Статический анализ неравнопрочности конструкций деталей трубопроводной арматуры в программном комплексе ANSYS Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

вариабальных механизмов формирования, наследования и перераспределения действующих и наследуемых погрешностей [1]. Технологические процессы такого типа могут эффективно выполнять свои функции в том случае, если уровень их надежности по параметрам точности будет соответствовать требуемым пределам.

В настоящее время наиболее целесообразным при проведении работ по совершенствованию технологических процессов изготовления зубчатых колес является применение системного, комплексного подхода к рассмотрению закономерностей формирования точности на технологических операциях. В результате выполненных исследований разработан и применяется метод комплексного структурного представления как технологических погрешностей зубчатого венца, так и погрешностей элементов технологических систем зубообработки. Использование данного подхода позволило разработать методику анализа структуры технологических погрешностей, установить закономерности формирования погрешностей зубчатых колес на операциях чистовой обработки методом свободного двухпрофильного обката, а также разработать модель образования технологических погрешностей деталей на операциях зубообработки.

Из анализа результатов выполненных исследований [1], а также данных теории и практики зубообработки [2] определены основные направления повышения точности и стабильности операций чистовой обработки зубчатых колес. Данные направления в целом сводятся к трем подходам к совершенствованию технологии изготовления зубчатых колес:

- повышение точности технологических баз обрабатываемых деталей и точности базовых поверхностей элементов средств технологического оснащения;

- применению конструкторско-технологических методов уменьшения погрешностей при проведении операций зубообработки;

- применению методов устранения перераспределения технологических погрешностей в ходе обработки деталей.

На основании оценки эффективности методов и средств, применяемых в указанных направлениях, разработан способ центрирования зубчатых колес на операциях обработки свободным двухпрофильным обкатом [3], реализованный в виде технологии бесцентрового шевингования и устройства для центрирования зубчатых колес при шевинговании [4]. Применение бесцентровых финишных операций позволяет устранить принципиальные недостатки, присущие обработке методом свободного двухпрофильного обката, и в 1,5...1,7 раза повысить надежность технологии изготовления зубчатых колес.

Список литературы

1. Гудков П.А. Основные принципы обеспечения надежности обработки

зубчатых колес методом свободного обката//Теория реальных

передач зацеплением: Информ. материалы IV Всесоюзн. симпоз.-

Курган, 1988. -С. 42.

2. Производство зубчатых колес: Справочник / Под ред. Б.А. Тайца. -2-е

изд., перераб. и доп. -М.: Машиностроение, 1975. -708 с.

3. А.с. 1002128 СССР, МКИ В23Q3/06. Способ центрирования зубчатых

колес при шевинговании /П.А. Гудков, В.П. Пономарев (СССР).

№ 3229613/25-08; Заявлено 04.01.81; Опубл. 07.03.83. Бюл. № 9. 3 с.

4. Патент РФ 2294820, МКИ 19/06. Устройство для центрования

зубчатых колес при шевинговании / П.А. Гудков, Д.И. Котохин,

С.В. Хрипунов (РФ). № 2005108885/02; Заявлено 28.03.05; Опубл.

10.10.06. Бюл. № 7. 5 с.

М.В. Давыдова, С.В. Хрипунов, А.М. Михалёв Курганский государственный университет, г. Курган

СТАТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ НЕРАВНОПРОЧНОСТИ КОНСТРУКЦИЙ ДЕТАЛЕЙ ТРУБОПРОВОДНОЙ АРМАТУРЫ В ПРОГРАММНОМ КОМПЛЕКСЕ ANSYS

На основании многочисленных экспериментальных исследований (тестовых испытаний), проводимых в производственных условиях машиностроительных предприятий трубопроводной арматуры (ОАО «Икар», г. Курган, ОАО «АК«Корвет», г. Курган), и многолетней эксплуатационной практики установлено, что многие изделия данной отрасли обладают низким уровнем конструкционной надежности, проявляющимся в виде протечек жидкости. Данное обстоятельство является причиной повышения себестоимости выпуска изделий вследствие увеличения затрат на проведение ремонтных и доводочных работ. В соответствии с этим возникла необходимость выявления причин появления указанного недостатка с последующим проведением оптимизационного синтеза конструкций изделий. В связи со значительными практическими трудностями и большими материальными затратами проведения натурных исследований работы по анализу и синтезу конструкций изделий трубопроводной арматуры наиболее целесообразно проводить посредством математического моделирования на основе метода конечных элементов, реализованных в программном комплексе ANSYS.

