РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТА НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ КАРКАСА КРАНА КПЛ 5-30 Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Список литературы:

[1] Коллинз Дж. Повреждение материалов в конструкциях. Анализ. Предсказание. Предотвращение / Дж. Коллинз. - М.: Мир, 1984. - 530 с.

[2] Трощенко В.Т. Энергетический критерий усталостного разрушения / В.Т. Трощенко, Л.А. Фомичев // Проблемы прочности. - 1993. - №1. - С. 3-10.

[3] Волков И.А., Коротких Ю.Г. Уравнение состояния вязкоупругопластических сред с повреждениями. - М.: Физматлит, 2008. 424 с.

[4] «Молодежь в науке». Сборник докладов седьмой научно-технической конференции (г. Са-ров, 28-30 октября 2008 г.) с. 753. Изд. 2009 г. Доклад «Применение энергетического принципа для анализа термоусталостной долговечности конструкционных материалов ЯЭУ» c. 485-487.

[5] ПНАЭ Г-7-002-86 Нормы расчета на прочность оборудования и трубопроводов атомных энергетических установок. М., Энергоатомиздат. 1986.

JUSTIFY THE APPLICATION OF AN EVOLUTION EQUATION OF DAMAGE ACCUMULATION FOR EVALUATION AND LITTLE CYCLE FATIGUE METALS

I.S. Tarasov, S.N. Shutov

Key words: stress-strain state, ductility, fracture, damage accumulation, low cycle fatigue, durability, resource.

The estimation of the fatigue life of the flange connection with the spherical part of the cover under cyclic loading. It is shown that the developed version of the defining relations of the Ministry of Railways adequately reflects the main effects of elastic-plastic deformation processes and low-cycle fatigue of materials and structures.

УДК 621.01

А.С. Яблоков, к.т.н., доцент ФГБОУВО «ВГУВТ» Е.А. Брыскина, студентка ФГБОУ ВО «ВГУВТ» С.А. Гусева, студентка ФГБОУ ВО «ВГУВТ» 603950, г. Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5

РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТА НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ КАРКАСА КРАНА КПЛ 5-30

Ключевые слова: пластичность, ползучесть, многоцикловая усталость, механика поврежденной среды, эксперимент, поврежденность, материальные параметры

В статье обсуждается проблема оценки долговечности металлоконструкций каркаса машинного отделения плавучего крана. Для оценки выработанного и прогноза остаточного ресурса крана на базе уравнений механики поврежденной среды был произведен расчет и анализ напряженно-деформированного состояния металлоконструкции каркаса плавучего крана КПЛ 5-30 используя уравнения многоцикловой усталости

Одной из основных задач современного машиностроения является оценка ресурса ответственных конструктивных узлов инженерных объектов на стадии их проектирования, оценка выработанного и прогноз остаточного ресурса в процессе эксплуатации объекта, продление срока службы после отработки этими объектами нормативного

срока. По данным Российского речного регистра более 98% плавучих кранов, используемых на внутренних водных путях Российской Федерации отработали нормативный срок эксплуатации, и нуждаются в периодическом техническом освидетельствовании специализированных организаций.

В процессе освидетельствования выполняется [13, 17, 18]:

- расчет достигнутой группы классификации (режима) по спектру нагружения, а также:

- расчет остаточного ресурса по достигнутой группе классификации (режима).

Указанный расчет остаточного ресурса проводится по приближенным методикам,

берущим в основу статическое нагружение и одноосное напряженное состояние.

Классические методы предсказания усталостной долговечности при помощи полуэмпирических формул, основанные на стабилизированном анализе процесса деформирования и связывающие параметры петель гистерезиса с количеством циклов до разрушения, требуют громадного количества экспериментальной информации и справедливы только для узкого класса режимов нагружения в пределах имеющейся

Окончательное разрушение конструктивного элемента является результатом последовательного развития ряда сложных взаимодействующих процессов, которые с точки зрения методов механики укрупнено, могут быть представлены двумя стадиями: стадией зарождения макроскопической трещины (нескольких трещин) и стадией устойчивого и неустойчивого распространения наиболее опасной макротрещины.

В последние годы для решения задач прочности и ресурса ответственных инженерных объектов (ОИО) развилась новая дисциплина - механика поврежденной среды, изучающая с позиций МСС процессы развития микродефектов и механическое поведение поврежденных материалов (материалов с внутренними дефектами) посредством введения определенных механических параметров. Микроструктурные изменения в материале конструкции при этом определяются как изменение этих макроскопических параметров [1, 2].

Существенное отличие методов МПС от классического подхода заключается в том, что процессы деформирования и накопления повреждений рассматриваются совместно с учетом их взаимного влияния.

