Содержание к диссертации
Введение
1. Надежность ферменных металлических конструкций башенных кранов 11
1.1. Конструктивные особенности ферменных металлических конструкций башенных кранов типа КБ-572 и его модификаций 12
1.2. Дефекты ферменных металлических конструкций башенных кранов-лесопогрузчиков КБ-572 19
1.3. Надежность ферменных металлических конструкций башенных кранов типа КБ-572 при эксплуатации 29
1.4. Выводы 35
1.5. Постановка задач дальнейших исследований 36
2. Исследование прочности и ресурса ферменных металлических конструкций башенных кранов КБ-572 с дефектами вмятины и язвенной коррозии 37
2.1. Оценка предела выносливости стержней с локальными концентраторами напряжений сложной формы 37
2.2. Концентрация и распределение напряжений в стержнях с дефектом вмятины 41
2.3. Концентрация и распределение напряжений в стержнях с дефектом язвенной коррозии 53
2.4. Выводы 59
3. Методика оценки несущей способности и усталостной долговечности ферменных металлоконструкций башенных кранов типа КБ-572 с учетом дефектов 61
3.1. Расчетные нагрузки на ферменные металлические конструкции башенного крана КБ-572 61
3.2. Схематизация и дискретизация процесса эксплуатационного нагружения башенных кранов КБ-572 на основе данных хронометрирования 67
3.3. Расчетная оценка несущей способности ферменных металлических конструкций башенных кранов при действии статической нагрузки
3.4. Расчетная оценка усталостной прочности и остаточного ресурса ферменных металлических конструкций башенных кранов типа КБ-572 74
3.5. Выводы 82
4. Программный комплекс по оценке несущей способности и усталостной долговечности ферменных металлических конструкций башенных кранов с учетом дефектов 83
4.1. Основные технические характеристики программного комплекса «Кгап-572» 83
4.2. Функциональные возможности программы и область применения 85
4.3. Структура и алгоритм работы программы 87
4.4. Информационное обеспечение программного комплекса «Кгап-572»...97
4.5. Пользовательский интерфейс и порядок работы с программой 101
4.6. Выводы 111
5. Результаты исследования напряженного состояния ферменных металлических конструкций крана-лесопогрузчика КБ-572Б с использованием программы «Кгап-572» 112
5.1. Расчетная модель и оценка несущей способности ферменных металлоконструкций крана с использованием программы «Кгап-572» 120
5.2. Анализ результатов расчета несущей способности дефектных ферменных металлических конструкций лесопогрузчика КБ-572 125
5.3. Обоснование предельно допустимых величин дефектов ферменных металлических конструкций башенных кранов КБ-572 139
5.4. Выводы 143
Основные результаты работы и выводы 145
Список использованных источников 148
- Дефекты ферменных металлических конструкций башенных кранов-лесопогрузчиков КБ-572
- Концентрация и распределение напряжений в стержнях с дефектом вмятины
- Расчетная оценка несущей способности ферменных металлических конструкций башенных кранов при действии статической нагрузки
- Пользовательский интерфейс и порядок работы с программой
Введение к работе
Актуальность работы. Краны-лесопогрузчики типа КБ-572 обеспечивают непрерывное функционирование лесообрабатывающих и лесоперерабатывающих предприятий, складов древесного сырья, перегрузочных баз. В организациях различных форм собственности на всей территории России эксплуатируется около 1,5 тысяч кранов данного типа. Наблюдается высокая аварийность кранов-лесопогрузчиков КБ-572 и его модификаций, которая обуславливается рядом причин. Одной из основных является наличие в несущих металлических конструкциях эксплуатационных дефектов, снижающих их несущую способность. Появление дефектов вызывается действием эксплуатационных факторов, окружающей среды, нарушением правил эксплуатации, низким качеством ремонтных работ. Находящийся в настоящее время в эксплуатации парк башенных кранов типа КБ-572 более чем на 70% состоит из машин, отработавших нормативный срок службы и содержащих в своих металлоконструкциях те или иные дефекты. При эксплуатации грузоподъемных машин с дефектами несущих металлоконструкций повышается вероятность наступления предельного состояния по различным критериям несущей способности и, следовательно, вероятность возникновения аварийной ситуации. Остановка работы крана влечет за собой негативные последствия: прекращение деятельности эксплуатирующей организации и экономический ущерб.
