Пособие по МКЭ

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИРОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИФедеральное государственное бюджетное образовательноеучреждение высшего профессионального образованияБРЯНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТИМЕНИ АКАДЕМИКА И.Г. ПЕТРОВСКОГОА.В. Вершинский, И.А.Лагерев,А.Н. Шубин, А.В. ЛагеревЧисленный анализметаллических конструкцийподъёмно-транспортных машинДопущено УМО вузов Российской Федерации по образованиюв области транспортных машин и транспортно-технологических комплексовв качестве учебного пособия для студентов вузов, обучающихся по специальности«Наземные транспортно-технологические средства» (специализация: «Подъемно-транспортные,строительные, дорожные средства и оборудование») и направлению магистров«Наземные транспортно-технологические комплексы»Брянск - 2014УДК 621.86ББК 38.6Вершинский А.В., Лагерев И.А., Шубин А.Н., Лагерев А.В.Численный анализ металлических конструкций подъемно-транспортныхмашин: Учеб.

пособие. – Брянск: РИО БГУ, 2014. – 186 с.ISBN 978-5-9734-0195-5Рассматриваются вопросы, связанные с проведением расчетовметаллических конструкций подъемно-транспортных машин на прочность ижесткость методом конечных элементов на основе специализированноговычислительного комплекса МГТУ им. Н.Э. Баумана и универсальноговычислительного комплекса NX Nastran.Учебное пособие предназначено для студентов всех форм обучения идополнительного образования по специальности «Наземные транспортнотехнологические средства» и направлению подготовки магистров «Наземныетранспортно-технологические комплексы», а также будет полезно длястудентов родственных технических специальностей и аспирантов понаправлению подготовки научно-педагогических кадров «Машиностроение»,ведущих научные исследования в области подъемно-транспортного, дорожногои строительного машиностроения.Ил.

174. Табл. 21. Библиогр. – 27 назв.Научный редактор к.т.н. Дунаев В.П.Рецензенты: кафедра транспортно-технологических машин Поволжскогогосударственного технологического университета;генеральный директор ООО «Промбезопасность», к.т.н., доц.Л.И. БлейшмидтISBN 978-5-9734-0195-5© Вершинский А.В., Лагерев И.А.,Шубин А.Н., Лагерев А.В., 2014© РИО БГУ, 2014Посвящается185-летиюМосковского государственноготехнического университетаим. Н.Э. Баумана85-летиюБрянского государственногоуниверситетаим. акад. И.Г. Петровского90-летиюкафедры «Подъемнотранспортные системы»МГТУ им.

Н.Э. БауманаПРЕДИСЛОВИЕСовременное промышленное производство и строительство требуют применения большого количества разнообразных подъемнотранспортных машин – грузоподъемных кранов, манипуляторов, конвейеров и др. Совершенствование и развитие техники сопровождается усложнением геометрических форм конструкций и характера действующих на них внешних факторов, возникновением более тяжкихпоследствий при потере ими работоспособности с одновременнымужесточением требований к металлоемкости конструкции и надёжности её работы. При проектировании несущих металлических конструкций подъемно-транспортных машин требуется выполнение расчетов на прочность, устойчивость, жесткость.

Традиционные методыстроительной механики далеко не всегда позволяют оценить несущую способность элементов конструкций, поскольку в большинствеслучаев с их помощью можно получить решение только для простыхгеометрических форм.Для анализа напряженно-деформированного состояния реальныхподъемно-транспортных машин, металлические конструкции которыхимеют сложную пространственную конфигурацию и состоят из большого числа соединенных в единое целое стержневых, пластинчатых иоболочечных элементов, необходимо использовать более универсальные численные методы анализа напряженно-деформированного состояния конструкций сложной формы при их произвольном нагружении. В современной инженерной практике проектирования наибольшее распространение получил метод конечных элементов (МКЭ).3МКЭ – это численный метод решения систем дифференциальных уравнений с частными производными.