Для оценки возможности практического использования метода математического моделирования исчерпания ресурса, с использованием определяющих соотношений НДС, был проведен расчет металлоконструкции плавучего крана КПЛ 5-30 (зав. №2040), изготовленного в 1974 заводом «Теплоход» г. Бор. К настоящему времени плавучим краном было совершено 902467 циклов и перегружено 2256168 тонн (по данным организации-эксплуатанта). Материал металлоконструкции крана СтЗкп. Определение НДС каркаса выполнено в зависимости от положения стреловой системы (стрела, хобот, оттяжка, подвижный противовес) для 3 -х случаев вылета - максимальный вылет стрелы - 30 метров, средний вылет - 15 метров, минимальный вылет -8 метров. Расчетные исследования выполнены как для статического, так и для динамического типа приложения нагрузок (резкая остановка механизма поворота при плавном подъеме груза) (рис. 1).

Скорость подъема груза 3 под = 1,2 м/с, максимально поднимаемый вес груза ^ = 61740 Н. Для общего представления о характере деформирования металлоконструкции и вычисления местоположения узлов, критических с точки зрения долговечности, на первом этапе был проведен упругий расчет по (КЭ) программе [13]. Физико-механические характеристики Ст3 были приняты следующими [14, 15]: модуль упругости Юнга Е = 1,94 х105 МПа; коэффициент Пуассона V = 0,28; предел текучести

аТ = 230 МПа; плотность р = 7850 кг/м3.

Как видно наибольшие эквивалентные напряжения, возникающие в панели стрелы, составляют 120 МПа (область многоцикловой усталости). Для расчета наиболее

нагруженного узла стреловой системы выполним оценку НДС каркаса машинного отделения - узел опирания стрелы и подвижного противовеса.

а) б)

Рис. 1.

Для моделирования исчерпания ресурса, выделим наиболее нагруженный участок стрелы и проанализируем характеристику изменения напряжений и деформаций. Для этого определим действующие усилия в панели, стойках и раскосах указанного узла. Расчет напряжений, действующих в панели стрелы и возникающие деформации произведен в программе «Structure CAD» пакета «Scad Office v.11» как для трёхмерной твердотельной модели с помощью 8, 10, 20-узловых конечных элементов из материала с изопараметрическими свойствами для симметричной конструкции относительно продольной оси. Результаты расчёта приведены на рис. 2.

Рис. 2.

Каркас моделировался в натуральную величину с соблюдением заданных характеристик и геометрических размеров. Учитывая большую сложность моделирования сварного соединения каждого раскоса (стойки) было заменено на абсолютно жесткое (аналог сварного соединения). Моделирование опор каркаса выполнялось в накладывании граничных условий, исключающие перемещение этих узлов во всех направлениях. Также исключался поворот в этих узлах. Исходя из сортаментов используемых профилей, идеализация конструкции на конченые элементы проводилась с использованием балочного конечного элемента, который является трехмерным симметричным в поперечном сечении. Результаты расчета в программной среде АРМ Winmachine Structure3D представлены на рис. 3.

Рис. 3.

Основным недостатком расчета металлоконструкции каркаса в среде АРМ Winmachine Structure3D является моделирование расчетной схемы в виде стержневой системы, в отличие от среды StructureCAD, где каркас моделируется методом конечных элементов с учетом толщин фасонок и физико-механических характеристик сварных швов (рис. 4).

Рис. 4.

Полученные значения эквивалентных напряжений составляют 150 МПа, что для металлоконструкции каркаса больше, значений эквивалентных напряжений панели стрелы, поэтому для оценки усталостной долговечности крана в целом в дальнейшем расчете необходимо рассмотреть металлоконструкцию каркаса плавучего крана.

Для оценки усталостной долговечности крана и анализа процесса накопления усталостных повреждений в наиболее нагруженной зоне (рис. 35, а) выделим объем материала в этой зоне и с помощью программы «EXPMODEL» разработанного на кафедре ПМ и ПТМ ФГБОУ ВО ВГУВТ проведем анализ процесса накопления повреждения в указанном объеме материала по заданной истории его нагружения - изменение тензора деформаций (е1Ь e22, e33, e12, e23, e31), полученных из решения краевых задач (см. (23)). Расчеты получены при задании следующих математических параметров, определяющих соотношения:

Ь*= 0,3; у* = 4; m = 5; ау = 61,5 МПа ; Wf = 5050 МДж/м2 .

1

_-г—^ 1 штгп ТГц

Рис. 5.

Используя специализированное программное обеспечение кафедры ПМ и ПТМ ВГУВТ (ПК «Expmodel») был произведен расчет усталостной долговечности крана. На рис. 36 приведена зависимость энергии, идущей на образование повреждений от числа циклов нагружения, а на рис. 37 зависимость величины поврежденности ю от числа циклов нагружения. Видно, что несмотря на то, что зависимость энергии от числа циклов нагружения носит линейный характер зависимость величины поврежденности ю от числа циклов нагружения носит экспоненциальный характер. На рис. 37 видно, что за время эксплуатации кран отработал 908325 циклов нагружения, а накопленная по-врежденность при этом составляет ю = 0,275. Экспериментальные исследования критической поврежденности для конструкционных сталей показали, что образование макроскопической трещины происходит при уровне поврежденности ку и 0,8 (что соотвествует N = 1 500 000 циклов). В экспериментах [16] показано, что в зависимости от свойств материала и условий нагружения образование макроскопической трещины может произойти и при меньшем уровне поврежденности: 0,2 < ю < 0,8. Так как для конструкционных сталей значение ку и 0,8, то эксплуатация крана в паспортном режиме допускается с проведением ежегодной экспертизы промышленной безопасности, с применением неразрушающих методов контроля несущих узлов металлоконструкции стрелового устройства. Таким образом, учитывая характерный режим нагружения металлоконструкции плавучего крана срок эксплуатации плавучего крана (продленный ресурс) может быть увеличен на 5 лет.

