Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Состояние вопроса оценки работы карьерных экскаваторов в условиях низких отрицательных температур. Цели и задачи исследования .
1.1 Анализ использования карьерных экскаваторов в условиях холодно го кл имата 10
1 .2 Оценка надёжности экскаваторного парка на основе анализа статистической информации о работе машин 14
1.3 Цели и задачи исследования 17
Глава 2 Физика процесса хрупкого разрушения основых узлов металлоконструкций карьерных экскаваторов
2.1 Напряжения и деформации в вершине трещины 19
2.1.1 Вершина трещины при циклическом нагружении 20
2.1.2 Предельное состояние материала в вершине трещины 27
2.1.3 Критерии предельного состояния линейно-упругого материала 28
2.1.4 Основные элементы линейной механики разрушения 36
2.2 Разрушение и теория дислокаций 44
2.3 Факторы, влияющие на живуч есть деталей машин 50
2.4 Вопросы накопления повреждений и оценки долговечности... 62
2.5 Исследование распространения трещин методами механики разрушения 67
2.6 Допустимые повреждения и контроль разрушения 75
2.7 Нестабильное развитие трещин при циклическом нагружении 78
2.8 Методы оценки живучести элементов металлоконструкций при нерегулярном нагружении 81
Выводы 93
Глава 3 Оценка ресурса основных узлов карьерных экскаваторов па основе статистических данных
3.1 Анализ работы карьерных экскаваторов 94
3.2 Методика обработки статистической информации 96
3.3 Анализ статистических данных по отказам основных узлов 101
3.4 Анализ факторов, влияющих на частоту отказов основных узлов карьерных экскаваторов
3.5 Корреляционный анализ статистических данных об отказах основных узлов металлоконструкций карьерных экскаваторов 106
3.6 Выводы 112
Глава 4 Моделирование напряженно-деформированного состояния металлоконструкций основных узлов экскаваторов
4.1 Натуральные испытания конструкций и современные методы моделирования эксплуатационных нагрузок 113
4.2 Постановка задачи определения напряженно-деформированного состояния конструкции основных узлов машин .. 115
4.3 Основная концепция метода конечных элементов 117
4.4 Алгоритм решения инженерных задач на основе метода конечных элементов 118
4.5 Пример расчёта основных узлов металлоконструкций карьерных экскаваторов в системе MSC/NASTRAN for Windows,.. 121
4.6 Выводы 130
Глава 5 Достижение целей исследования
5.1 Методика и алгоритм прогнозирования ресурса основных узлов металлоконструкций карьерных экскаваторов 131
5.2 Расчёт экономической эффективности результатов работы 139
5.3 Выводы 141
Заключение 143
Библиографический список 145
Приложения 159
- Оценка надёжности экскаваторного парка на основе анализа статистической информации о работе машин
- Вершина трещины при циклическом нагружении
- Анализ статистических данных по отказам основных узлов
- Постановка задачи определения напряженно-деформированного состояния конструкции основных узлов машин
Введение к работе
Холодный климат регионов Восточной Сибири и Севера страны, где преобладают низкие отрицательные температуры воздуха, неблагоприятно воздействует на надёжность экскаваторов и эффективность работы машин. Влияние климата проявляется в снижении производительности экскаваторов в зимнее время года на 15-20%, в росте трудоёмкости ремонтных работ и уровне затрат на техническое обслуживание машин и, как следствие, сокращении срока службы оборудования. Неблагоприятному влиянию холодного климата наиболее подвержены основные узлы металлоконструкций экскаваторов, такие как стрела, рукоять, ковш, двуногая стойка, седловой подшипник, натяжная ось и др. Выход из строя таких узлов приводит к значительным простоям экскаваторов, восстановление которых связано с повышенной трудоемкостью ремонтных работ.
Переход экскаваторов из рабочего состояния в неработоспособное происходит скачком в результате внезапного отказа в большинстве случаен вследствие хрупких разрушений основных узлов металлоконструкций машин, что существенно нарушает ритмичность работы предприятия, поскольку аварийные ремонты более трудоёмки и продолжительны, чем плановые. Хрупкие разрушения основных узлов металлоконструкций экскаватороп зависят от комплекса факторов, основными из которых являются: динамические нагрузки, отрицательные температуры, форма конструкции, остаточные деформации, качество металла, масштабный эффект и др.
