CC BY
45
УДК 62. 165+621.438
РАЦИОНАЛЬНОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ, РАСЧЕТ И СОПОСТАВЛЕНИЕ С ЭКСПЕРИМЕНТОМ СМОТРОВОГО ЛЮКА КАНАЛИЗАЦИОННОЙ СЕТИ ИЗ ВТОРИЧНЫХ
ПОЛИМЕРОВ
Н.П. Горох, нач. отдела ГКП, «Харьковкоммуночиствод», И.В. Коринько, ген. директор ГКП «Харьковкоммуночиствод», Л.Г. Романенко, Ю.В. Стародубцев, доценты, к.т.н., ХНАДУ
Аннотация. Представлены результаты прочностных расчетов нескольких вариантов крышки и корпуса смотрового люка и сопоставление с результатами натурных испытаний одного из вариантов крышки. Указан вариант конструкции крышки, имеющий в равных условиях наименьшие напряжения и деформации.
Ключевые слова: прочностной расчет, крышка смотрового люка, минимизация напряжений, метод конечных элементов.
Введение
Применение полимерных конструкционных материалов в последнее время получает все более широкое распространение, благодаря постоянному улучшению их прочностных свойств составлением новых композиций с добавлением различных волокон и минеральных компонентов. Особую актуальность в современных условиях приобретает вторичное использование отходов из полимерных пластмасс. К основным достоинствам полимеров можно отнести их высокую химическую стойкость к воздействиям различных агрессивных сред [1, 2].
Однако большинство недорогих полимерных композиций пока еще уступают по прочностным показателям традиционным конструкционным сталям и чугунам. Это налагает определенные ограничения на применение полимеров и предъявляет дополнительные требования к конструкции изделий из них.
В данной работе представлены результаты численного исследования напряженного состояния нескольких вариантов крышки и корпуса смотрового канализационного люка, выполненных из композиции вторичных полимерных материалов. Проведено сопостав-
ление численных результатов с данными натурных испытаний одного из вариантов конструкции крышки люка. В результате рекомендован вариант конструкции, дающий наименьшие напряжения и деформации в сравнении с остальными вариантами при одинаковых нагрузках и массе образцов.
Цель и постановка задачи
Целью данной работы является получение трехмерных распределений параметров напряженного состояния крышки канализационного люка при постоянной нагрузке, а также поиск рациональной конструкции крышки, с точки зрения обеспечения минимальных напряжений и деформаций при сохранении фиксированной массы крышки.
Объектом данного исследования является напряженное состояние конструкции, составленной из крышки и корпуса канализационного люка (рис. 1). Базовый вариант конструкции был выполнен как копия смотрового люка, изготавливаемого промышленностью из чугуна. Проведенные натурные испытания базового варианта, выполненного из композиции полимеров с добавлением минеральных компонентов (протокол испытаний №81 ИЛ «Испытатель» (2006 г.)), показали неудовлетворительные результаты. Раз-
рушение крышки произошло при нагрузке 8085 кгс (79,3 кН), при требуемых 120 кН по ДСТУ
Б В.2.5-26:2005 (ГОСТ 3634-99) для среднего люка.
С учетом результатов испытаний было принято решение увеличить массу крышки в 1,5 раза, что привело к увеличению массы всей конструкции на 23%. В рассмотрение были введены 3 модифицированных варианта крышки люка с увеличенной массой (рис. 2). У вариантов 2 и 3 было уменьшено количество ребер на нижней поверхности крышки до 8 (против 32 у базового варианта 1), при этом они были сделаны более массивными. Форма верхней поверхности также была упрощена. У варианта 4 ребра на нижней поверхности вообще отсутствуют, за их счет была увеличена толщина центральной части крышки. В связи с симметрией всех вариантов при расчетах рассматривалась 1/4 часть конструкции.
Во всех расчетах предполагалось, что материал конструкции находится в диапазоне упругих деформаций. Модуль упругости материала выбирался на основе сопоставления численных данных и результатов натурных испытаний для базового варианта крышки.
Рис. 2. Геометрические модели вариантов конструкции «крышка-корпус»
Для создания сеточных моделей, расчета напряженного состояния и обработки результатов в данной работе использовался авторский конечно-элементный программный комплекс.
Вариант 1 Вариант 2
0 800
Рис. 1. Конструкция и основные размеры базового варианта крышки и корпуса люка
В расчетах использовалась тетраэдальное сеточное разбиение моделей канализационного люка с характерным размером ячеек от 10 до 20 мм. Количество элементов сеток при этом во всех вариантах составляло порядка 100 тысяч ячеек на 1/4 часть конструкции (рис. 3).
Рис. 3. Сеточные модели вариантов конструкции «крышка-корпус» (вид снизу)
Результаты исследования и обсуждение
Для определения модуля упругости материала были использованы данные из протокола испытаний крышки люка базовой конфигурации (вариант 1) [3]. Согласно протоколу
крышка люка под действием нагрузки 3000 кгс имела максимальный прогиб 54,28 мм. Такой прогиб при данной нагрузке в расчетах достигался при модуле упругости материала, равном Е = 178МПа . Расчет с нагрузкой 8085 кгс и с тем же модулем упругости дал прогиб равный 146,1 мм, при этом в эксперименте с такой нагрузкой прогиб составил 159,82 мм, и крышка разрушилась. Параметры нагруженного состояния (напряжения и перемещения) в этом расчете были приняты как критические, приводящие к разрушению материала крышки.