Список литературы:

[1] Коллинз Дж. Повреждение материалов в конструкциях. Анализ. Предсказание. Предотвращение. - М.: Мир, 1984.

[2] Волков И.А., Коротких Ю.Г. Уравнения состояния вязкоупругопластических сред с повреждениями. - М.: Физматлит, 2008. - 424 с.

[3] Романов А. Н. Разрушение при малоцикловом нагружении. - М.: Наука, 1988. - 279 с.

[4] Корум Сартори. Оценка современной методологии проектирования высокотемпературных элементов конструкций на основе экспериментов по их разрушению // Теоретические основы инженерных расчетов. 1988, № 1. С. 104-118.

[5] Броек Д. Основы механики разрушения. - М.: Высшая школа, 1980. - 368 с.

[6] Патрикеев А.Б. О механизме разрушения верхних участков стальных подкрановых балок // Пром. стр-во. - 1979, №5. С . 38-43.

[7] Руководящий технический материал // Расчёты и испытания на прочность / Методы расчёта на трещиностойкость металлоконструкций мостовых кранов при статическом и циклическом нагружении. - Красноярск, 1990. - 58 с.

[8] Трощенко В. Т. Деформирование и разрушение металлов при многоцикловом нагружении. -Киев: Наук. думка, 1981. - 343с.

[9] Волков И.А. Модель повреждённой среды для оценки ресурсных характеристик конструкционных сталей при механизмах исчерпания, сочетающих усталость и ползучесть материала / И.А. Волков, А.И. Волков, Ю.Г. Коротких, И.С. Тарасов // Вычислительная механика сплошных сред. 2013. Т. 6, № 2. С. 232-245.

[10] Боднер Линдхолм. Критерий приращения повреждения для зависящего от времени разрушения материалов // Теоретические основы инженерных расчетов. 1976, №2. С. 51-58.

[11] Chaboche J.L. Continuous damage mechanics a tool to describe phenomena before crack initiation // Engineering Design. 1981. vol. 64. р. 233-247.

[12] Волков И.А. Численное моделирование упругопластического деформирования и накопления повреждений в металлах при малоцикловой усталости. / И.А. Волков, Ю.Г. Коротких, И.С. Тарасов, Д.Н. Шишулин // Междунар. научно-технический журнал «Проблемы прочности»: изд-во Института проблем прочности НАНУ, №4. - Киев, 2011.

[13] «Structure CAD» пакет «Scad Office v.11».

[14] Акимов И.А., Яблоков А.С. Оценка напряженно-деформированного состояния металлоконструкции каркаса машинного отделения плавучего крана / И.А. Акимов, А.С. Яблоков // Труды 16-го международного научно-промышленного форума «Великие реки - 2014». Материалы научно-методической конференции профессорско-преподавательского состава, аспирантов, специалистов и студентов «Проблемы использования и инновационного развития внутренних водных путей в бассейнах великих рек». Том 1. - Н. Новгород: Изд-во ФГБОУ ВО «ВГАВТ», 2014. - 215-219 с.

[15] Волков И.А., Яблоков А.С. Об одном подходе к оценке долговечности металлоконструкций плавучих кранов по их фактическому, эксплуатационному нагружению // Вестник ВГАВТ №42. - Н.Новгород: Изд-во ФГБОУ ВО «ВГАВТ», 2015. - 56-68 .

[16] Леметр Ж. Модель механики повреждения сплошных сред при вязком разрушении // J. of Engineering Materials and Technology. 1985. V. 107. P. 3-9.

[17] РД 212-0128-96. Правила. Металлические конструкции плавучих кранов. Технические осмотры и дефектация. - СПб.: СПГУВК, 1997. - 57 с.

[18] Методические указания по обследованию металлических конструкций плавучих и судовых кранов с целью определения возможности и условий их дальнейшей эксплуатации. - СПб.: СПГУВК, 2004. - 40 с.

THE CALCULATION RESULTS OF THE STRESS-STRAIN STATE OF THE CARCASS CRANE KPL 5-30

A.S. Yablokov, E.A. Bryskina, S.A. Guseva

Key words: Plasticity, creep, cycle fatigue, damage mechanics environment, experiment, damage, material parameters

The article discusses the problem of assessing the durability of metal structures of the engine room of the floating crane. To estimate and forecast generated residual life of the crane based on the equations of the mechanics of the damaged environment was calculated and analysis of stress-strain state of the metal frame floating crane KPL 5-30 using equation cycle fatigue