CC BY
14
УДК 539.3
УТОЧНЕННЫЙ АНАЛИЗ КОНСТРУКТИВНЫХ РЕШЕНИЙ УЗЛА ИЗДЕЛИЯ И ИХ СЕЛЕКЦИЯ ПО КРИТЕРИЯМ ПРОЧНОСТИ
Д. Ю. ТУЧКОВ
Казанский государственный энергетический университет
Проведен прочностной анализ двух вариантов конструкции в ПК ANSYS, позволяющий выбрать наиболее приемлемое, с точки зрения прочности, решение.
Ключевые слова: прочность, анализ, метод конечных элементов, модель.
С каждым годом системы автоматического проектирования все больше внедряются в процесс разработки конструкторской документации на производстве. В настоящее время уже невозможно представить себе современного инженера, не имеющего в своем арсенале знания и опыт использования одной или нескольких САПР. Программное обеспечение от ведущих компаний-разработчиков прекрасно справляется с такими задачами, как разработка чертежей, трехмерных моделей, конструкторской документации. В области прочностных расчетов технический прогресс также не стоит на месте. Программы для проведения высокоточного прочностного анализа, основанные на методе конечных элементов (МКЭ), в настоящее время широко распространены на рынке. С использованием подобного программного обеспечения в короткие сроки возможно выполнение высокоточных прочностных расчетов конструкций энергомашиностроения любой сложности.
Рассмотрим популярную для производства задачу сравнительного анализа нескольких вариантов конструктивного исполнения изделия энергомашиностроения (фиксатора) и поиска среди них оптимального, с точки зрения прочности, конструкционного решения. Сам фиксатор - это устройство в виде стального пальца, которое вставляется в паз на другой детали, с целью ограничения ее перемещений.
а б
Рис. 1. Варианты конструктивных решений фиксатора: а) втулка приварена внутри швеллера
б) втулка приварена к уголку
На рис. 1 показаны два варианта решения конструкции фиксатора: в первом случае втулка (ёвн = 30 мм, ён = 46 мм, Ь = 185мм) для пальца фиксатора ^ = 30 мм,
Ь = 265 мм) приварена к внутренним стенкам швеллера № 14 ГОСТ 8240-97; во втором © Д.Ю. Тучков Проблемы энергетики, 2012, № 5-6
случае втулка прежних размеров приваривается к торцу уголка, сваренного из двух пластин 185x10x80 мм. В обоих вариантах все детали конструкции изготавливаются из Ст 3. Нижняя площадь швеллера (уголка) жестко закреплена на недвижном основании; на выступающую часть пальца действует нагрузка в вертикальном направлении 2000 Н. Определим наиболее предпочтительный вариант конструкции, используя высокоточные решения задач такого класса в рамках МКЭ. В процессе формирования расчетной схемы на обе конструкции наносится упорядоченная сетка конечных элементов, прикладывается распределенная нагрузка 2000 Н на соответствующую площадку пальца, ограничиваются перемещения на требуемой площади нижней поверхности швеллера (или уголка во втором варианте конструкции) [1]. Вычислительные модели конструкций фиксаторов с наложенными ограничениями степеней свободы и действующими нагрузками показаны на рис. 2.
б)
Рис. 2. Вычислительные модели конструкций фиксатора с приложенными распределенными нагрузками 2000 Н и закрепленными основаниями: а) втулка приварена внутри швеллера; б) втулка
приварена к уголку
Проведенные расчеты позволили найти значения напряжений по Мизесу в конструкциях (рис.3), анализ распределения которых в графической форме позволяет однозначно сделать выводы о преимуществах или недостатках рассматриваемых конструкционных решений [2].
ЗЕуУ (АУ0)
СМХ =1.12 5 ЯШ =. 539Е-05 5&Ш =14.365
.539Е-05 3.192
Ж>ОАЕ, гоишов
ЭТЕР=1
зив =1
Т1МЕ=100 СЕС'У [АУЗ)
ШХ -.055836 гми =.7б11:-04 гмх =5.64
.761Е-0 4 1.253
.626712
2.507 3.76
3.133
5.013
4.387 5.64
б
Рис. 3. Напряжения по Мизесу в конструкциях: а) втулка приварена внутри швеллера; б) втулка приварена к уголку (все значения представлены в кг/мм2)
Так при одинаковой нагрузке максимальные напряжения в фиксаторе со швеллером значительно (практически в 3 раза) превышают напряжения в фиксаторе с
а
уголком за счет изгибных деформаций, обусловленных эксцентриситетом втулки: значения напряжений 14,365 против 5,64 кг/мм2. Это наглядно демонстрирует, что прочностной потенциал фиксатора с уголком значительно выше, и в выборе оптимальной конструкции стоит остановиться именно на нем.
Summary
Ansys strength analysis of two 3D solid models. Choice of it correct solution/ Key words: strength, analysis, finite element method, model.
Литература
1. Басов К. А., Справочник пользователя ANSYS, М.:, ДМК-пресс,2005.
2. T. Stolarski, Y. Nakasone, S. Yoshimoto, Engineering analysis with ANSYS SOFTWARE, Tokyo, Japan, 2006.
Поступила в редакцию 30 июня 2011 г.
Дмитрий Юрьевич Тучков - аспирант кафедры «Динамика и прочность машин» (ДПМ) Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Тел.: 8 (906) 1105447. E-mail: tuchkov_dmitry@mail.ru.
