Введение к работе
з
Актуальность работы. Основной объем подземной добычи угля обеспечивается комплексами оборудования с механизированными крепями. Создание и широкое внедрение механизированных комплексов сыграли исключительно важную роль в техническом перевооружении угольной промышленности, послужили мощным стимулом к развитию и повышению технического уровня всех звеньев в технологии угледобычи.
Реальное состояние на сегодня таково, что более 60 % горных машин отработали нормативный срок службы, а отсутствие в достаточной мере финансирования по реконструкции дефектных узлов, низкий уровень управления вопросами безопасности в отраслях промышленности, снижение инвестиций и пр. обуславливают низкий уровень безопасности и надежности технологических машин. Учитывая то обстоятельство, что большая часть металла (60-80%), необходимая для производства данного класса машин, используется на производство металлоконструкций, можно констатировать, что создание совершенных по металлоемкости, экономичных в изготовлении и надежных в эксплуатации сварных металлических конструкций механизированных крепей (МКМК) является одной из важнейших задач. Огромную роль при этом играет сварка. Использование сварочных технологий при производстве конструкций имеет ряд особенностей, без учета которых не могут быть получены надежные и экономичные сварные конструкции. Опыт эксплуатации сварных МКМК показывает наличие большого числа разрушений. Очагами разрушений сварных соединений, как правило, являются дефекты сварки, конструктивные несплошности, конструктивно-технологическая концентрация напряжений и деформаций. Существующие методы расчетов прочности МКМК ведутся в предположении, что они лишены трещин или подобных им дефектов. В свете проведенного анализа повреждений механизированных крепей, очевидно, что методику прочностных расчетов их металлоконструкций целесообразно пересмотреть на основе методов автоматизированного анализа (САЕ - computer-aided engineering) и современных подходов механики деформирования и разрушения, что позволяет комплексно учесть целый ряд факторов, способных существенно повлиять на результаты анализа. В этой связи, развитие системных методов применительно к расчету сварных МКМК, базирующихся на системном анализе и учитывающих вышеперечисленные особенности технологии изготовления и эксплуатации конструкций, их реализацию методами нелинейной механики деформирования и разрушения следует рассматривать как актуальную задачу обеспечения надежности механизированных крепей, имеющую важное значение для экономики Республики Казахстан (РК).
Научные результаты работы получены при выполнении заданий государственных научно-технических программ:
- "Научно-технические проблемы в машиностроении и создание высокоэффективных машин и аппаратов" на период 1993 - 1996 годы (научно-техническая программа № 0034 Министерства науки и новых технологий РК);
- "Разработка теории плоских и пространственных механизмов высоких классов со многими степенями свободы" в рамках фундаментальных исследований по теоретическим проблемам машиноведения и надежности машин на 1997 - 1999 годы (постановление коллегии Министерства науки - Академии наук РК № 22 от 24.04.97).
Цель работы. Разработка метода расчета сварных металлоконструкций механизированных крепей с учетом конструктивно-технологических факторов и создание системы автоматизированного анализа для обеспечения их прочности.
Идея работы заключается в создании системного подхода, охватывающего все уровни моделирования конструкции и ее деталей на основе механики разрушения и численных методов.
Задачи исследования. Поставленная цель потребовала, решения следую
щих основных задач: "-.-.. . ;
-
Проведение научно-обоснованного анализа разрушений узлов механизированных крепей и выявление основных факторов, влияющих на их несущую способность.
-
Развитие блочно-иерархического подхода к автоматизированному анализу напряженно-деформированного состояния металлоконструкций механизированных крепей на основе разработки расчетных схем с учетом трещинопо-добных дефектов.
-
Расчетные исследования напряженно-деформированного состояния металлоконструкций механизированных крепей с оценкой параметров их трещи-ностойкости после сварки и внешнего силового нагружения, включая автоматизированный анализ типовых сварных соединений.
-
Разработка алгоритмического и программного обеспечения системы автоматизированного анализа сварных металлоконструкций на стадии проектирования и эксплуатации на основе критериальных соотношений механики разрушения.
Научные положення.
-
Оценка нагрузок на металлоконструкцию механизированной крепи в конкретной геотехнической обстановке обеспечивается решением задачи моделирования остаточных прогибов с учетом упругопластического деформирования.
-
Прогнозирование критического состояния металлоконструкции механизированной крепи с трещиноподобными дефектами достигается путем использования критериев механики разрушения. При этом нелинейные эффекты в вершине трещины приводят к необходимости применения двухпараметриче-ских критериев механики разрушения.
-
Учет трещиноподобных дефектов и технологических факторов в реальных сварных соединениях металлоконструкций реализуется моделированием характерной формы сварных соединений и сварочных остаточных напряжений на основе нелинейного анализа при действии квазистатических нагрузок.
