Введение к работе
Актуальность проблемы. Одной из зэаных задач технического прогресса является повышение кэчестзэ, надежности и долговечности машин при одновременном снижении их металлоемкости. Высокие эксплуатационные качества новых машин доланы закладываться на стадии проектирования. Отсюда вытекает необходимость и актуальность исследований, направленных на уточнение существующих и создание новых, более совершенных методов расчета элементов машин.Безотказна я работа любой машины зависит от нэденности ее элементов, к которым следует отнести и фланцевые соединения.
В конструкциях современных машин находят широкое применение фланцевые соединения. Их применяют для создания конструктивных, технологических и эксплуатационных разъемов в корпусах машин, для крепления агрегатов и узлов к корпусам, для соединения ыеаду собой отдельных деталей, узлов и т.д. Подавляющее большинство резьбовых деталей (болтов, винтов, шпилек) предназначено для соединения мезэду собой фланцев. В современном авиационном двигателе насчитывается насколько десятков фланцевых соединений. В их число входят такие ответственные соединения, нэк крепления дисков турбин и компрессоров к валам, крепления частей валов мегду собой и.г.д*
Несмотря на широкое распространение фланцевых соединений, теория, методы их расчета и проектирования разработаны недостаточно. Как показывает опыт эксплуатации машин, в настоящее время проблема надеаности фланцевых соединений является весьма актуальной. Примером тому могут слунигь выходы из строя двигателей, аварии на электростанциях, на магистральных трубопроводах и т.д., обусловленные поломками фланцевых соединений.
Нздежносіь фланцевых соединений неразрывно связана с прочностью болтов, фланцев, с потерей плотности или герметичности стыков и т.д. Эта проблема в настоящее время разбита на ряд частных задач, которые решаются изолированно. Более того, их решения излоаены в различных разделах технической литературы. Например, прочность болтов рассматривают в литературе по деталям машин, прочность фланцев - в литературе по сопротивлению материалов, а проблеыы плотности и герметичности стыков - в специальной литературе по надзяностн машин и аппаратуры. Такое расчленение проб-
лемы обусловлено ее слозиостьо и естественным стремлением упростить решение.Иэтоды решения частных зздзч были созданы з начале нэиего столетия. Они получали развитие, усовершенствовались и доминируют в настоящее время. Эти методы содерзэт расчетные схемы, которые не только не согласованы, но и во многих своих положениях противоречат друг другу, что вызывает сомнения в точности результатов расчета. Такое состояние проблемы заставляет искать новые подходы к эе решению. Поэтому разработка теории расчета фланцевых соединений и построение на эе основе универсальных методов расчета, позволяющих комплексно решить проблему, является актуальной задачей современной науки, отвечающей требованиям научно-технического прогресса.
Большое количество публикаций з отечественной и в зарубежной технической литературе свидетельствует об интересе исследователей к данной теме, что тзкге подтверадэет аэ актуальность.
Наиболее значительные работы в области расчетов фланцевых соэдинений выполнены Еиргароы И.А., Иосилевичем Г.Б., Павловш П.А, Буговым А.У., Волошиным А.А. Из зэрубэкных исследователей извест- . ны работы Уотерсэ, Шнайдера, Ито и других ученых.
Следует отметить, что данная тема постоянно включена з "Координационные планы работ НИИ, КБ и ВУЗов по унификации и стандартизации методов расчета нагрузочной способности и геометрии детэлэй и узлов машин", составляемые Госстандартом СССР. Работы на эту же таму проводились для авиационной промышленности. Автор данной диссартации был ответственным исполнителем этих разработок, и им выпущен ряд нормативно-технических документов, посвященных расчету фланцевых соединений.
