CC BY
26
УДК 621.873:62-112.81:539.4:519.711
111 II!
U
Щй
ж
шш Ж
¡II pt! ii
ill
Ш
;
ill
МЕТОД АВТОМАТИЗИРОВАННОГО РАСЧЕТА КРАНОВЫХ МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИЙ С ТРЕЩИНОПОДОБНЫМИ ДЕФЕКТАМИ
М.Р. Нургужин, Т.Я. Кацага
Карагандинский государственный технический университет
Бул жумыста имитацияльщ модельдеу мен механикальщ куйрету иегЫнде дэнекерлгу арк,ылы жасалган Kemepziui металконструкцияларды есептеудщ автоматтандырылган adici сипатталады.
В работе приведен метод автоматизированного расчета сварных крановых металлоконструкций на основе имитационного моделирования и механики разрушения.
The work presents the method of automated calculation of welded crane metal constructions on the basis of simulating modelling and mechanics of destruction.
Известно, что разрушение машиностроительных конструкций в процессе эксплуатации связано (до 90%) с разрушением сварных соединений. В настоящее время сварка является доминирующим технологическим процессом в области производства металлоконструкций. Вместе с тем, использование сварочных технологий при производстве конструкций имеет ряд особенностей, без учета которых не могут быть получены надежные и экономичные сварные конструкции. Это характерная форма сварных соединений, вызывающая концентрацию напряжений и деформаций, влияние термического цикла сварки на свойства
основного металла, высокие сварочные остаточные напряжения, значительные пластические деформации, возможность образования при сварке дефектов.
Опыт эксплуатации сварных крановых металлоконструкций подтверждает выше сказанное [1]. Несмотря на большое разнообразие видов разрушения, систему их классификации можно сделать на учете трех составляющих: характер разрушения, причина разрушения, место разрушения [2]. Используя эту систему и опираясь на статистические данные [1], можно определить наиболее характерные виды разрушения сварных крановых металлокон-
струкций:
1) упругая деформация, вызванная действием внешних нагрузок (расчет на прочность и устойчивость);
2) пластическая деформация (потеря строительного подъема при длительной эксплуатации в процессе взаимодействия рабочих и остаточных напряжений и деформаций);
3) хрупкое разрушение при низких температурах;
4) малоцикловая и многоцикловая усталость;
5) коррозия под напряжением и старение металла в зоне свар-
ных соединений.
С учетом этого, были выявлены основные факторы, снижающие несущую способность сварных крановых металлоконструкций (см. рис. 1). Необходимость учета указанных факторов, а также осознание того, что во всех реальных конструкциях изначально существуют трещи-ноподобные дефекты, требует разработки новых методов, позволяющих исследовать распространение трещин в условиях как монотонных, так и циклических нагружений с учетом влияния остаточных напряжений и деформаций.
2 | Металлургические факторы
Хим. состав металла« его структура !
Способ выплавки
Загрязненность металла
Термический цикл сварки
|3 | Конструктивно-технологические факторы
Масштабный фактор
Вид напряженного состояния
Концентрация
напряжений
Остаточные напряжения
Состояние поверхности
Дефекты сварных соединений
Старение шва и околошовной зоны
Остаточные деформации
Рис. 1. Факторы, снижающие пекущую способность сварных металлоконструкций
Обзор существующих методов расчета показывает, что наиболее серьезное признание получила концепция "соответствие назначению" ("fitness for purpose"), в рамках которой предложены процедуры
анализа, основанные на сочетании численных расчетов и стандартных испытаний материалов с привлечением современных подходов механики деформирования и разрушения
И-
о N,5 N
Рис. 2. Схема распределения ресурса для поврежденных крановых металлоконструкций
Предлагаемый в данной работе подход к оценке несущей способности крановых металлоконструкций базируется на следующих положениях.
1. Система "грузоподъемная машина - совокупность технологий" представляет собой многоуровневую систему, адекватный анализ которой достигается с помощью метода, основанного на понятии типовая Q - схема, реализующая особенности непрерывно-стохасти-ческого процесса обслуживания. В результате моделирования системы оценивается режим работы машины.
2. Определение ожидаемых нагрузок на конструкцию осуществ-
ляется на основе анализа динамических процессов, протекающих в элементах конструкции, представленной как система с дискретно-распределенными параметрами.
3. Учет технологических факторов реализуется на основе описаний реальной геометрии сварного соединения и определении остаточных сварочных напряжений и деформаций.
4. Конструкционное соответствие реального изделия и его модели реализуются на основе применения метода конечных элементов (МКЭ).
5. Предельное состояние изделия в момент исчерпания несущей способности при действии статисти-
ческих нагрузок оценивается на основе двухпараметрических критериев в терминах коэффициента интенсивности напряжений (КИН) для квазихрупких разрушений и ./- интеграла для вязких состояний мате-
риалов.