Изложенная технико-экономическая проблема требует решения задачи оценки безопасности эксплуатации ферменных металлоконструкций башенных кранов КБ-572 и его модификаций на этапе сверхнормативной эксплуатации. Ее решение связано с оценкой несущей способности и остаточного ресурса ферменных металлоконструкций под действием эксплуатационных нагрузок с учетом имеющихся в них отклонений, дефектов и повреждений. Оценка несущей способности и остаточного ресурса должна проводиться с использованием расчетных методик, использование которых позволяет прогнозировать величину остаточного ресурса ферменных металлических конструкций с учетом их фактического состояния и уровня дефектности.
Целью работы является повышение надежности и безопасности эксплуатации несущих ферменных металлоконструкций кранов типа КБ-572 и его модификаций за счет использования при оценке их несущей способности и остаточного ресурса расчетных методик, позволяющих учесть влияние характерных эксплуатационных и технологических дефектов.
Научная новизна работы.
-
Получены эмпирические зависимости для оценки параметров концентрации и распределения напряжений в стержнях ферменных металлоконструкций кранов типа КБ-572 и его модификаций с дефектами вмятины и язвенной коррозии.
-
Разработаны математические модели несущей способности и остаточного ресурса ферменных металлоконструкций башенных кранов типа КБ-572 и его модификаций с учетом характерных эксплуатационных и технологических дефектов, к которым относятся: язвенная коррозия, сплошная коррозия, эксцентриситет, отклонение от прямолинейности оси стержня, вмятина, обрыв стержня, тре-
щиноподобный дефект, дефекты сварных соединений (непровар, подрез, дефект формы шва).
Научные положения диссертации, выносимые на защиту.
-
Эмпирические зависимости для оценки теоретических коэффициентов концентрации напряжений в стержнях ферменных металлоконструкций кранов типа КБ-572 и его модификаций с дефектами вмятины и язвенной коррозии при действии различных видов нагружения: осевой силы, изгибающего момента, крутящего момента.
-
Эмпирические зависимости для оценки параметров распределения напряжений в стержнях ферменных металлоконструкций кранов типа КБ-572 и его модификаций с дефектами вмятины и язвенной коррозии при действии осевой силы.
-
Математические модели несущей способности и остаточного ресурса ферменных металлоконструкций башенных кранов-лесопогрузчиков типа КБ-572 и его модификаций с учетом дефектов.
Практическая значимость результатов работы.
-
Обоснованы предельно допустимые размеры дефектов язвенной коррозии и вмятины в стержнях ферменных металлоконструкций башенных кранов с учетом влияния отказа дефектного элемента на надежность всей конструкции.
-
Разработана расчетная методика оценки несущей способности и остаточного ресурса ферменных металлоконструкций башенных кранов-лесопогрузчиков типа КБ-572 и его модификаций с учетом характерных эксплуатационных и технологических дефектов.
-
Разработан программный комплекс «Кгап-572», реализующий расчетные методики оценки несущей способности и остаточного ресурса ферменных металлоконструкций кранов типа КБ-572 и его модификаций с учетом характерных эксплуатационных и технологических дефектов.
Программный комплекс «Кгап-572» используется ООО «Промбезопас-ность» (г. Брянск) при экспертизе промышленной безопасности башенных кранов-лесопогрузчиков типа КБ-572 и его модификаций, башенных кранов КБ-674 и КБ-408, имеющих схожую конструкцию, а также внесен в качестве объекта интеллектуальной собственности в уставной капитал малого инновационного предприятия при Брянском государственном техническом университете ООО «Пром-безопасность-БГТУ».
