CC BY
26
ВЕСТНИК 2/2009
МОДЕЛИРОВАНИЕ НАГРУЖЕННОСТИ И НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ ТИПОВЫХ УЗЛОВ МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИЙ
В.А. Белов, А.А. Гусев
МГСУ
В настоящей работе даны количественная и качественная оценки нагруженности металлоконструкции башенного крана с учетом напряженного состояния конструктивных узлов и прогнозирования живучести. Оценки даны для крана грузоподъемностью
1. Балочно-стержневая конечно-элементная модель крана
Несущая конструкция крана (рис. 1) изготовлена из нижеперечисленного проката:
• швеллер 50мм (нижний пояс стрелы),
• труба 046 х 32 мм (верхний пояс стрелы),
• труба 015 х 9 мм (соединение нижних поясов стрелы между собой и с верхним поясом),
• канат 016мм,
•труба 018 х 10 мм (соединение стоек башни между собой),
• два уголка 40x40x4мм и 50x50x4мм сваренные между собой кромками образуя трубчатое квадратное сечение (стойка башни),
• швеллер 80 мм (подкрепление башни в нижней части),
• труба 0 60 x 48 мм (крепление оси в нижней части башни),
• уголок 30x30x4 мм (подкрепление башни в нижней части),
• швеллер 220 мм (ходовая рама крана).
2. Нагруженность конструкции вызванная грузом, собственным весом
и противовесом
Рис.2. Балочно-стержневая модель несущей конструкции крана с граничными условиями (упругие опоры в трех направлениях жесткостью 2105 Н/мм, шарнорное соединение стрелы с башней, противовес 20кН и груз 5кН на максимальном вылете) и значениями перемещений в вертикальном направлении, в мм
Рис.3. Расчетная модель конструктивного узла стрелы с изолиниями приведенных напряжений вызванных грузом 5кН на максимальном вылете
Таблица 1
Экстремальные значения составляющих усилий в поперечном сечении избранных элементов несущей конструкции крана
Элемент конструкции Нормальное усилие, [Н] Поперечная сила в направл 2, [Н] Поперечная сила в направл. 3, [Н] Крутя- ий момент, [Нмм] Изгиб. момент относит. оси 2, [Нмм] Изгиб. момент относит. оси 3, [Нмм]
Верхний пояс -46715/ -45/ -3326/ 4000 -549428/ -6492/
стрелы 12208 56 4455 1025348 5860
Нижний пояс -22208/ -763/ -2983/ -907/ -681200/ -47974/
стрелы 12779 763 3407 725 415429 47864
Раскосы стрелы -5556/ -644/ -1016/ -241/ -188834/ -70400/
6125 860 801 236 83183 80490
Стойка башни -2/ -1342/ -3081/ -2900/ -128806/ -129160/
-13570 1346 3071 5050 229600 100657
Раскосы башни -3628/ -120/ -2309/ -640/ -129000/ -59100/
5017 181 35 650 909400 45400
Соед. секц -20784/ -763/ -2966/ -907/ -139000/ -47900/
стрелы 12779 763 448 725 182000 47800
Соед. секц -9119/ -17/ -18/ -714/ -13933/ -14077/
башни 5017 16 17 682 13937 14077
Рис.4. Продольные силы в балочной конечноэле-ментной модель крана (а) и эпюры изгибающих моментов (б) и (в) в конструктивном узле показанным стрелкой
Рис.5. Расчетная модель конструктивного узла «вырезанного» из стрелы (рис.4) с изолиниями приведенных напряжений вызванных составляющими усилий в поперечном сечении перечисленными в таблице 2
Таблица 2
Значения составляющих усилий в поперечном сечении конструктивного узла крана
Элемент конструктивного узла Нормальное усилие, [Н] Поперечная сила в направлении 2, [Н] Поперечная сила в направлении 3, [Н] Крутящий момент, [Нмм] Изгиб. момент относительно оси 2, [Нмм] Изгиб. момент относительно оси 3, [Нмм]
Ветвь вертик. верхняя -8461 54 54 201 -13511 13519
Раскос горизонт.1 42 0 -3 18 324 18
Раскос диагональ 25 0 -3 1 -482 134
Раскос горизонт.2 -8478 -7 -6 395 -12829 12837