Проблемам повышения эффективности использования одноковшовых карьерных экскаваторов уделено большое внимание ряда ведущих учёных, основными из них являются работы П.И.Коха, Г.И Солода, В.И Солода, Р.Ю.Подэрни, Д.Е.Махно, А.И.Шадрина и др. Также следует отметить научные труды, посвященные проблеме оценки ресурса металлоконструкций с позиции физики твёрдого тела, анализу напряжённо-деформированного состояния конструкций при циклических нагрузках, а также физике процесса хрупкого
разрушения металлов. Основными работами в этой области являются исследования Дж.А.Колинза, В.М.Финкеля, В.В.Болотина, А.Н.Красовского, В.Т.Трощенко, В.П.Когаева, и др.
На основании выше сказанного можно констатировать, что оценка ресурса основных узлов металлоконструкций карьерных одноковшовых экскаваторов во взаимосвязи с факторами воздействия внешней среды в целях обоснования их количества для своевременного ремонта техники является весьма актуальной задачей, решение которой гарантирует повышение эффективности использования горного оборудования, работающего в регионах холодного климата.
Цель работы:
Прогнозирование ресурса основных узлов металлоконструкций экскаваторов в целях обоснования их количества, необходимого для своевременного ремонта техники в условиях холодного климата.
Идея работы заключается в прогнозировании ресурса основных узлов металлоконструкций карьерных экскаваторов на основе специально разработанной программы, учитывающей число циклов нагружения, критический размер хрупкой трещины, уровень ожидаемой нагрузки и характер её распределения, специфику условий работы экскаваторов.
Задачи исследования;
" сбор и обработка статистической информации, характеризующей
фактические значения ресурса узлов металлоконструкций экскаваторов;
анализ, систематизация и классификация причин хрупких разрушений конструкций;
обосноваЕше аналитического подхода к расчёту времени наступления предельного состояния конструкций;
обоснование методов математического моделирования работы основных узлов машин в условиях неблагоприятного воздействия факторов внешней среды;
моделирование нагруженное элементов металлоконструкций основных узлов экскаваторов во взаимосвязи с условия.ми эксплуатации оборудования;
обоснование необходимого объёма основных узлов и агрегатов машин для эффективной эксплуатации экскаваторов
Методика решения поставленных задач базируется на комплексном подходе к исследованиям, включающем: анализ литературных источников по физике процесса хрупких разрушений; анализ статистических данных о работе металлоконструкций карьерных экскаваторов с использованием методов математической статистики и теории вероятности; моделирование работы основных узлов металлоконструкций карьерных экскаваторов посредством системы MSC/Nastran, имитирующей различные условия эксплуатации оборудования; аналитическую оценку предела живучести металлоконструкций на основе расчёта критической длины трещины в основных узлах металлоконструкций машин.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
1. Хрупкие разрушения основных узлов металлоконструкций
экскаваторов зависят от комплекса факторов воздействия, основными из
которых являются: уровень внешних нагрузок, количество выполненных
циклон экскавации, значения отрицательных температур, форма
конструкции и её размеры, качество проведения ремонтно-
восстановительных работ.
2. 'Моделирование напряженно-деформированного состояния,
имитирующее эксплуатационные условия работы металлоконструкций
основных узлов экскаваторов, позволяет выявить величины напряжений и
опасные сечения конструкций в целях их контроля при техническом
обслуживании машин,
3. Прогнозирование ресурса основных узлов металлоконструкций
карьерных экскаваторов должно производиться на основе оценки
комплекса факторов, основными из которых являются: критический
размер хрупкой трещины, число циклов нагружения, температура
окружающей среды по специально разработанной методике.
Достоверность и обоснованность научных положений и выводов подтверждается значительным объёмом статистической информации, характеризующей работу карьерных экскаваторов; согласованностью теоретических исследований с результатами экспериментального моделирования работы основных узлов металлоконструкций машин, позволяющими делать выводы с доверительной вероятностью не ниже 90%.