Обоснованность и достоверность полученных результатов и выводов диссертационной работы подтверждается корректным использованием апробированных методов теории прочности, усталостной долговечности, метода перемещений в матричной формулировке. Достоверность программы оценки несущей способности и усталостной долговечности установлена проверкой в реальных условиях при проведении экспертных обследований лесопогрузчиков КБ-572, проведенных 000 «Промбезопасность» (г. Брянск), а также подтверждена имеющимися сведениями об опыте эксплуатации кранов данного типа.
Апробация работы. Основные научные и практические результаты работы докладывались и обсуждались на международной научно-практической конференции «Состояние, проблемы и перспективы автоматизации технической подготовки производства на промышленных предприятиях», Брянск, 2009 г.; Ежегод-
ной XXI Международной инновационно-ориентированной конференции молодых ученых и студентов, Москва, 2009 г.; Региональной конференции студентов и аспирантов «Достижения молодых ученых Брянской области», Брянск, 2009; VIII Международной заочной научно-практической конференции «Современные вопросы науки - XXI век», г. Тамбов, 2011 г.; III международной научно-практической конференции «Достижения молодых учёных в развитии инновационных процессов в экономике, науке, образовании», г. Брянск, 2011 г. Работа отмечена дипломом 2-ой степени на региональной научной конференции студентов и аспирантов «Достижения молодых ученых Брянской области»; почетной грамотой победителя программы «Участник Молодежного Научно-Инновационного Конкурса»; почетной грамотой за активное участие в молодежном научно-инновационном конкурсе «У.М.Н.И.К.», проходившем в рамках Международной научно-практической конференции «Состояние, проблемы и перспективы автоматизации технической подготовки производства на промышленных предприятиях».
Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ, 4 из них в реферируемых изданиях, рекомендованных ВАК. Получено 1 свидетельство о регистрации электронного ресурса - программного комплекса «Кгап-572». Отдельные результаты исследований вошли в отчет по НИОКР №7474р/10214 -«Разработка программного комплекса по оценке несущей способности и усталостной долговечности ферменных металлических конструкций башенных кранов с учетом эксплуатационных дефектов» в рамках программы «У.М.Н.И.К.» (Брянск, 2009-2010 гг).
В полном объеме диссертация доложена на расширенном заседании кафедры «ПТМ и О» ФГБОУ ВПО «БГТУ» (Брянск, 2011 г).
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов по работе, списка использованных источников из 148 наименований и приложений. Объем работы с приложениями - 165 с. Диссертация содержит 65 рисунков и 17 таблиц.
Дефекты ферменных металлических конструкций башенных кранов-лесопогрузчиков КБ-572
Рассмотрение данных по авариям с участием грузоподъемной техники, произошедшим в период с 2000 по 2010 годы, показывает, что башенный кран-лесопогрузчик КБ-572 и его модификации относятся к грузоподъемным машинам с повышенной аварийностью. В течение этого времени произошло порядка 20 аварий с участием кранов данного типа [8,21,53,57,67,98]. Большинство из происшествий повлекли за собой значительный материальный ущерб, гибель людей и остановку деятельности эксплуатирующих организаций. Анализ причин аварий показывает, что около половины аварий произошло из-за наличия критических дефектов в несущих металлических конструкциях. Причиной наличия данных дефектов было то, что они не были обнаружены при обследованиях, либо при обнаружении были классифицированы как неопасные и не были устранены. Остальные аварийные ситуации возникли из-за ненормативной эксплуатации лесопогрузчиков, следствием которой стала многократная перегрузка грузоподъемных машин, приведшая к появлению критических напряжений и разрушению металлоконструкции.