В качестве объекта исследования принят корпус задвижки (рис. 1) изделия ТЛ 13001-300.1 (данная задвижка является доминирующим изделием среди изделий этого класса) как деталь, оказывающая определяющее воздействие на уровень надежности изделия в целом. Корпус задвижки жестко закреплен по основным конструкторским базам. Внутренние полости корпуса равномерно нагружены давлением, принятым для испытания задвижки рассматриваемого типоразмера (1,6 МПа). Для построения математической модели корпуса задвижки использованы физико-механические свойства его материала (Сталь 25Л ГОСТ 977-88): модуль упругости - 21000 кг/мм2 [210000 Па (2,1е5 Па)], коэффициент Пуассона - 0,3 [1].

Проведенный анализ конструкции корпуса задвижки показал, что данное изделие вследствие наличия на одной из поверхностей выступа (бобышки) не является симметричным (рис. 1). Значительная величина выступа:

- площадь: 27972,83 мм2;

- периметр: 639,79 мм;

- величина наименьшего выступа: 21,2 мм;

- величина наибольшего выступа: 39,4 мм,

а так же его расположение на участке, определяющем уровень эксплуатационной надежности изделия, позволяет предположить, что корпус задвижки является не равнопрочным, в соответствие с чем возможно изменение расположения его лимитирующих элементов (неблагоприятных мест), а также значительное изменение величин напряжений и перемещений. Данное обстоятельство явилось причиной необходимости проведения испытаний модели корпуса задвижки (с крышкой) при наличии выступа (бобышки) на его поверхности.

Рис.1. Вид корпуса задвижки ТЛ 13001-300.1

Статический анализ напряжений и перемещений корпуса задвижки ТЛ 13001-300.1 с крышкой при наличии выступа (бобышки) на его поверхности осуществлялся в программном комплексе ANSYS 6.0 [2]. Параметры расчета:

- продукт: ANSYS/Multiphysics;

- режим работы: interactive;

- тип анализа: линейный статистический;

- импорт трехмерной геометрической модели: формат SAT;

- входной файл: языкАРОЦ

- тип элемента: tet 10node 92;

- дискретизация модели: 6 (default);

- компьютер: AMD Athlon ХР 2500+ (ОЗУ 512 МБ);

- операционная система: Microsoft Windows ХР;

- время расчета: 19 ч 36 мин;

- объем памяти на жестком диске (результаты расчета): 510МБ (535 258 157 байт).

Результаты расчета, проведенные при использовании рабочего давления 1,6 МПа, представлены на рис. 2...5.

Рис. 2. Результаты расчетов корпуса задвижки ТЛ 13001300 с бобышкой (поле распределения суммарных перемещений), масштаб 1:300

Проведенный анализ полученных результатов позволил установить места расположений лимитирующих элементов корпуса задвижки, определяющие уровень эксплуатационной надежности изделия:

(по распределению суммарных перемещений)

- торец корпуса задвижки (направляющие запорных дисков);

- ребра жесткости, примыкающие к магистральным фланцам (в крайнем верхнем сечении);

- поверхности, прилегающие к внутренним кольцам на магистральных фланцах (в крайнем верхнем сечении);

(по эквивалентному напряжению по Мизесу)

- ребра жесткости, примыкающие к магистральным фланцам (в крайнем верхнем сечении);

- внутренняя «угловая» поверхность.

Рис. 3. Результаты расчетов корпуса задвижки ТЛ 13001300 с бобышкой (поле распределения суммарных перемещений), масштаб 1:300

Рис. 4. Результаты расчетов корпуса задвижки ТЛ 13001300 с бобышкой (эквивалентное напряжение по Мизесу), масштаб 1:300

Рис. 5. Результаты расчетов корпуса задвижки ТЛ 13001300 с бобышкой (эквивалентное напряжение по Мизесу), масштаб 1:300

110

ВЕСТНИК КГУ, 2007. №4

Величины напряжений и перемещений составляющих элементов корпуса задвижки при наличии бобышки на ее поверхности (см. рис. 2...5), полученные в результате расчета, приведены в таблицах 1, 2.