Научная новизна. В результате теоретических и экспериментальных ис-
следований развиты подходы к автоматизированному анализу сварных металлоконструкций механизированных крепей. На основе их системного анализа разработаны модели мета-, макро- и микроуровня крепи с трещиноподобными дефектами, комплексно учитывающие конструктивно-технологические факторы. Их отличие по сравнению с существующими подходами заключается в:
разработке метода исследования несущей способности сварных МКМК с трещиноподобными дефектами на основе блочно-иерархического подхода;
решении обратной задачи о напряженно-деформированном состоянии МКМК на основе замеренных значений остаточных прогибов, обеспечивающих адекватное отображение процесса нагружения;
создании расчетных формул для критериальных параметров механики разрушения в типовых сварных соединениях МКМК в зависимости от их геометрии, длины трещины, внешнего нагружения и механических свойств материала;
разработке алгоритмов расчета параметров трещиностоикости сварных МКМК с учетом сварочных остаточных напряжений и деформаций.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и результатов базируется на теоретических и расчетно-экспериментальных исследованиях напряженно-деформированного состояния МКМК и их узлов, на применении апробированного метода математического моделирования - метода конечных элементов и механики разрушения, а также применении соответствующего программного обеспечения.
Адекватность разработанных моделей проверена и подтверждена путем сопоставления результатов с экспериментальными данными, полученными как автором, так и другими исследователями.
Теоретическое и практическое значение. Разработанные основные положения системного подхода представляют основу расчета сварных МКМК, а так же позволяют проводить исследования в области несущей способности изделий данного класса технологических машин с трещиноподобными дефектами.
Практическая ценность работы заключается в:
разработке методики инженерного расчета прочности МКМК с учетом конструктивно-технологических факторов;
разработке алгоритмов и программного обеспечения проектного и проверочного расчетов статической и циклической трещиностоикости;
использовании регрессионных зависимостей, полученных в работе, для расчета критериального параметра - коэффициента упругопластической концентрации деформаций.
Реализация результатов работы.
Результаты теоретических и экспериментальных исследований параметров трещиностоикости, а также конструктивные мероприятия, направленные на повышение несущей способности МКМК, внедрены в ЗАО «КАРГОРМАШ-ИТЭКС» (г. Караганда). Методика оценки предельного состояния сварных металлоконструкций внедрена в ТОО "Механомонтаж"(г. Караганда).
Компьютерная система автоматизированного анализа и прогнозирования
характеристик живучести сварных металлоконструкций принята к использованию на предприятиях поднадзорных Госгортехнадзору Агентства по ЧС РК.
Результаты диссертационной работы так же нашли применение в учебном процессе при подготовке инженеров по специальностям "Горные машины и оборудование", "Системы автоматизированного проектирования" в Карагандинском государственном техническом университете.
Личный вклад автора. Автором диссертации: развит блочно-иерархический подход к автоматизированному анализу МКМК; проведены натурные исследования МКМК, выполнен анализ разрушений и установлены основные факторы, влияющие на несущую способность конструкции; созданы дискретные модели МКМК МІ30 для различных уровней моделирования на основе метода конечных элементов и реализован их автоматизированный анализ; разработаны рекомендации по выбору типов конечных элементов с учетом степени детализации модели; изучено напряженно-деформированное состояние (НДС) сварных соединений и узлов МКМК с целью разработки рекомендаций по повышению их несущей способности; получены регрессионные зависимости для параметров механики разрушения в зависимости от геометрии и материала металлоконструкции, внешних напряжений; развиты алгоритмы и программное обеспечение для оценки статической и циклической трещино-стойкости сварных соединений с трещиноподобными дефектами; выполнена апробация предложенного метода оценки прочности МКМК путем решения тестовых и практических задач и сравнительного анализа полученных результатов с экспериментальными данными.
Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и получили одобрение на научно-технических семинарах кафедры САПР Кар-ГТУ (1994-2000 гг.), на Международных научных конференциях: "Сварные конструкции" (Киев, 1995, 2000 гг.), 2-ой конгресс "Защита-95" (Москва, 1995); конференциях ANSYS "Компьютерное проектирование в 21 век" (Питсбург, США, 1996,1998 гг.), конгрессах NAFEMS "Проектирование, моделирование и оптимизация" (Штуттгарт, Германия, 1997, Ньюпорт, США, 1999 гг.); на всесоюзных научных конференциях и конференциях стран СНГ: "Современные проблемы механики горных пород" (Алматы, 1997), "Научно-технический прогресс-основа развития рыночной экономики" (Караганда, 1997), "Наука и образование - ведущий фактор стратегии "Казахстан 2030" (Караганда, 1998), "Прогрессивные техника и технология машиностроения и сварочного производства" (Киев, 1998 г.); и на 1-ой Казахстанской национальной геотехнической конференции (Акмола, 1997 г.).
Публикации. По результатам выполненных исследований подготовлено 4 научно-исследовательских отчета, опубликовано 18 печатных работ и учебное пособие.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, изложенных на 156 страницах машинописного текста, включает 62 рисунка, 14 таблиц, библиографии из 83 наименований и приложения.