CC BY
8
ТЕХНОЛОГИЯ МАШИНОСТРОЕНИЯ
УДК 67.01
DOI: 10.24412/2071-6168-2021-9-602-605
ОЦЕНКА НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИИ ГРУЗОПОДЪЕМНОЙ МАШИНЫ
Г.В. Селиверстов, А.А. Серегина
Рассматривается тепловизионный метод, которым фиксируется изменение дисси-пативных полей при деформации материала несущей металлоконструкции грузоподъемной машины. Учитывается взаимосвязь следующих параметров: величина концентрации напряжений, относительное изменение температуры, среднее значение напряжений и деформаций. На основе анализа теплограмм оценивается напряженно-деформированное состояние малой области в зоне концентрации напряжений.
Ключевые слова: грузоподъемная машина, металлоконструкция, нагруженность, деформация, поврежденность.
Эксплуатация грузоподъемных машин требует обеспечения заданного уровня надежности в течение всего расчетного срока службы. При этом заданный уровень надежности обеспечивается еще на стадии проектирования, путем выбора материалов и разработкой конструкции, способных выдерживать эксплуатационные нагрузки. Таким образом, возникает вопрос о точном определении напряженно-деформированного состояния в различных элементах крановых конструкций [1]. Современный уровень развития машиностроительных САПР, с одной стороны позволяет определять напряжения и деформации по конечно-элементным моделям, построенным в той или иной среде,а с другой стороны провести оптимизацию проектируемой конструкции, с точки зрения ее равнонагруженности не представляется возможным в силу технологических, экономических и конструктивных причин. В результате этого, на выходе получается металлоконструкция, которая имеет различные по нагруженности участки и области, и соответственно, в процессе эксплуатации поврежденность металлоконструкции будет накапливаться не равномерно. Если проектируется грузоподъемная машина легкого или среднего режимов работы, то такая не равномерная нагруженность, как правило, не несет критического уровня опасности. Если же мы говорим, например, о мостовых кранах тяжелого и весьма тяжелого режима работы, то не равномерность распределениянагрузок в металлоконструкции может привести к возникновению усталостных трещин и аварийному состоянию в целом. Если говорить о развитие усталости в несущих металлоконструкциях кранов, то для точного расчета необходимо знание действующих напряжений и приложенных нагрузок. Как сказано выше, оценка напряженно-деформированного состояния может быть произведена по конечно -элементным моделям в современных САПР. Однако, как показывает практика точность расчетов по таким конечно-элементным моделям сильно зависит от квалификации инженерно-технического персонала производящего расчет. Очень часто реальные значения напряжений и деформаций разительно отличаются от полученным расчетом.
Так же, отметим, что процесс получения реальных значений напряжений и деформаций весьма трудоемок, так как для оценки напряжений в основном применяют тензометриро-вание, а для оценки деформаций -метод делительных сеток или метод муаровых полос. В свою очередь эти методы так же являются весьма субъективными и зависят от квалификации персо-
нала. К несомненным плюсам анализа конечно - элементных моделей металлоконструкций кранов можно отнести хотя бы приблизительное определение зон с повышенной концентрацией напряжений.
Рассматривая задачу в упругой области, так как наличие пластических деформаций в крановых металлоконструкциях не допускается, можно оперировать понятием теоретического коэффициента концентрации напряжений:
3-х, (1)
а5 =
8„,
где 3тах- максимальные действующие напряжения, МПа; 3ном - среднее действующее напряжение вблизи локальной области концентраций, МПа.
Знание действующего концентратора напряжений позволяет примерно определить место для проведения диагностирования на наличие усталостной поврежденности. При этом точность расчета ресурса до возникновения усталостной макротрещины будет не самой высокой из-за неточности самой модели в силу аппроксимации конечными элементами и переменной величины концентрации [2]. Поэтому возникает вопрос о необходимости точного определения действующих напряжений в зонах их концентраций. Напряженное состояние в теле в общем случае определяется тензором напряжений, а деформированное состояние - тензором деформаций. Рассматривая упругую постановку задачи, согласно закону Гука, можно сказать, что деформации будут пропорциональны к приложенным нагрузкам, что позволяет оценивать или напряженияили деформации, кроме этого их взаимосвязь дает возможность применять структурно-чувствительные методы для их оценки.
К таким методам можно отнести и тепловизионный, который основан на оценки дис-сипативных тепловых полей, возникающих при деформации. Энергетический подход к этому вопросу можно рассмотреть, как сумму работ внешних и объемных сил, а также работу локальных сил при переходах из состояния а в состояние Ь [3, 4].
(2)
(Ь) (Ь) (Ь) (Ь)
1( 1 № +1[ 1 (Ч,-Ри- I( 1 а№=- 1 ( 1рЛи1 ^ (а) V (а) V (а) (а)
Пропуская промежуточные преобразования, можно сказать что удельная работа при деформации локальной области будет расходоваться на диссипацию и кинетическую энергию упругих деформаций. Соответственно, это можно записать в виде:
в+Б = Я; (3)
где G - называют трещинодвижущей силой; Я - сопротивлением развитию трещины.