Научная новизна работы заключается в следующем:
выявлена взаимосвязь хрупких разрушений основных узлов металлоконструкций экскаваторов с факторами воздействия внешней среды;
разработана методика моделирования напряжений и характера их распределения в сечениях конструкций экскаваторов на базе системы MSC/NASTRAN;
обоснован подход к аналитической оценке критической величины хрупкой трещины, предшествующей началу разрушения конструкции;
на основе статистической информации установлены аналитические зависимости между критическим числом циклов нагружения и факторами воздействия внешней среды для основных узлов металлоконструкций экскаваторов;
1 разработана методика прогнозирования ресурса основных узлов металлоконструкций одноковшовых карьерных экскаваторов. Практическая значимость работы заключается в разработке нового подхода к организации обслуживания и ремонта экскаваторов на основе оценки технического состояния основных узлов металлоконструкций экскаваторов. Предлагаемая методика прогнозирования ресурса основных узлов машин заложена в основу норм расхода запасных частей и материалов, а также системы ППР горного оборудования, принятых к внедрению в условиях АК "АЛРОСЛ".
Апробация работы:
Основные идеи выполненных исследований и разработок докладывались и обсуждались на традиционных научно-технических конференциях Иркутского государственного технического университета в 2001-2004гг.; международной конференции, посвященной памяти Л.Л.Игошина; на заседаниях кафедры горных машин и рудничного транспорта Иркутского государственного технического университета.
Публикации:
По теме диссертации опубликовано пять печатных работ в научно-технических журналах, сборниках научных трудов и материалах научно-технических конференций.
Объём и структура работы:
Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка из 139 наименований и 2 приложений. Диссертация изложена на 166 страницах и содержит 44 рисунка, 32 таблицы.
Работа выполнялась в 2001-2004 годах в Иркутском государственном техническом университете на кафедре горных машин и рудничного транспорта в соответствии с плановой тематикой НИР вуза,
Автор выражает благодарность доцентам А.И.Шадрину, A.M. Авдееву, А. А.Пыхало ву за научно-методическую помощь и практические советы в процессе работы над диссертацией; техническим работникам Коршуновского ГОКа за содействие в сборе исходной информации, характеризующей работу карьерных экскаваторов; особая признательность научному руководителю д.т.н., профессору Д.Е.Махно.
Оценка надёжности экскаваторного парка на основе анализа статистической информации о работе машин
Оценка эффективных сроков службы машин в регионах Севера нашла отражение в ряде работ лишь применительно к отдельным типам экскаваторов без достаточного анализа трудозатрат на капитальные ремонты машин. Остались без внимания вопросы эффективных сроков службы всего многообразия карьерного оборудования, а также проблемы организации и механизации проведения ремонтов техники, непосредственно связанные с восстановлением ресурса машин, работающих в регионах холодного климата.
Для разработки эффективных мероприятий по защите металлоконструкций экскаваторов от разрушений, прежде всего хрупких, следует учитывать комплекс факторов, включающих: количество циклов экскавации, выполненных металлоконструкцией; величину нагрузок и формируемых ими напряжений; уровень отрицательных температур. В основе оценки критических отрицательных температур лежит методика стандартных испытаний малых стальных образцов на изгиб со специальным надрезом, имитирующим хрупкую трещину. С учётом малых размеров испытываемых образцов и условий искусственной имитации хрупкой трещины принятая методика не отвечает в полной мере фактическому состоянию работы металлоконструкций экскаватора. При этом совершенно не учитываются такие факторы, как особенность конструктивных форм отдельных узлов и деталей машин, характер нагрузки и формируемых напряжений, масштабный эффект, которые существенно сказываются на работе экскаваторов в условиях воздействия низких отрицательных температур, Это подтверждается анализом статистических данных, характеризующих особенности хрупких разрушений основных узлов металлоконструкций карьерных экскаваторов, распределённых по интервалам отрицательных температур, в сравнении с гарантированным уровнем ударной вязкости-стали по результатам стандартных испытаний малых образцов на изгиб. [51]. В таблице 1.1 приведены эти данные для основных типов карьерных экскаваторов, работающих в условиях Севера. В основу фактических данных положены результаты длительных наблюдений за работой машин в условиях Коршуновского ГОКа {Иркутская область).
Полученные результаты характеризуют сдвиг статистической оценки критических значений отрицательных температур в сторону положительных их значений по сравнению с испытаниями стандартных образцов. Так, несмотря на сравнительно высокий порог хладноломкости применяемых сталей -40-60С, гарантируемый заводами-изготовителями на основе методики стандартных испытаний стальных образцов на изгиб, фактические значения критических температур находятся в интервал ах-3 5-40 С. Кроме того, установлено, что вместе с экстремальными значениями опасны температуры в интервале от -15 до -25С, которые отмечаются в весенний и осенний периоды года и обычно сопровождаются значительными суточными амплитудами колебания температур, достигающими 20-25 С.