Данный факт подтверждается результатами анализа причин аварий и экспертных обследований кранов-лесопогрузчиков КБ-572, проведенных в последние годы [8,21,53,67,57,71,98]. Около 90% ГГТМ данного типа отработали НСС и на момент обследования имели в своих металлических конструкциях те или иные дефекты. При этом некоторые из дефектов, достигли в своем развитии опасных размеров. Процентное соотношение дефектов в несущих металлических конструкциях лесопогрузчиков КБ-572 представлено в табл. 1.2.
Понятие дефекта в технике определено в ГОСТ 15467-79 «Управление качеством продукции. Основные понятия. Термины и определения» как каждое отдельное несоответствие продукции (изделия) установленным требованиям. Таблица 1.2 Статистическое распределение видов дефектов в несущих металлоконструкциях кранов-лесопогрузчиков КБ-5 Вид дефекта Доля данного дефекта от общего числа, %
Вопросы влияния эксплуатационных дефектов на надежность несущих металлоконструкций технических систем рассмотрены в ряде работ отечественных и зарубежных авторов [10,17,61,65,44]. В каждой работе наиболее развита методология исследования влияния на надежность того механизма деградации, который характерен для рассматриваемой группы технических систем. Поэтому основные выводы данных работ, направленные на прогнозирование скорости протекания деградационных процессов в металлических конструкциях различных систем и сооружений, степени влияния на их несущую способность и надежность неприменимы к объекту исследования настоящей работы. Применительно к металлоконструкциям ферм БК на этапе сверхнормативной эксплуатации необходимо рассмотрение дефектности как свойства ферменных металлоконструкций БК накапливать в процессе эксплуатации повреждения и отклонения, вызванные протеканием в них различных физических и химических процессов [88]. Следствием протекания данных процессов в металлоконструкции ферм БК является возникновение локальных концентраторов напряжений, местных отклонений формы элементов, изменение характеристик их жесткости и прочности. В совокупности данные отклонения характеризуются как дефекты ферменных конструкций БК. Наиболее значимые виды дефектов [118,93] рассмотрены ниже.
Применение несоответствующих типов сталей возможно на стадии изготовления или ремонта металлоконструкции ГПМ. На стадии изготовления возможно применение несоответствующих марок сталей, нарушение технологии изготовления проката. Возникновение данного дефекта при ремонте металлоконструкций ферм возможно при замене поврежденных в процессе эксплуатации стержней на новые стержни. В этом случае могут быть использованы стержни или элементы проката, несоответствующие паспортным требованиям, предусмотренным для заменяемого элемента.
Во всех случаях данный дефект характеризуется несоответствием физико-механических свойств материала элемента стержня, либо группы стержней, паспортным параметрам. Степень влияния данного дефекта на показатели надежности металлоконструкции в целом зависит от того, насколько сильно отличаются физико-механические свойства дефектного элемента либо группы элементов от требуемых параметров.
Дефекты сварных соединений возникают при изготовлении и ремонте конструкций крановых ферм. Использование сварки порождает ряд технологических дефектов, возникающих в сложных полях упругопластических напряжений и деформаций в районе сварного шва [59,77,83,102,87,102]. Дефекты сварки имеют весьма сложную природу, количественные закономерности их формирования учесть сложно, вероятность появления данных дефектов при изготовлении или ремонте достаточно высока. Исследованиям технологической дефектности сварных соединений посвящены работы [63,77]. Типовые дефекты сварных соединений ферменных металлоконструкций приведены на рис. 1.7 [50,128,89].
Газовые поры в сварном шве образуются в результате несоответствия химического состава свариваемого и присадочного металлов, при наличии окалины и ржавчины на свариваемых кромках, влажности электродного покрытия и др.