Оценивая величину диссипации необходимо выделить факторы, которые будут влиять на изменения температуры в зоне локального концентратора напряжения. Выделим самые важные из них: скорость деформации, ее величина и вид нагружения.
Рассмотрим более внимательно нагружение крановой металлоконструкции. С учетом действующих нагрузок, к которым можно отнести эксплуатационные, технологические, динамические и т.д. Общим случаем является такое их сочетание, которое вызывает растягивающее усилие в нижнем поясе мостового крана. Учитывая малую толщину листового проката, используемого в конструкции поясов мостов кранов, относительно их длины и ширины можно говорить о плоском напряженном состоянии, что уменьшает количество компонентов тензора напряжений до четырех [3, 4].
Т =
т
ху
т
V Ух
а
4)
У У
Переходя к следующим факторам рассмотрим скорость деформации и ее величину. Величина деформации будет определятся тензором деформаций
Т =
У ху 2 У
У ух е у
0
е
х
0
0
е
г
V /
603
Известия ТулГУ. Технические науки. 2021. Вып. 9
Причем говорить о плоском деформированном состояние тут уже нельзя, и в тензоре деформаций будут присутствовать пять компонентов. Для определения скорости деформации необходимо знать интенсивность деформации, которую можно оценить по следующей формуле:
л/2
е, =
(6)
3 г . е У+(£у у+(ее -е )2 + ^(+г2+г1х )•
Рассматривая формулу 1 можно сказать, что при прочих равных скорость приложения нагрузки, а, следовательно, скорость деформаций будет прямопропорционально величине концентрации напряжений. Закон Гука говорит о линейной связи между деформациями и нагрузками, что позволяет с определенными допущениями говорить о подобной зависимости и для изменения температурных полей. Для практического применения приведенные формулы 1-6 достаточно сложны и кроме этого для определения их компонентов используется коэффициенты и зависимости, полученные экспериментальным путем. Поэтому предлагается использовать методы тепловизионного контроля локальных зон крановой металлоконструкции, связав между собой следующие параметры: величина концентрации напряжений, относительное изменение температуры, среднее значение напряжений и деформаций.
В качестве примера рассмотрим теплограммы лабораторных образцов из стали 09Г2С, которые были подвергнуты статическому растяжению с постоянной скоростью нагружения [6]. На рис. 1 показан образец до нагружения, на рис. 2 образец, к которому приложили нагрузку равную пределу прочности.
Рис. 1. Теплограмма лабораторного образца до нагружения
°С
в 29
" * 28.3
28.3 | 25.4 У -
II 27 6 Р 24.9 1
■ 1 24
®
Е 0.95
Рис.2. Теплограмма лабораторного образца на пределе прочности
604
Анализ полученных данных свидетельствует о том, что диссипативные поля, которые фиксируются при приложении нагрузки, достаточно тесно коррелируют как с величинами деформаций, так и напряжениями. Всё это позволяет использовать методы тепловизионного контроля для оценки напряженно-деформированного состояния различных элементов несущих металлоконструкций грузоподъемных машин, а также конструкций, предельным состоянием которых является усталость или исчерпание трещиностойкости.
Список литературы
1. Селиверстов Г.В., Моисеев В.И. Оценка накопленной поврежденности по критерию роста трещины // Строительные и дорожные машины. 2020. 7. С. 31-35.
2. Селиверстов Г.В., Серегина А.А., Гудков К.В. Оценка полукруглых концентраторов напряжений по глубине элемента // Механики XXI веку. 2021. 20. С. 210-213.
3. Сопротивление материалов с основами теории упругости и пластичности. Учебник под ред. Г.С.Варданяна. М.: Издательство АСВ, 1995. 568 с.
4. Механика разрушения: Учеб. пособие / В.С. Дронов, Г.Г. Дубенский, И.В. Троицкий; под ред. В.С. Дронова. Тула: Изд-во ТулГУ. 1999. 276 с.
5. Серегина А. А. Оценка напряженно - деформированного состояния элементов металлоконструкций по изменению тепловых полей // Молодежный вестник политехнического института (Ч.1). 2020. 284 с.
Селиверстов Григорий Вячеславович, канд. техн. наук, доцент, s456789@mail. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Серегина Анна Андреевна, студент, seregina.ann-1998@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
ASSESSMENT OF THE STRESS-DEFORMED STATE OF THE METAL STRUCTURE OF THE
LIFTING MA CHINE
G.V. Seliverstov, A.A. Seregina
A thermal imaging method is considered, which records the change in dissipative fields during deformation of the material of the supporting metal structure of a load-lifting machine. The interrelation of the following parameters is taken into account: the value of the stress concentration, the relative change in temperature, the average value of stresses and strains. Based on the analysis of the thermograms, the stress-strain state of a small area in the stress concentration zone is estimated.
Key words: hoisting machine, metal structure, loading, deformation, damage.
Seliverstov Grigory Viacheslavovich., candidate of technical sciences, docent, s456789@mail.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Seregina Anna Andreyevna, student, seregina.ann-1998@mail.ru, Russia, Tula, Tula State University