Резкие перепады температур вызывают перераспределение напряжений в массивных узлах металлоконструкций машин, что повышает опасность возникновения в них хрупких разрушений. Это подтверждается графиком распределения частоты отказов экскаваторов в течение года (рис.1.1),который показывает, что наибольшее число отказов приходится на январь, февраль и декабрь месяцы. Возрастает частота отказов и в весенне-осенний периоды года, для которых характерны высокие колебания суточных температур.
Ранее выполненные исследования показывают, что причины хрупких разрушений, прежде всего, связаны с дополнительным влиянием таких факторов, как динамический характер прикладываемых нагрузок, резкие концентрации напряжений в местах несовершенных форм конструкций. Как правило, трещины зарождаются в местах резких изменений сечения, зонах сварных швов, технологических отверстий, что свидетельствует о том, что причина их появления и развития - резкая концентрация напряжений в локальных сечениях конструкций. Таким образом, причину хрупких разрушений нельзя рассматривать лишь только во взаимосвязи работы металла с условиями неблагоприятного влияния отрицательных температур, это более емкий процесс, требующий глубоких исследований.
Прежде всего, необходимо чёткое представление о физике процесса хрупкого разрушения, способного объяснить различие между теоретической и фактической прочностью металлоконструкций экскаваторов. Необходимо уделить особое внимание вопросам распространения трещин при циклическом нагружении конструкций машин, а также определить наступление предельного состояния материала. Для этой оценки требуется разработка методики, способной описать процесс накопления повреждений металлоконструкций экскаваторов в ходе их эксплуатации, в зависимости от условий воздействия внешней среды.
Анализ вышесказанного позволил сформировать цель исследования следующим образом: Прогнозирование ресурса основных узлов металлоконструкций экскаваторов в целях обоснования их количества, необходимого для своевременного ремонта техники в условиях холодного климата. Достижение данной цели невозможно без решения ряда конкретных задач: ? сбор и обработка статистической информации, характеризующей фактические значения ресурса узлов металлоконструкций экскаваторов; ? анализ, систематизация и классификация причин хрупких разрушений конструкций; ? обоснование аналитического подхода к расчёту времени наступления предельного состояния конструкций; ? обоснование методов математического моделирования работы основных узлов машин в условиях неблагоприятного воздействия факторов внешней среды; ? моделирование нагруженности элементов металлоконструкций основных узлов экскаваторов во взаимосвязи с условиями эксплуатации оборудования; ? обоснование необходимого объёма основных узлов и агрегатов машин для эффективной эксплуатации экскаваторов
Вершина трещины при циклическом нагружении
Действие на деталь с трещиной циклически изменяющихся нагрузок один из наиболее распространенных факторов, стимулирующих докритический рост трещины. Растущая по механизму усталости трещина, в конце концов, может стать критической и привести к окончательному разрушению детали. Последовательность процессов: зарождение микротрещины - развитие трещины усталости - мгновенное хрупкое разрушение чаще всего встречается на практике. Поэтому изучение процесса распространения трещин усталости имеет непосредственное отношение к проблеме хрупкости материалов. Однако сам процесс распространения трещины усталости связан с изменениями, происходящими в малой окрестности вершины трещины при циклическом нагружении. Поэтому окончательное понимание этого процесса возможно на основе изучения поведения материала в вершине трещины под воздействием циклически изменяющихся напряжений [44, 126].
Линейно-упругий материал. Поскольку в рамках теории упругости вес деформации обратимы, на основе одной этой теории не может быть построена последовательная модель распространения трещины усталости. Необходимо введение дополнительных механизмов необратимых изменений в вершине трещины, приводящих к необратимому продвижению вершины трещины усталости. Опыт показывает [10, 29], что в особых условиях продвижению трещины может способствовать скол, однако такой механизм вряд ли типичен для усталостного разрушения пластичных конструкционных материалов. Основными факторами, обеспечивающими продвижение трещины за цикл, являются, как правило, пластическая деформация, локализованная в вершине трещины, и вызванное ею пластическое затупление вершины на полуцикле растяжения.