Концентрация и распределение напряжений в стержнях с дефектом вмятины
Дисперсия воспроизводимости опытов при экспериментировании на ЭЦВМ принята на основе априорных данных о точности конечно-элементных расчетов с заданными параметрами составления конечно-элементной сетки по зависимости [140,79] случайная ошибка измерения отклика при данных параметрах точности конечно-элементной сетки; у - значение отклика. Оценка значимости параметров моделей регрессии проводилась с помощью i-критсрия Стыодента где S(Pl) = sjS2(y) I N = /0,002 /32 = 0,008 - средняя квадратическая ошибка параметра модели. Табличное значение критерия Стыодента t для уровня значимости а=0.05 и числа степеней свободы f=oo (при априорной оценке дисперсии воспроизво 46 димости), составляло 1,96. Адекватность моделей проверялась с использованием критерия Фишера по условию экспериментальное значение критерия Фишера; Frcop - теоретическое значение критерия Фишера.
В ходе эксперимента были построены линейные и квадратичные уравнения регрессии, показывающие зависимость откликов от нормированных значений факторов X. Х2, х?, Х и х?. І Іроведена проверка значимости коэффициентов. выполнено удаление незначащих коэффициентов и проверка адекватности моделей. Поведение откликов наиболее точно характеризуется уравнениями регрессии вида: - для отклика а&т
При исследовании характера распределения напряжений в стержнях с некруглым замкнутым сечением учитывалось, что в ферменных металлоконструкциях кранов КБ-572 стержни с замкнутым некруглым сечением изготавливаются из уголков или замкнутых коробов (рис. 1.5, б).
Наличие плоских граней позволило сделать предположение, что картина НДС в области вмятины на плоской грани повторяет картину \\J\C в области такого же дефекта на пластине. Однако анализ напряженного состояния пла 48 стины с вмятиной и стержня из квадратной трубы с аналогичным дефектом показал, что одинаковое распределение напряжений в области дефекта и концентрация напряжений наблюдаются только в случае действия осевой силы (рис. 2.9).
Таким образом, для изучения параметров распределения первых главных напряжений по объему стержня и концентрации напряжений при действии различных видов нагружеиия, было предложено провести два расчета: первый -с моделью пластины ограниченной ширины, второй - с моделью стержня замкнутого сечения.
Для изучения распределения и концентрации первых главных напряжений по объему грани стержня с вмятиной при действии осевой растягивающей или сжимающей силы рассматривалась пластина конечной ширины.
Вмятина моделировалась углублением в центре пластины, образованным вдавливанием тороидальной поверхности, с переходом от вмятины к плоскости по радиусу (рис. 2.10). Для составления уравнений, связы вающих параметры концентрации напря жений и их распределение в объеме пластины с дефектом был проведен ДФЭ,
В ходе эксперимента были построены линейные и квадратичные уравнения регрессии, показывающие зависимость откликов от нормированных значений факторов. Проведена проверка значимости коэффициентов, выполнено удаление незначащих коэффициентов и проверка адекватности моделей. Поведение откликов наиболее точно характеризуется уравнениями регрессии вида: - aam = 2,873 - 0,235л- - 0,241 х3 + 0,45Ц - 0,083л% +
При исследовании концентрации напряжений в области дефекта вмятины при действии изгибающего и крутящего момента в рассматривалась модель стержня, имеющего сечение из квадратной трубы. Данная модель принята к рассмотрению на основании следующих предпосылок. При изучении параметров напряженного состояния в стержнях коробчатого сечения с дефектом вмятины было установлено, что на концентрацию напряжений помимо размеров вмятины (ширины, глубины, длины, радиуса кромок вмятины) и толщины стенки оказывают влияние граничные условия в виде вертикальных граней вы сотой Н. При этом параметры концентрации напряжений в области дефекта остаются постоянными при соотношении П/В 0,5.
Изучение параметров концентрации эквивалентных напряжений в области вмятины на стержнях с некруглым закрытым сечением при действии изгибающего или крутящего моментов проводилось на стержне с сечением из квадратной трубы. Вмятина моделировалась углублением в центре одной из его граней, образованным вдавливанием тороидальной поверхности, с переходом от вмятины к плоскости по радиусу (рис. 2.11).
