четверг, 12 января 2012 г.

Что нам стоит дом построить...

В данной статье будут рассмотрены основные моменты выполнения курсовой работы по теме "Исследование тонкостенной пространственной конструкции от действия эксплуатационной нагрузки на примере башенного крана".

Разделим курсовой на 6 основных этапов:
    - постановка задачи;
    - создание модели;
    - переход к конечно-элементной модели;
    - расчет напряженно-деформированного состояния;
    - результаты;
    - выводы.



ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ


Основная задача работы состоит в определении напряженно-деформированного состояния тонкостенной пространственной конструкции башенного крана под действием рабочих нагрузок. В исследуемой конструкции используется сталь, которая находится в библиотеке материалов ANSYS Workbench, Structural Steel, которой присущи такие характеристики материала:




Условия работы крана:

    - температура среды, в которой находится кран 22 ° С;

    - вес на стреле крана 3 т или 29 400 Н;

    - вес противовеса 12 т или 117 600 Н.

На основании полученных результатов можно делать определенные выводы относительно достоверности расчетов, проведенных в системе ANSYS Workbench 13.0 и о возможности решения задач этого класса.

СОЗДАНИЕ МОДЕЛИ

Т.к. толковых чертежей найти не удалось. За основу брались основные габаритные размеры кранов высотой около 40 метров, и по пропорции считались размеры арматуры, которая использовалась для построения крана.

Рисунок 1

Была построена упрощенная модель. Как пример, на рисунке 2, в показанных областях должны быть шарнирные соединения во избежание появления концентраторов напряжений в случае даже небольшого перевеса в одну или другую сторону. В моем расчете все сбалансировано и концентраторы напряжений в этих местах не присутствуют, но в реальной жизни масса груза на стреле меняется, либо груз вообще отсутствует, и тогда концентраторов напряжений не избежать. Но этот недочет будет исправлен в дипломной работе на специалиста, об этом будет сказано чуть позже.

Рисунок 2

3D модель



ПЕРЕХОД К КОНЕЧНО-ЭЛЕМЕНТНОЙ МОДЕЛИ

Для того, чтобы конечно-элементная сетка была равномерная, модель была порезана на много поверхностей (рис. 3), этот шаг был выполнен в CAD-системе SolidWorks 2011. В результате было получено 4205 поверхностей.

Рисунок 3 - Разрезание модели для получения структурированной сетки

Для дальнейшего расчета напряженно-деформированного состояния, модель была импортирована в CAE-систему ANSYS Workbench 13.0 в формате Parasolid.
В данном кране были использованы следующие разновидности арматуры:
    - квадратная труба с сечением 140 × 140 × 9 мм;
    - круглая труба с сечением 150 × 165 мм;
    - круглая труба с сечением 65 × 75,5 мм;
    - прямоугольная труба с сечением 180 × 100 × 8 мм;
    - металлические пластины с толщиной 10 и 15 мм;
    - тросы ∅ 36 мм.

Далее был задан материал арматуры с которой должен состоять башенный кран, Structural Steel, эта сталь находится в библиотеке ANSYS Workbench, которой присущи выше сказанные свойства.

Так как геометрия была подготовлена ​​для создания структурированной конечно-элементной сетки, преимущественно для квадратных элементов, то в данном случае был использован тип сетки mapped face meshing, который, несмотря на некоторые сложности, отлично справился с поставленной задачей (рис 4). В результате генерации конечно-элементной сетки было создано 228 237 узлов.

Рисунок 4 - Конечно-элементная сетка башенного крана

РАСЧЕТ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ

Так как высота данного крана составляет 40 метров, он отлично подходит для сооружения стандартных 9-ти этажных жилых домов. Вес самого тяжелого элемента с конструктива домов, то есть плиты перекрытий, не превышает 3 тонн. Соответственно приложим нагрузку на самый последний отсек стрелы 3 тонны. А со стороны противовеса приложим нагрузку 12 тонн, так как соотношение вылетов равна 1/4. И на конец, для тогочтобы исследуемая конструкция имела все необходимые ограничения, была зафиксирована нижняя часть башни крана (рис.5).


Рисунок 5


РЕЗУЛЬТАТЫ

Так как в течение расчетов выплывали некоторые недостатки конструкции со стороны противовеса, будет показано три варианта напряженного состояния этой области с некоторыми модификациями. Первый вариант показан на рисунке ниже:



В результате из-за выпирающих плечей был образован концентратор напряжений, значения напряжений в котором достигло 892 МПа (предел текучести данной стали 250 МПа), что более чем в три раза превышает предел текучести используемой стали в конструкции. В результате кран окажется неработоспособным.