Таблица 1

Величины распределения суммарных перемещений элементов корпуса задвижки, мм

Наибольшая величина распределения суммарных перемещений 0,202

Торец корпуса задвижки (направляющие запорных дисков) 0,045

Поверхности, прилегающие к внутренним кольцам на магистральных фланцах 0,022

Ребра жесткости, примыкающие к магистральным фланцам 0,022

Таблица 2

Величины эквивалентного напряжения по Мизесу элементов корпуса задвижки

Наибольшая эквивалентного напряжения 349,317

Ребра жесткости, примыкающие к магистральным фланцам 77,644

Внутренняя «угловая» поверхность 38,883

В результате проведения сравнительного анализа напряжений и перемещений составляющих элементов корпуса задвижки ТЛ 13001-300.1 при наличии бобышки на ее поверхности и без нее установлено:

- наличие незначительного смещения пятна перемещений составляющих элементов корпуса задвижки с бобышкой на торцевой поверхности (область направляющих запорных дисков) и поверхности, прилегающей к внутренним кольцам на магистральных фланцах;

- увеличение значения суммарного перемещения элементов корпуса задвижки с бобышкой на торцевой поверхности (область направляющих запорных дисков), 0,045 мм и 0,044 мм соответственно;

- постоянство значений суммарного перемещения элементов корпуса задвижки с бобышкой на ребрах жесткости и поверхности, прилегающей к внутренним кольцам на магистральных фланцах, 0,022 мм;

- постоянство расположения лимитирующих элементов корпуса задвижки с бобышкой, определяющих уровень эксплуатационной надежности изделия напряжения по Мизесу;

- уменьшение значения эквивалентного напряжения по Мизесу элементов корпуса задвижки с бобышкой на ребрах жесткости, примыкающих к магистральным фланцам, 38,883 и 40,841 соответственно;

- уменьшение значения эквивалентного напряжения по Мизесу элементов корпуса задвижки с бобышкой на внутренних «угловых» поверхностях, 77,644 и 81,647 соответственно.

С целью повышения эксплуатационной надежности задвижки ТЛ 13001-300.1 необходимо уменьшение значений величин напряжений и перемещений составляющих элементов корпуса в «неблагоприятных» местах: на торце корпуса задвижки (область направляющих запорных дисков); поверхности, прилегающей к внутренним кольцам на магистральных фланцах; ребре жесткости, примыкающем к магистральному фланцу; внутренней «угловой» поверхности (рис. 6, 7).

В результате проведенных исследований напряжений и перемещений составляющих элементов корпуса задвижки ТЛ 13001-300.1:

1. Установлены закономерности расположения лимитирующих элементов корпуса задвижки при наличии бобышки на ее поверхности, определяющих уровень экс-

плуатационной надежности изделия. Данные закономерности позволяют сделать вывод о расположении мест, нуждающихся в усилении конструкции.

2. Установлены величины напряжений и перемещений составляющих элементов корпуса задвижки при наличии бобышки на ее поверхности.

Рис. 6. Результаты расчетов корпуса задвижки ТЛ 13001300 без бобышки (эквивалентное напряжение по Мизесу)

Рис. 7. Результаты расчетов корпуса задвижки ТЛ 13001300 без бобышки (поле распределения суммарных перемещений)

3. Предложены конструкторские направления повышения эксплуатационной надежности изделия (задвижки ТЛ 13001-300.1) за счет изменения параметров и характеристик его корпуса (корпуса задвижки).

4. Проведен сравнительный анализ напряжений и перемещений составляющих элементов корпуса задвижки ТЛ 13001-300.1 с бобышкой и без нее.

Список литературы

1. Гуревич Д.Ф. Расчет и конструирование трубопроводной арматуры. -

П.: Изд-во «Машиностроение», 1968. - 888 с.

2. Каплун А.Б., Морозов Е.М., Олферьева М.А. ANSYS в руках

инженера //Практическое руководство. - М.: Едиториал У PC С, 2003. - 272 с.