Ветвь вертик. нижняя 43 -7 3 -18 321 -40
3. Численное прогнозирование усталостной долговечности типовых конструктивных узлов
1A. Глоб. модель несущей конструкции
/\> / Ь \
;
1Б. Определение составляющих усилий SWP в сечении SWP = f(x, Q, ro)
x - положение тележки с грузом, Q - нагрузка, ro - вид операции, SWP - составляющие усилия в поперечном сечении в балочно-стержневой модели несущей конструкции крана,
2A. Локальная модель конструктивного узла
nt
2Б. Определение напряж. состояния SN в конструктивном узле SN = Ш е«, т)
gl — локальная геометрия
конструкции, og - глобальная нагрузка конструкции, - технологические напряжения SN = [а„ о-у, а%, Тху, т^]
3A. Модель узла с дефектом
3Б. Определение коэфф. инт. Напряжен. К или 3 интеграла К = АБЩ
SN — номинальное напряженное состояние (без дефекта), gw — геометрия дефекта и его положение
4. Прогнозирование усталостной долговечности T или живучести N
T =-
Nn -al
П -К •^
N=2 -106, (Г-ж -усталость узла с концентратором при N циклах, т - показатель кривой усталости, пе - количество повреждающих циклов в 1 час, <Гш -амплитуда напряжений в цикле I, 11 - частота амплитуды <Гш
2 2
N =
0,5(и-2)
0,5(и-2)
k
2) • C ■ Fn ■ Aan-Я10
•г
N - число циклов для распространения трещины от 10 до 1к, п, С - параметры уравнения Пэриса, Е - коэфф. формы трещины, Ла -размах напряжений
l
О
4.Результаты
Из проведенного прочностного анализа несущей конструкции башенного крана вытекает:
- найболее напряженным местом стрелы является соединение с оттяжным канатом, а в башне - ее оголовок;
- экстремальные усилия и напряжения в стреле появляются, когда груз находится на максимальном вылете;
- экстремальные усилия и напряжения в башне появляются, когда груз находится на вылете 5,6 м с грузом 10кН.
Максимальные напряжения в анализируемых конструктивных узлах получены в зоне сварных соединений.
Численное прогнозирование усталостной долговечности типовых конструктивных узлов представлено как четырехэтапный процесс состоящий из:
- приготовления модели несущей конструкции башенного крана состоящей с ба-лочно-стержневых конечных элементов и определения составляющих усилий в сечениях конечных элементов;
- выбора конструктивного узла, приготовления для него обьемной модели нагруженной составляющими усилиями, полученными в первом этапе;
- разработка модели конструктивного узла с дефектом, для которой определяется напряженно-деформированное состояние, коэффициент интенсивности напряжений или 1-интеграл;
- прогнозирования усталостной долговечности Т (после второго этапа) или живучести (после третьего этапа).
Процедуры оценки пригодности к эксплуатации несущей конструкции крана, использующие рекомендации, полученные при ремонтах, эксплуатации, осмоторах и при моделировании глобальной нагруженности несущей конструкции и локального напряженно-деформированного состояния конструктивного узла с дефектом, составляют необходимый и взаимосвязанный процесс, направленный на эффективное использование конструкции и обеспечение ее надежности. Зти процедуры должны развиваться с целью повышения надежности конструкции на различных этапах ее существования. Препятствием в реализации этапов моделирования и прогнозирования долговечности является отсутствие достоверных данных о материалах, с которых изготовлена конструкция, о технологии изготовления сварных соединений и условиях эксплуатации конструктивного узла с дефектом.
Статья представлена Редакционным советом «Вестника МГСУ».