Однако, хотя на основании только теории упругости невозможно учесть необратимые изменения в вершине трещины, было бы неправильным считать, что решение задачи теории упругости для тела с трещиной нельзя использовать для анализа процесса распространения трещины усталости. Справедливость асимптотического решения не нарушается, если в вершине трещины допустить существование некоторой зоны нелинейности. Важно только, чтобы эта зона была невелика по сравнению с характерным линейным размером тела (например, длиной трещины). При усталостном разрушении многих материалов это требование соблюдается в широком интервале режимов нагружения, поэтому часто наблюдается хорошая корреляция между скоростью трещины и размахом коэффициента интенсивности напряжений, а продвижение трещины за цикл нагружения имеет порядок раскрытия трещины.
В этом случае формально поле напряжений за пределами пластической зоны описывается соотношениями линейной теории упругости, а события в вершине трещины нормального раскрытия контролируются единственным параметром - коэффициентом интенсивности напряжений. Тем не менее, наличие зоны нелинейности в вершине трещины при циклическом нагружепии вносит ряд принципиальных особенностей, которые не могут быть описаны в рамках классической теории упругости.
Упруго-пластический материал. Первым принципиальным моментом является поведение пластической зоны при нагружении в полуцикле растяжения и последующей разгрузке. При разгрузке окружающий зону упруго-деформированный материал будет разгружаться, вынуждая пластическую зону приспосабливаться путем нового пластического течения. Это вызовет появление в вершине трещины новой пластической зоны - зоны сжатия. Пластическая зона сжатия своими размерами может перекрывать область процесса разрушения, соизмеримую с раскрытием трещины, и не может не влиять на этот процесс.
Второй принципиальный момент связан с механическими свойствами материала при циклическом нагружении. Известно, что разные материалы неодинаково реагируют на циклическую нагрузку: одни циклически упрочняются, другие разупрочняются. Роль этих свойств в связи с эффектом Баушингера весьма велика в формировании зоны предразрушения. Они оказывают определяющее влияние и на стабилизацию процесса разрушения после аномального (программированного или случайного) отклонения нагрузки, в связи с чем, может наблюдаться ускорение или замедление развития трещины.
Третий принципиальный момент связан с закрытием вершины трещины. При идеально упругом поведении материала вершина трещины начинает закрываться по мере снижения нагрузки. При полной разгрузке трещина существует в виде математически бесконечно тонкой щели - разреза. Наличие даже малой зоны необратимых деформаций в вершине трещины приводит к тому, что процесс закрытия трещины должен протекать по-иному. Установление момента закрытия вершины трещины (при разгрузке или на полуцикле сжатия) имеет принципиальное значение, так как после закрытия вершины трещина перестает быть трещиной и понятие коэффициента интенсивности напряжений для нее неприменимо. Поэтому при анализе скорости распространения трещин необходимо учитывать эффективный размах коэффициента интенсивности напряжений, равный разности значений этих коэффициентов в моменты максимума нагрузки и закрытия вершины трещины.
Эффективность этого механизма должна зависеть от особенностей пластического течения в вершине трещины. Однако является ли он результатом одного пластического затупления вершины или обусловлен накоплением повреждений в материале однозначно не установлено.
Отмеченные выше обстоятельства затрудняют точное аналитическое решение упруго-пластической задачи для тела с трещиной, подверженного циклически изменяющейся нагрузке. В этой связи используются упрощенные подходы, основанные на выделении основного эффекта и пренебрежении остальными. Он распространяется на случай пропорционального нагружения (L параметр, пропорционально которому изменяются все компоненты напряжений) и основан на представлении трещины в состоянии разгрузки L -А L как суперпозиции двух состояний (рис. 2.2). Прибавление состояния б для нагрузки -AL и удвоенного предела текучести к состоянию, а дает результирующее решение е после разгрузки от L до L -A L Повторное нагружение от L-A L до L возвращает систему в состояние а. Для пропорционального нагружения эффект разгрузки состоит в изменении знака напряжений в области, где происходит пластическая деформация разгрузки. Поэтому изменение напряжений, деформаций и смещений в процессе разгрузки можно выразить решением, которое используется для случая монотонного нагружения. Необходимо только заменить в нем параметр нагружения величиной разгрузки Л L а предел текучести и соответствующую ему деформацию следует взять вдвое большими, чтобы в результате сложения двух состояний получить реальные напряжения в зоне разгрузки.