Для составления уравнений, связывающих параметры концентрации напряжений был составлен план ДФЭ. являющегося полурепликой от ПФЭ при числе факторов к=5. План ДФЭ составлен на основе генерирующего соотношения Х5=ХХ2ХзХ4. Натуральные значения факторов, их уровни и интервалы варьирования приняты но аналогии с экспериментом для модели пластины ограниченной ширины (табл. 2.3). В качестве отклика модели рассматривались параметры аяМ и апмкр.
Модель стержня составлялась с использованием МКЭ, применялись трехмерные тетраэдальные конечные элементы. Конечно-элементная сетка создавалась с учетом аналогичных требований при составлении модели дефекта вмятины на пластине.
В ходе эксперимента были построены уравнения регрессии первого и второго порядка, проведена проверка значимости коэффициентов моделей, удаление незначащих коэффициентов и проверка адекватности моделей. Величины откликов наиболее точно характеризуются уравнениями регрессии первого порядка:
Исследование несущей способности стержней ферменных металлоконструкций с дефектом язвенной коррозии проводилось с учетом следующих особенностей. Коррозионная язвина представляет собой местное коррозионное разрушение в виде отдельной каверны, расположенной на внешней или внутренней поверхности стержня фермы (рис. 1.13).
При анализе результатов экспертных обследований были установлены характерные размеры коррозионных язв и их глубина. Поперечный размер коррозионной язвины составляет 2...20% от ширины грани стержня или диаметра стержня с сечением из круглой трубы. Углубление имеет, как правило, округлую форму, непостоянный рельеф поверхности дна и произвольную глубину. Наблюдались коррозионные язвины глубиной до 50% толщины стенки стержня. Отдельная коррозионная язва может иметь произвольную форму и ориентацию относительно оси стержня, произвольный рельеф поверхности дна и глубину проникновения в стенку стержня. Следовательно, она влияет на качество поверхности металла в дефектной зоне и образует концентратор напряжений.
При исследовании дефекта на стержнях ферм с трубчатым сечением рассчитывалась КЭ модель с характерным для применяемых в ферменных металлоконструкциях труб с соотношением размеров r/R 0,85. Коррозионная впадина моделировалась коническим вырезом на поверхности трубы таким образом, что оси стержня и конического выреза пересекаются и взаимно перпендикулярны (рис. 2.12).
Параметр h - высота конуса - является глубиной проникновения коррозии в стенку стержня. Параметр b представляет собой максимальную ширину коррозионной язвы и является диаметром основания конуса. Данная модель коррозионной язвины ввиду наличия остроконечного концентратора напряжений у вершины дефекта позволяет учитывать наихудший случай развития дефекта.
Расчетная оценка несущей способности ферменных металлических конструкций башенных кранов при действии статической нагрузки
Программная реализация математических моделей металлических ферменных конструкций башенных кранов в настоящей работе выполнена в форме программы с модульной архитектурой, обладающей оконным интерфейсом и совместимой с операционными системами семейства Microsoft Windows. Программный комплекс «Кгап-572» представлен следующим набором модулей: - модуль ввода и обработки исходных данных о истории нагружения башенного крана, характерных технологических циклах его работы; - модуль ввода и представления информации о дефектах и повреждениях металлических ферм; - модуль ввода и представления информации о геометрической конструкции фермы БК, ее элементов и свойств элементов и способах их взаимодействия; - модуль оценки несущей способности ферменных металлоконструкций по критериям прочности элементов ферм и устойчивости стержней; - модуль оценки несущей способности ферменных металлических конструкций по критерию усталостной прочности и расчета остаточного ресурса; - модуль оценки НДС ферм БК под действием комбинации нагрузок с учетом дефектов ферменных металлоконструкций; - модуль графического представления параметров НДС с привязкой к соответствующим узлам фермы; - модуль подготовки протокола расчета. Структура программного комплекса представлена на рис. 4.1.