Рассмотрим напряжения во втором варианте конструкции:


Благодаря добавленным ребрам жесткости, было уменьшено напряжение на 33%, но этого все равно было не достаточно, так как напряжение превышало предел текучести стали более чем в два раза. 

За ненадобностью мешающих плеч в данном расчете, избавимся от них и пересчитаем задачку:


На этот раз конструкция выдержала приложенные нагрузки, и был получен коэффициент запаса 1,3. Причина концентраций напряжений была устранена, посмотрим эпюру напряжений стрелы:


Результаты перемещений стрелы:


Исходя из результатов эпюры, можно определить, что перемещения стрелы составляют примерно 17 см.

ВЫВОДЫ

1. В результате проведенного исследования получены данные, позволяющие оценить работоспособность башенного крана на основе напряженно-деформированного состояния от рабочих нагрузок при текущих параметрах профилей (арматуры).

2. Расчеты напряженно-деформированного состояния показали, что для длительной работы башенного крана, необходимо, чтобы вес груза не превышал 3 тонны.

3. Был проведен статический расчет, который показывает работоспособность конструкции, с текущей арматурой, без учета силы тяжести, силы ветра, инерции и др.. ПРЕЗЕНТАЦИЯ ЗАПИСКА

ВИДЕО-ПРЕЗЕНТАЦИЯ



И под конец стоит сказать о том что в дальнейшем, к диплому специалиста, в конструкцию данного крана будут внесены доработки в виде: 
- Добавления шарниров на стыках стрелы и башни. 
- Варьирование толщинами профилей арматуры, для оптимизации веса и уменьшения затрат на построение крана.

Будут учтены некоторые факторы и добавлены некоторые расчеты:
- В расчете будет учтена собственная масса (гравитация).
- Конструкция будет посчитана на устойчивость.
- И в планах учесть влияние ветра на конструкцию.

14 комментариев:

  1. Если я не ошибаюсь, то у тебя расположение поперечных балок по всей вертикальной переборке имеет одинаковое строение (на рис 4 видно нижний местный вид), что на мой взгляд не соответствует той картинке по который ты строил модель. Почему ты выбрал именно такое строение несущей конструкции? Или просто не заметил ?)))

    ОтветитьУдалить
  2. Это тяжело было бы не заметить, как говорилось, модель просто была упрощена.

    ОтветитьУдалить
  3. А разве положение поперечных балок не влияет на передачу напряжений по конструкции ? Мне кажется это не совсем удачное упрощение

    ОтветитьУдалить
  4. В этом расчете в данной области возникали настолько малые напряжения даже с такой упрощенной конструкцией, что в усилении даже и смысла не вижу. Другое дело, когда будут проводится расчеты на устойчивость с учетом гравитации и т.д., вот тогда нужно будет повторить конструкцию с фотографии до мелочей.

    ОтветитьУдалить
  5. Ну можно еще на колебания было глянуть насколько поменяли формы.

    ОтветитьУдалить
  6. То что нужно было сделать, было посчитано. А вместо того, чтобы рассказывать, что нужно, лучше бы выложил свой курсовой.

    ОтветитьУдалить
  7. Во-первых я не рассказываю что нужно, я спрашиваю и предлагаю. А во вторых как вернусь - обязательно выложу

    ОтветитьУдалить
  8. Почему для расчта не воспользовались beam-элементами?

    ОтветитьУдалить
  9. Потому что в расчете с балочной постановкой нельзя вывести напряжения.

    ОтветитьУдалить
  10. По крайней мере ANSYS Workbench не может их вывести.

    ОтветитьУдалить
  11. напряжения в балочных элементах вывести можно)

    а вот что касается Леонида, то как бы уже давно пора выложить, особенно с учетом некоторых поблажек ;)
    как по мне, то это уже не совсем красиво не только по отношению к студентам, а и к вашим преподавателям

    ОтветитьУдалить
  12. Настаивать не буду, просто когда я пробовал посчитать в балочной постановке, то в Workbench предоставил возможность вывести только деформации, может и я что-то не так сделал. Во всяком случае, как вы говорили, в балочной постановке адекватные результаты напряжений получить нельзя.

    ОтветитьУдалить
  13. Здравствуйте,

    Понравилась Ваша работа. Есть один маленький вопрос относительно свойств стальных канатов. Не нашел описание их свойств в Вашей работе (тип каната - если это вообще канат, а не последовательное соединение жестких звеньев, механические характеристики). Не могли бы поподробнее рассказать об этом?

    Заранее благодарен за ответ.

    ОтветитьУдалить
  14. Здравствуйте, цели посчитать канаты не было. Я заменил их обычной балкой с круглым сечением диаметром 36 мм, с шарнирными соединениями по концам. Насколько помню, при заданных нагрузках их запас прочности был более 3.

    ОтветитьУдалить