Анализ статистических данных по отказам основных узлов
Поскольку объектом исследования по прогнозированию ресурса являются основные узлы металлоконструкций карьерных экскаваторов, из всего многообразия отказов были выбраны только те, которые связаны с основными узлами. По материалам исходных форм были построены диаграммы распределения наработки на отказ по каждому основному узлу металлоконструкций экскаваторов .
Максимальное количество отказов приходится на рукоять экскаватора, и это не случайно, поскольку её массивная конструкция подвержена воздействию знакопеременных динамических нагрузок, что во взаимосвязи с влиянием внутренних температурных напряжений, возникающих в зимний период эксплуатации и при резких колебаниях температуры в весенне-осенний период, приводит к частым отказам.
Другие узлы также подвержены отказам, причину этого, видимо, следует искать в некачественной отливке и недостаточной прочности применяемых материалов, а также несовершенстве конструкций, наличии концентраторов напряжений в местах резких изменений сечения металлоконструкций машин.
Для определения значимости каждого из факторов, влияющих на работоспособность основных узлов металлоконструкций карьерных экскаваторов, все данные об отказах были систематизированы по критериям, описанным выше. На основе эти данных были построены диаграммы распределения наработки на отказ в зависимости от преобладающего влияющего фактора (см.приложение 1). Количество отказов, связанное с тем или иным влияющим фактором распределилось следующим образом (рис.3.6).
Наряду с этим наблюдаются отказы и в летний период эксплуатации, что, вероятно, связано с плохой подготовкой забоя вследствие некачественного ведения буровзрывных работ. Этот критерий учитывает также и влияние категории разрабатываемого экскаваторами грунта. Так, к примеру, машина, работавшая на отвале, имела за весь период наблюдений всего один отказ, а машины, работающие в более тяжёлых условиях рудничного забоя (IV-V категория грунта), за тот же период - по 30-50 отказов.
Анализ влияющего фактора, характеризующего отказ базового узла с позиции квалификации обслуживающего персонала, как машинистов, так и ремонтных рабочих, показывает неэффективность использования горного оборудования. Так, к примеру, можно проследить следующую картину, характерную для всего парка машин - почти всегда первый отказ базового узла, будь то от начала эксплуатации, либо от капитального ремонта, происходит при наработке в 10 циклов экскавации, а следующий за ним отказ этого же узла происходит через 10 циклов экскавации. Бывают случаи, когда ранее восстановленный узел отказывает уже через 103—104 циклов экскавации, что соответствует всего нескольким дням эксплуатации. Причину этого следует рассматривать в последствии ремонтных воздействия на оборудование; возникновении дополнительных концентраторов напряжений, изменении структуры металла и отсутствии специальных мероприятий по дополнительному упрочнению металлоконструкций.
Среди всего многообразия влияющих факторов выявлена следующая закономерность: базовые узлы, отремонтированные и запущенные в эксплуатацию в период положительных температур, в целом нарабатывают на отказ на 20-60% больше времени, чем подобные им узлы с периодом пуска экскаватора в холодное время года. Данное явление можно объяснить с позиции физики процесса распространения усталостных трещин. В летние месяцы года происходит увеличение зоны пластических деформаций в вершине трещины, что способствует замедлению её последующего роста.
Эксплуатация экскаваторов в зимние месяцы сказывается на снижении общей продолжительности наработки машины, что, вероятно, связанно с накоплением хрупких трещин, развивающихся в теле конструкций в период воздействия низких отрицательных температур, а также при их резких суточных колебаниях в весенне-осенний период года.
Согласно рис.3.6 вторым по значимости среди факторов, влияющих на количество отказов, является комбинированный фактор, учитывающий интеграцию совместного влияния категории грунта и квалификации обслуживающего персонала. В период неблагоприятного воздействия низких отрицательных температур при одновременном влиянии фактора категории грунта происходит наложение так называемого человеческого фактора, что приводит к большему количеству отказов.