Остаточный ресурс в условиях действия переменных нагрузок вычисляется на основе модифицированного уравнения Элбера [4]
(1)
при к™х + к; >о,
где С_15 Я - экспериментальные характеристики материала по данным В.И. Труфякова [4];
(Ш
- скорость роста усталостной
трещины; А К " размах КИН;
К™х и К] коэффициент интенсивности максимальных и остаточных напряжений, соответственно.
Функция (р{к\, д) учитывает влияние остаточных напряжений и задается в виде
л(]±)
(2)
где
5 =
к;
тах
Ц
В основу оценки напряженно-деформированного состояния узлов крановых металлоконструкций в процессе термосилового на-гружения было положено следующее:
1) расчет напряжений и деформаций проводился на основе неизотермической теории течения, так как эта теория наиболее полно описывает процесс деформирования тел при сложном нагружении;
2) принималась модель степенного и билинейного упрочнения тела, удовлетворяющего критерию текучести Мизеса;
3) использовался МКЭ как численный метод интегрирования дифференциальных уравнений неизотермической теории течения и нестационарной теплопроводности.
Расчет параметров трещино-стойкости сварных соединений осуществлялся путем решения задач теории упругости и пластичности методами граничных и конечных элементов на основе энергетических подходов.
Выше перечисленные методы легли в основу методики расчета характеристик живучести крановых металлоконструкций с трещинопо-добными дефектами. В данной работе под живучестью будем понимать сохранение несущей способности элементами конструкции при возникновении в них трещин, размеры которых не превышают задан-
ных значений. Основными характеристиками живучести являются: остаточная прочность (разрушающее
напряжение <ус ); длительность роста трещины Г (остаточный ресурс) и периодичность осмотров Тдсм. Числовые значения этих характеристик взаимосвязаны.
Металлоконструкции грузоподъемных машин проектировались, по существу, по принципу безопасности ресурса, в соответствии с которым в конструкциях практически не допускалось возникновение трещин за период проектного (назначенного) ресурса. Поэтому продление ресурса поврежденных трещинами конструкций за пределами проектного может быть обеспечено за счет их живучести при распространении трещин до безопасных размеров (см. рис. 2) [5].
При использовании критериальных подходов механики трещин прогнозирование ресурса может быть основано на детерминированных или вероятностных расчетах. В принципе дня прогнозирования остаточного ресурса и анализа возможности продления проектного ресурса при наличии трещин целесообразно привлекать оба подхода с целью получения более корректного обоснования надежности полученных результатов прогнозирования. Однако при анализе остаточного ресурса крановых металлоконструкций в условиях недостатка статистических данных по параметрам моделей с доверительными границами, применяемыми в инженерных расчетах, по возможным сценариям
аварий в силу сложности конструкций и редкости аварийных ситуаций детерминированные подходы представляются более перспективными [6]. При этом детерминированная модель может служить основой для вероятностных расчетов.
Для анализа возможности продления ресурса при сохранении требований к безопасности необходимо обоснование области безопасных состояний поврежденных трещинами конструкций по критериям механики разрушения и живучести. В рамках детерминированного подхода это достигается введением в критерий предельного состояния коэффициента запаса по трещино-
стойкости то и коэффициента живучести /И д г .
Структура оценки характеристик живучести крановых металлоконструкций приведена на рис. 3. Здесь представлен последовательный подход к методологии определения живучести. В блоках схемы 1-6 сконцентрированы базовые концепции безопасной эксплуатации крановых металлоконструкций по техническому состоянию.
В качестве примера использования предлагаемой методики расчета характеристик живучести крановых металлоконструкций приведены результаты расчета фактических запасов прочности при действии статической нагрузки и остаточного ресурса при действии динамических нагрузок элементов металлоконструкции мостового крана
грузоподъемностью 0 = 12,5 м,
Рис. 3. Структурная схема оценки живучести по критериям механики разрушении
пролетом Ь = 16,5 м, эксплуатируемого в литейном цехе.
В соответствии с п.п. 1 и 2 методики были определены рабочие параметры крана, геометрия металлоконструкции, характеристики материалов (таблица 1), сформирова-
на карта описания модели системы "машина совокупность технологий" и матрица одновременно невозможных событий. На основе визуального осмотра и дефектоскопии определены размеры дефектов, их местоположение (таблица 2).
