области шарнирной заделки составляют около 100 МПа.
Как видно из полученных результатов расчета методом конечных элементов балки траверсы разливочного стенда, применение накладок на конструкции в области образования трещин является хорошим средством предотвращения и развития трещин.
Рис. 7. Напряженное состояние балки траверсы с трещинами, без накладок, вариант с одним полным ковшом
Использование накладок не приводит к нежелательному изменению напряженного состояния конструкции балки траверсы.
Наблюдаемый рост напряжений по отношению к неповрежденной балке траверсы не является поводом для приостановки эксплуатации разливочного стенда. Однако необходимо регулярно проводить диагностику состояния как накладок, так и конструкции траверсы.
Литература
1. Кучеренко В. Ф. Прочность и долговечность технологического подъемно-транспортного оборудования металлургических заводов. М.: Металлургия, 1982, 160 с.