Рис. 4. Сопоставление расчетных напряжений базового варианта 1 крышки люка при нагрузке 8085 кгс с результатом натурного эксперимента
поверхности крышки (сверху и снизу) вблизи центра превышают 50 МПа, напряжения во внутреннем слое в области разрыва материала достигают значения 15 МПа при нагрузке 15000 кгс.
Для сравнительного анализа вариантов крышки канализационного люка были проведены расчеты напряженного состояния всех вариантов при нагрузках 3000, 8085 и 15000 кгс. Расчет базового варианта крышки при нагрузке 15000 кгс не выполнялся, так как в натурном эксперименте произошло его разрушение при нагрузке 8085 кгс.
На рис. 5, 6 представлены поля деформаций в миллиметрах и напряжений в МПа, соответственно, для всех вариантов крышек
А* ,
Вариант 1
П □
Вариант 2
Вариант 3
11181 Вариант 4
Вариант 3
Вариант 4
Рис. 5. Сравнение деформаций (мм) улучшенных вариантов крышки люка при нагрузке 15000 кгс с базовым при нагрузке 8085 кгс
Рис. 6. Сравнение напряжений (МПа) на нижней поверхности улучшенных вариантов крышки люка при нагрузке 15000 кгс с базовым при нагрузке 8085 кгс
120
0 5000 10000 Нагрузка, кгс
- Вариант 1 Вариант 2 -й- Вариант 3 -о- Вариант 4
Сравнение результатов расчета базового варианта при нагрузке 8085 кгс со структурой разрушения в эксперименте (рис. 4) указывает на то, что разрушение крышки люка из рассматриваемой композиции полимеров происходит при следующих условиях: локальные напряжения (на концентраторах) на
Рис. 7. Зависимость максимальных перемещений крышки люка от нагрузки.
Зависимость основных характеристик напряженного состояния крышки канализационного люка (максимальные перемещения и максимальные напряжения по зонам) для всех
вариантов представлены на графиках (рис. 7 - 9).
— Вариант 1 Вариант 2^- Вариант 3 -о- Вариант 4
Рис. 8. Зависимость максимальных напряжений на нижней поверхности крышки от нагрузки
— Вариант 1 Вариант 2 -й- Вариант 3 -о- Вариант 4
Рис. 9. Зависимость максимальных напряжений во внутреннем слое крышки от нагрузки
Анализ полей параметров и данных на графиках указывает на то, что лучшие показатели по прочности во всем диапазоне нагрузок показывает вариант 4. При нагрузках 3000 и 8085 кгс он имеет в 4 раза меньшее максимальное смещение, чем базовый вариант. При этом максимальные напряжения как на поверхности, так и внутри крышки уменьшаются приблизительно в 3 раза.
При нагрузке 15000 кгс у варианта 4 максимальное смещение и максимальные напряжения более чем в 2 раза меньше соответствующих характеристик базового варианта 1 при нагрузке 8085 кгс.
Остальные два варианта (2 и 3) крышки люка при нагрузке 3000 и 8085 кгс показывают промежуточные результаты. При нагрузке 15000 кгс эти варианты по максимальным напряжениям приближаются к значениям базового варианта при нагрузке 8085 кгс. Сле-
довательно, можно предположить их разрушение при нагрузке 15000 кгс.
Выводы
В процессе выполнения данной работы разработаны трехмерные твердотельные и конечно-элементные модели четырех вариантов конструкции, составленной из крышки и корпуса канализационного люка.
Проведен анализ физико-механических свойств композиции полимерных материалов, использованной для изготовления крышки и корпуса канализационного люка.
Выполнена проверка численной модели базового варианта конструкции сопоставле-нием с экспериментальными данными.
На основе сравнения результатов расчета вариантов крышки канализационного люка вариант 4 рекомендован к производству, как удовлетворяющий условиям ДСТУ В.2.5-26:2005 (ГОСТ 3634-99) для среднего люка с номинальной нагрузкой 15000 кгс.
Необходимым условием прочности является соответствие технологических условий изготовления крышки люка тем условиям, которые выполнялись при изготовлении образцов, использованных при испытаниях, описанных в протоколе испытаний №81 ИЛ «Испытатель» (2006 г.).
Авторы выражают благодарность проф. В.Г. Солодову за полезные обсуждения.
Литература
1. Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материало-
ведение. - М.: Машиностроение, 1990. -420 с.
2. Технологические процессы машинострои-
тельного производства / Под ред. С.И. Бо-годухова, В.А. Бондаренко. - Оренбург, ОГУ, 1996.
Рецензент: М.А. Подригало, профессор, д.т.н., ХНАДУ.
Статья поступила в редакцию 16 апреля 2007 г.