Цель работы. Создать теорию расчета, которая послужила бы основой для разработки новых универсальных методов расчета и проектирования фланцевых соединений. Эти методы долины дать воз-моаносгь поднять качество проектируемых узлов, повысить надежность машин, снизить количество поломок деталей в процессе эксплуатации изделий, установить рабочие и предельно допустимые нагрузки, вести проекгировэние с учетом заданных технических требований, создавать конструкции, отвечающие современному уровню техники.
Методологический подход , принятый в данной работе, характеризуется тем, 420 рассматриваются деформации всей конструкции 4
фланцевого соединения, а на только ограниченного объема латериа-лз фланцев вблизи болтов, как принято в традиционных подходах. В этой случае учитываются деформации не только пластинок, но и приленэщих к ниы оболочек. Кроме того, рассматривается совместная контактная деформация взаимодействующих между собой фланцев.
На защиту выносится:
модель фланцевого соединения з виде массивов без разделения фланцев на пластинки и оболочки;
модели фланцевых соединений более низкого уровня,когда фланцы предстэзлены состоящими из пластинок, упруго заделанных в оболочки;
теория расчета фланцевых соединений, базирующаяся на современных представлениях механики деформирования фланцев и опирающаяся на математический аппарат теории упругости;
общий метод расчета фланцевых соединений с применением функций влияния;
решение контактных зедач с переменной площадью контакта;
методы расчета полосовых, кольцевых контактирующих и некой тактирующих фланцевых соединений;
результаты теоретических исследований фланцевых соединений;
результаты экспериментальных исследований фланцевых соединений;
рекомендации по совершенствованию конструкции фланцевых соединений,
Научная новизна. Научной новизной отличаются следующие положения данной работы:
методологический подход к решению проблемы, заключающийся в рассмотрении совместных деформаций всего узла в целом, включая взаимодействующие между собой пластинки и оболочки фланцев;
модель фланца как целого массива баз разделения на пластинку и оболочку;
теория расчета фланцевых соединений с привлечением математического аппарата теории упругости с учетом особенностей модели фланцевых соединений;
модель фланцевого соединения более низкого уровня на основа теории стержней, пластинок и оболочек, с учетом изгибных деформаций всех ее элементов;
решение контактной задачи с переменной площадью контакта
и se реализация для флэнцезых соединений;
общий метод расчета фланцевых соединений, базирующийся на положениях теории;
расчет функций влияния методом конечных элементов;
методы расчетов фланцев с полосовой формой стыка, круглых кольцевых контактирующих и неконтэктирующих фланцевых соединений;
результаты теоретических исследований фланцевых соединений
результаты экспериментальных исследований фланцевых соединений;
рекомендации по совершенствованию проектирования фланцевых соединений.
Достоверность основных научных подраєний и выводов по работе Основные полоаения и выводы по работе хорошо согласуются с современными представлениями о процессе деформирования фланцев. При этой теоретические полоаения и результаты расчетов сопоставлены с результатами экспериментов. Хорошее совпаданиз этих результатов свидетельствует о достоверности теории и методов расчета, изложенных в данной работе. Корректность принятых математических поделай подтверждена результатами экспериментальных исследований, выполненных для целого ряда реальных конструкций фланцевых соединение.
Практическая ценность результатов работы заключается в том, что разработаны модели фланцевых соединений, теория их расчета, на основании которых моано представить реальную картину деформирования соединения. Созданы методы расчетов, позволяющие не только рассчитать усилия и напряжения в элементах фланцевого соединения, но и выполнить анализ с целью получения рациональной конструкции. Созданы алгоритмы и программы для расчета соединений на ЭВМ, которые могут быть использованы в библиотеках САПР для решения широкого круга задач при проектировании фланцевых соединений.
Результаты данной научной работы способствуют повышению качества, надеяносги и долговечности проактируемых машин, установок и аппаратов.
Реализация результатов работы. На основании проведенных исследований автором данной работы изданы нормативно-технические документы для авиационной и обцемэшносгроительной отраслей про-6
мышленности:
РТМ. Соединения резьбовые. Расчет на прочность. Упрощенная методика. Ив г одические рекомендации. -!!.: Из-во ВНШШІАШ, 1980,-48 с.