Таблица 1
Геометрические параметры и механические свойства материала металлоконструкции
Наименование Значение Наименование Значение
Пролет (Ас), м 16,5 Материал Ст.З
База крана {^к ), м 4,4 Предел текучести, МПа 240
База тележки (-®г), м 1,5 Предел прочноери, МПа 390
Колея крана (¿г ), м 2,0 Вязкость разрушения (К!С), МПа -4м 22
Длина скоса (4), м 1,5
Высота главной балки, м 0,96 Параметры уравнения Элбера; С, X , МПал/м ю-13 4,0 2,0 6,0
Ширина главной балки, м 0.40
Высота концевой балки, м 0,60
Ширина концевой балки, м 0.40
Толщина поясов, м 0.006
Толщина стенок, м 0,005
Таблица 2
Расчетные схемы и параметры нагружения
№ п/п Описание дефекта (таблица 1) Расчетная схема МПа ^ max , МПа ^ mm , Мпа МПа
1 Непроплавление в стыковом шве нижнего пояса h =2лш(£/2) Образец с центральной трещиной 156,0 95,0 30,0 80,0
2 Трещина в нижнем поясе главной балки у стыкового шва, /0 =10лш(1/2) Образец с центральной трещиной 156,0 95,0 30,0 80,0
3 Трещина в стенке главной балки в зоне приварки кронштейна крепления механизма подъема, /0 =15j»£m(L/4) Образец с центральной трещиной 105,0 70,0 25,0 100
Примечание: 1. Значение СТр определены для II случая нагружения [1].
2. Значения СТтах и &т1п - Для I случая нагружения.
3. Величины нерелаксированных остаточных напряжений определены на основе результатов исследований.
На основе метамоделирова-ння определена группа режима работы крана 7К и величина коэффициента эквивалентности <р 9 =0,8.
С целью определения нагру-женности элементов осуществлен макроанализ крановой металлоконструкции (рис. 4.). В результате для указанных элементов с трещинами определены расчетные схемы напряжения от внешней нагрузки и нере-лаксированые остаточные напряжения (таблица 2).
При оценке статической тре-
щиностойкости использовался двух-параметрический критерий в терминах КИН, при определении остаточного ресурса - модифицированное уравнение Элбера. Параметры уравнения и вязкости разрушения даны в таблице 1.
Результаты расчета характеристик живучести металлоконструкции мостового крана представлены в таблице 3 и на рис. 5. Полученные данные позволяют заключить,
1. Учет остаточных напряжений приводит к существенному уточнению характеристик живучес-
Рис. 4. Трехмерная модель металлоконструкции мостового крана (а) и схема сечения (б) главной (1) и концевой (2) балок: Ljk - пролег; Вк - база крана; Ът и В, -пролет и база тележки; / - длина скоса главной балки; JJ -высота; ]i -ширина i - ой балки; 5 и S с - толщины пояса и стенки; Ш... - 2860 кг; т ~ 850 кг - масса кабины, Ш к! - 350 кг - масса механизма передвижения крана
Таблица 3
Расчетные величины характеристик живучести
Наименование Обозначение Ва оианты расчетов
1 2 3
Коэффициент безопасности по длине трещине т0 1,789 1,789 1,789
Коэффициент живучести Щ 10,24 10,24 10,24
Критическая длина трещины мм К 2,4 15,4 20,6
Разрушающее напряжение. МПа 199 209,95 154
Фактический запас прочности щ 1,27 1,34 1,46
Остаточный ресурс, цикл N 106060 42913 89444 .
Рис. 5. Диаграмма живучести: а - случай 2; б - случай 3 (табл. 2): 1-е учетом остаточных напряжений; 2 - без учета остаточных напряжений
ти; разрушающего напряжения <7С
и остаточного ресурса N (рис. 4). Так, например, для случая 2 (табл. 2) величина разрушающих напряжений при учете остаточных напряжений уменьшилась на 14,3 % (о =244
МПа, о =209 МПа), фактический коэффициент запаса составил
Па =1,34, остаточный ресурс-42913
циклов.
2. Сверхнормативный срок службы крана в годах определяется случаем 2 (табл. 2) и составляет 2,3 года при односменной работе, (Ыг= 18000 циклов).
3. Повторное обследование следует проводить через два года и число межинспекционных осмотров принять равным 8
ЛИТЕРАТУРА
1. Нургужин М.Р. Анализ разрушений сварных крановых металлоконструкций // Труды Университета (Караганда). - 1997. - Вып.2. - С.71-77,
2. Коллинз Дж. Повреждение материала в конструкциях. Анализ, предсказание, предотвращение. -М.: Мир, 1989. -624с.
3. Нургужин М.Р., Даненова Г.Г., Вершинский A.B. Автоматизированный анализ разрушения сварных конструкций // Автоматическая сварка. - 1996. - №10. - С. 10-14.
4. Прочность сварных соединений при переменных нагрузках /
Под ред. В.И. Труфякова. - Киев: Наукова думка, 1990. - 256с.
5. Махутов H.A., Алымов В.Т., Бормас В.Ю. Инженерные методы оценки и продления ресурса сложных технологических систем по критериям механики разрушения // Заводская лаборатория. - 1997. -Т.63, №6.-С.45-51.
6. Матвиенко Ю.Г. Детерминированный анализ безопасности, живучести остаточного ресурса по критериям механики трещин // Заводская лаборатория. -1997. - Т.63, №6. -С. 52-58.