Основной функцией модуля ввода и обработки исходных данных о истории нагружения БК служит занесение в базу данных программного комплекса «Кгап-572» информации о процессе эксплуатационного нагружения. В модуле предусмотрено два способа занесения информации. Первый способ подразумевает использование справки о характере работы крана.
Модуль дбода и предстабления информации о геометрической конструкции фермы БК, ее злементоб, сбойстб злементоб и способах их взаимодействия Модуль вывода графической информации по результатам оценки НДС ферм Модуль подготовки заключения и протокола расчета оценки несущей способности в текстовом виде башенных кранов В этом случае уже подготовленные данные вводятся с бумажного носителя без дальнейшей обработки их программой. Подразумевается использование справки о характере работы крана согласно [99]. Второй способ ввода информации о эксплуатационном нагружении кранов типа КБ-572 предусматривает использование данных хронометрирования работы крана. В данном случае информация о эксплуатационном нагружении БК представляется в виде таблицы, каждая строка которой содержит данные о каждой операции крана (п.п. 3.2).
Таблица содержит записи операций крана в течение нескольких смен. Данные хронометрирования в дальнейшем обрабатываются. Цель обработки данных хронометрирования - вычисление частот выполнения типовых операций с грузом каждой весовой группы. Модуль обладает графическим интерфейсом.
Основной функцией модуля ввода информации о дефектах ферменных металле конструкций БК является занесение в БД программы информации о дефектах стержней и узлов, а также функция автоматической модернизации расчетной модели ферменных конструкции БК при добавлении дефектного элемента. Это вызвано необходимостью замены в некоторых случаях (при моделировании отклонения от прямолинейности или эксцентриситета) одного конечного элемента, моделирующего стержень с дефектом, на группу элементов. Алгоритм замены представления дефектного элемента индивидуален для каждого типа дефекта. Модуль обладает графическим интерфейсом. Вид интерфейса определяется типом вносимого дефекта. Информация о дефектах ферменных металлических конструкций принимается на основе данных обследования. В программе имеется возможность учета следующих наиболее распространенных видов дефектов, таких как:
Основной функцией модуля ввода и представления информации о геометрии ферменных металлоконструкций БК является занесение, хранение и редактирование информации о свойствах стержней и их соединениях в узлах в БД программы. В модуле предусмотрен графический интерфейс и ряд вспомогательных окон. Дополнительной функцией является функция графического отображения трехмерной модели ферменных металлоконструкций на экране с возможностью позиционирования, масштабирования и вращения. Для этого используется аппарат аффинных преобразований в пространстве и средства визуализации OpenGL. Информация о геометрической конструкции ферм, свойствах материалов, типах стержней и их сечений, способах соединения стержней в узлах, а также способах соединения ферменных конструкций между собой принимается на основе паспортных данных крана и паспортных чертежей а также на основе замеров фактических геометрических параметров элементов ферм.
Модуль оценки несущей способности по критериям прочности, жесткости и устойчивости также не обладает графическим интерфейсом. Основной функцией модуля является определение параметров напряженного состояния расчетной модели ферменных конструкций под действием нормативных значений расчетных нагрузок с учетом коэффициентов перегрузки, корректировка данных параметров с учетом дефектов и сравнение с допустимыми расчетными сопротивлениями элементов. Данные о схематизированном процессе эксплуатационного нагружения, геометрия и свойства элементов ферменных металлоконструкций, а также данные о дефектности, представляют собой исходные данные для анализа несущей способности.
Пользовательский интерфейс и порядок работы с программой
Эти сечения следует считать опасными, так как из-за конструктивных особенностей в них действуют напряжения наиболее высокого уровня. В них наиболее вероятно возникновение дефектов в виде усталостных трещин и очагов язвенной и сплошной коррозии.