РТЫ. Расчет на прочность резьбовых соединений ГТД.- И.: Из-во ЩІАІІ, 1980.- 27 с.
Резьбовые соединения, В кн. Нормы прочности авиационных ГТД. Раздел 13. Издание Ь,- И.: Из-во ЦИМ, 1982,- С.129-135.
Последний нормативно-технический документ внедрен на предприятиях МАП приказом Министра и введен в действие с 0І.ХП.82 г.
Кроме того, методики расчета и пакеты программ внедрены на некоторых предприятиях страны и по ним выполняют расчеты реальных фланцевых соединений ( о чем свидетельствуют акты внедрений). Материалы исследований внедрены в учебный процесс.
Публикации. Научные исследования автора по данной теме велись с 1962 года. За этот период было выполнено около 60 работ, из них 35 опубликовано в изданиях, утвержденных ВАК СССР для освещения научных результатов докторских диссертаций. Более 80$ результатов исследований по данной теме опубликовано в периодических изданиях. Издано учебное пособие: Ковган СТ. Расчет герметичных соединений. - П.: Машиностроение. 1984,- 59 с.
По материалам, научных исследований издана монография,, обобщающая существующие сведения по расчету фланцевых соединений и описывающая новые подходы к решению проблемы, включая теорию и методы расчета фланцев.
Апробация работы. Основные материалы исследования были доложены и обсуждены на нескольких Всесоюзных научно-технических конференциях и совещаниях в период с 1973 по 1988 годы.
Автор выступал с научными докладами по теме диссертации на:
Всесоюзной научно-технической конференции "Вопросы стандартизации и унификации методов расчетов деталей общемашиностроительного применения", 22-25 октября 1973 г. в г. Икевске;
Всесоюзной научно-технической конференции "Прогрессивные методы повышения прочностных характеристик крепежных соединений,обес-печивэщих надежную работу изделий машиностроения", 1981 г. в г.Уфе;
Второй Всесоюзной конференции "Технологическое управление три-ботехничесними характеристиками узлов машин", 27-29 ноября 1985 г.
в г.Кишиневе;
XXI Всесоюзном научном совещания по проблемам прочности двигателей, 3-5 июня 1986 г. в г. .'Іоскзе;
Всесоюзной научно-технической конференции по проблемам надек-ности и ресурса в машиностроения, 24-26 июня 1986 г. в г.Куйбышеве;
Научно-технической конференции "Экспериментальные методы в механика деформируемого тала" 22-25 сентября 1987 г. в г.Калининграде;
ХХП Всесоюзной научном совещании по проблемам прочности двигателей, 26-29 апреля 1988 г. в г. Москве.
Кроме того, содержание диссертационной работы было доло-кено на:
Семинаре кафедры Деталей машин в ШТЗ им..Баумана под руководством докт. техн. наук, проф. Решетовз Д.Н., 3.06.86 г.;
Семинаре на кафедре Сопротивления материалов в МВТУ им.Баумана под руководством докт. техн. наук, проф.Бидермзна В.Л. 2.10.86 г., в г. Москве;
Общегородском семинаре на кафедре Прикладной математики в МАМИ под руководством чл. корр. АН СССР, докт. техн.наук, проф. Григолюка Э.И. 18.12.86 г. в г. Москве;
XI меавузовскоы семинара " Проблемы автоматизации и.оптимизации технологии производства, сборки и выпуска соединений в конструкциях летательных аппаратов" на кафедре ТИПА МАИ под руководством докт. техн. наук, проф. Ярковцз А.И. 16-16 октября 1987 г. в г. Иоскве.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из Введения, 9 глав, Заключения, Придоаений, списка литературы из 255 наименований. 0бз>эм работы (без Приложений и Литературы) -290 страниц машинописного текста, в том числе 53 страницы рисунков.