Постановка задачи определения напряженно-деформированного состояния конструкции основных узлов машин
Метод конечных элементов (МКЭ) применяется для различных задач механики деформируемого твердого тела, гидро- и газодинамики, электромагнетизма и т.д. В данном случае рассматривается МКЭ применительно к решению задач прочности и долговечности основных узлов металлоконструкций карьерных экскаваторов. Одной из основных задач в данной области является задача определения напряженно-деформированного состояния (НДС) конструкций (или более строго - твердого тела) при заданных условиях термомеханического нагружения. Конечной задачей определения НДС основных узлов является отыскание в каждой точке конструкции напряжений, деформаций и перемещений, возЕїикаїощих в ней в результате воздействий на конструкцию механических, тепловых и других Еіагрузок в процессе ее реальной работы в составе экскаватора. При решении задач статической прочности максимальные напряжения являются основой для вычисления запасов прочности и оценки прочности конструкции. При решении задач определения НДС Еіеобходимо отыскать поля перемещений, деформаций и напряжений при заданной геометрии, свойствах материалов, нагрузок и граничных условий. Такая постановка задачи называется прямой и, как правило, именно прямая задача решается в практической деятельности в процессе проектирования машин и других механических конструкций. Возможна и обратная постановка задачи, когда по известным функциям перемещений, деформаций и напряжений находят нагрузки, воздействующие на конструкцию, которые удовлетворяют заданным функциям. Таким образом, для решения задачи НДС твердого деформируемого тела необходимо определить в каждой точке три компоненты перемещения 5, шесть компонент деформации и шесть компонент напряжений, всего 15 неизвестных.
Для нахождения 15-ти неизвестных необходимо иметь замкнутую систему из 15-ти уравнений. С этой целью, как правило, используются три уравнения статического равновесия, шесть геометрических уравнений( уравнений Коши) и шесть физических уравнений. Эти уравнения используются при выводе соотношений МКЭ [86, 138].
Для решения задачи НДС методом перемещений необходимо, в первую очередь, определить во всех точках конструкции вектор перемещений, возникающих под действием нагрузок. Другими словами: определить поле перемещений. Так как число точек в теле бесконечно, то число неизвестных также бесконечно. Поэтому решение определяется в виде функций, выраженных через уравнения. Даже для элементарных геометрических тел, находящихся под воздействием простой системы сил, вывод уравнений для определения поля перемещений - это очень сложная задача. И практически невозможно вывести аналитические зависимости для реальных сложных пространственных конструкций.
Главная идея МКЭ заключается в том, что: 1. Любая сложная пространственная конструкция может быть разбита воображаемыми поверхностными линиями на элементарной формы объемы (конечные элементы), для которых можно вычислить их жесткостные характеристики на основе их элементарной геометрии и известных свойств материалов. 2. На элементах фиксируется конечное число узлов и считается, что конечные элементы соединяются между собой в этих узлах. Нумеруются узлы и элементы. Эта операция часто называется генерацией конечно-элементной сетки. 3. Значения перемещений рассматриваются как неизвестные только в этих узлах. Таким образом, число неизвестных от бесконечности сводится к какому-то определенному числу. Для элементов устанавливаются наперед заданные законы аппроксимации в виде полиномов (линейные, квадратичные и т.д.). После определения перемещений в узлах в пределах любого элемента перемещение может быть определено путем аппроксимации с помощью заданного полинома.
Аналитический, или процессорный, блок - это непосредственное решение глобальной системы алгебраических уравнений, полученной после реализации вариационного подхода МКЭ для решения дифференциального уравнения рассматриваемого физического процесса. Результатом этого решения является определение поля неизвестной ВЄЛИЧИЕІЬІ в узловых точках конечно-элементной модели объекта. Относительно этой величины определяются другие -зависимые величины.
Работа пост-процессорного блока направлена, в основном, на визуализацию результатов счета. Для этого блок предполагает широкий набор инструментов. Например: использование цветовой гаммы видимого спектра светового излучения в зависимости от интенсивности распределения визуализируемой величины, представление величин в виде изо-поверхностей равного сопротивления; визуализация различного рода сечений области определения и многие другие. При расчете объекта на прочность, визуализируются: вектора перемещений, деформаций, напряжений, сил, моментов и другие необходимые свойства.
Пост-процессорный блок настроен на любой тип решаемой задачи, в зависимости от физики рассматриваемого объективного процесса. Здесь же имеет место блок оптимизации, в котором можно задать либо ограничение, либо целевую функцию, вернуться в препроцессорный блок, и повторить расчет, то есть оценить влияние вносимых изменений для доводки проектируемого изделия.
Оптимизация проектов может проводиться единовременно, то есть путем вариации параметров формы, размеров и свойств объектов, обрабатывая неограниченное число проектных характеристик и ограничений. Алгоритмы анализа при оптимизации позволяют исследовать влияние различных параметров па поведение целевой функции и управлять процессом поиска