При анализе НДС ферм от действия нагрузок различных расчетных случаев определено, что наибольшие напряжения соответствуют сечению 1-І. В сечении 1-І возникают высокие напряжения при нахождении груза на максимальном вылете стрелы, то есть при большинстве выполняемых краном операций. Основной составляющей нормальных напряжений в стержне верхнего пояса стрелы в этом сечении является напряжение от действия осевой растягивающей силы. Наибольшие напряжения здесь возникают при операции перемещения крана с поворотом при нахождении номинального груза на консоли. В данном сечении коэффициент асимметрии цикла напряжений Ro 0. Картина НДС ферм крана, соответствующая случаю перемещения крана с поворотом при нахождении груза на консоли, представлена на рис. 5.3.
При операции перемещения крана с одновременным поворотом и при расположении груза номинальной массы в середине пролета стрелы возникают высокие, близкие к пределу текучести материала напряжения в сечении стрелы, соответствующему середине вылета (сечение II-1I на рис. 5.2.). Данные напряжения возникают в стойках фермы стрелы. Основной составляющей компонентой является напряжение от действия осевой сжимающей силы. Картина НДС ферм крана, соответствующая данному случаю нагружения представлена на рис.
Высокие напряжения в элементах ферм в сечениях III-VT возникают в момент начала движения крана при одновременном повороте башни при расположении груза на максимальном вылете стрелы.
Усилия, действующие в элементах данных сечений невелики, но за счет конструктивных особенностей в данных элементах возникает концентрация напряжений. В конструкции ферм в этих сечениях присутствуют сварные угловые швы (соединение поясов башни с фланцами), болтовые соединения (соединение фланцев поясов башни с порталом и ОПУ) и шарнирные соединения (соединение стрелы с ОПУ и консоли противовеса с ОТТУ), которые значительно снижают несущую способность.
Оценка остаточного ресурса лесопогрузчика КБ-572 с использованием бездефектной расчетной схемы включала последовательное выполнение следующих этапов: 1. Подготовка исходной информации, включающей сведения об истории загрузки крана и состоянии металлоконструкций крана. Были использованы данные о характере работы крана и результаты хронометрирования его работы в течение нескольких смен. 2. Схематизация процесса эксплуатационного нагружения расчетных зон. 3. Заполнение корелляционной таблицы метода полных циклов для каждой расчетной зоны. 4. Вычисление остаточного ресурса работоспособности в расчетных зонах.
По результатам расчетов, выполненных с помощью программного комплекса «Кгап-572», были найдены стержни, в которых величина остаточного ресурса работоспособности имеет наименьшее значение. Это элементы верхнего пояса стрелы в месте крепления расчала. График колебания напряжений в данном стержне в процессе эксплуатационного нагружения приведен на рис. 5.5.
Остаточный ресурс работоспособности крана для элемента верхнего пояса стрелы в месте крепления расчала рассчитывался по формуле (55) и составил 3,5x106 циклов или 9,4 года (при среднем количестве колебаний напряжений в сутки 1,2 103 циклов).
При расчетах несущей способности и остаточного ресурса дефектных ферменных металлических конструкций крана КБ-572 были уточнены параметры напряженного состояния в области дефектов. Осевые силы и моменты, действующие в элементах бездефектной модели, представлены в табл. 5.5. Величины силовых факторов для оценки статической прочности всех дефектных элементов, за исключением нижнего пояса стрелы с трещиноподобным дефектом, были приняты для расчетного случая, соответствующего началу поступательного движения крана и поворота стрелы с грузом номинальной массы, расположенного на максимальном вылете стрелы. В данном расчетном случае в элементах ферм крана действуют наибольшие усилия и напряжения. Для расчетов несущей способности стержня нижнего пояса стрелы с дефектом трещины к расчету были приняты силы, действующие в стержнях решетки при нахождении груза в центре вылета стрелы. Это связано с тем, что наибольшее влияние на интенсивность напряжений в области трещины оказывают нормальные растягивающие силы.