Метод широко применяется для решения задач механики деформируемого твёрдого тела, механики разрушения, теплопроводности и теплообмена, электродинамики, гидро- газодинамики, фильтрации и др. МКЭ основан на аппроксимации непрерывной функции (в расчетах подъемно-транспортных машин – перемещения) дискретной моделью на множестве кусочно-непрерывных функций, определенных на конечном числе подобластей, называемых конечными элементами.МКЭ реализован в виде промышленных программных пакетовавтоматизированного проектирования. В России наибольшее распространение получили универсальные пакеты, такие как NX Nastran, NENastran, MSC.Patran/Nastran, ANSYS, Pro/MECHANICA и др.

Такжеиспользуются специализированные программные пакеты, ориентированные на решение более ограниченного круга проектных задач. Какправило, в пакет входит программа построения конечноэлементныхмоделей и просмотра результатов (пре/постпроцессор) и несколькорасчетных модулей, решающих различные задачи (например, модульстатических расчетов).В учебном пособии рассмотрены вопросы, связанные с проведением расчетов металлических конструкций подъемно-транспортныхмашин на прочность и жесткость методом конечных элементов на основе специализированного вычислительного комплекса МГТУ им.Н.Э. Баумана и универсального вычислительного комплекса NXNastran.

В пособии приводятся подробные инструкции работы в этихпрограммах, а также обсуждаются основные идеи и подходы к построению конечноэлементных моделей различных грузоподъемныхмашин, анализируются результаты расчета. Предполагается, что читатель имеет представление о теоретической базе метода конечныхэлементов и имеет навыки работы в программных пакетах конечноэлементного анализа и твердотельного моделирования (CAD/CAE –системах).Учебное пособие ориентировано на студентов высших технических учебных заведений и обучающихся в системе дополнительногообразования по специальности 23.05.01 «Наземные транспортно-технологические средства» и направлению подготовки магистров 23.04.02 «Наземные транспортно-технологические комплексы». Оно можетбыть рекомендовано для студентов родственных технических специ4альностей по укрупненной группе направлений подготовки «Техника итехнологии наземного транспорта», а также для аспирантов по направлению подготовки научно-педагогических кадров 15.06.01 –«Машиностроение», ведущих научные исследования в области подъемно-транспортного, строительного и дорожного машиностроения.Учебное пособие может быть использовано при выполнениикурсовых проектов и работ по таким учебным дисциплинам профессионального цикла, как «Конструкция, теория и проектированиестроительных, дорожных машин и оборудования», «Конструкция,теория и проектирование грузоподъемных машин и оборудования»,«Конструкция, теория и проектирование машин и оборудования непрерывного транспорта», «Строительная механика и металлическиеконструкции», «Математическое моделирование наземных транспортно-технологических средств и комплексов» и «Системы автоматизированного проектирования подъемно-транспортных, строительных и дорожных машин», а также при выполнении дипломных проектов и магистерских диссертаций.Учебное пособие состоит из двух глав.В первой главе приведены основные понятия и соотношения метода конечных элементов, рассматриваются расчеты напряженно-деформированного состояния портала грузоподъемной машины с применением аналитических методов строительной механики и МКЭ, а такжерасчеты ряда других конструкций и их элементов применительно кподъёмно-транспортным машинам, выполненные с помощью специализированного программного комплекса МГТУ им.

Н.Э. Баумана.Во второй главе рассматриваются основные приемы работы в программном комплексе NX Nastran, методики исследования напряженнодеформированного состояния несущих металлоконструкций грузоподъемных машин на примере мостового и башенного кранов с использованием стержневых и пластинчатых конечных элементов, приводятся пошаговые инструкции по построению конечноэлементных моделей.В конце глав помещены вопросы для самоконтроля, позволяющие читателю самостоятельно контролировать уровень пониманияизложенного в главе материала и умения применять его при решенииконкретных задач.Данное учебное пособие – результат многолетнего научно-педагогического сотрудничества работников кафедры «Подъемно-транспортные системы» Московского государственного технического уни5верситета им.

Н.Э. Баумана проф. А.В. Вершинского и доц. А.Н. Шубина и Брянского государственного университета им. акад. И.Г. Петровского проф. А.В. Лагерева и доц. И.А. Лагерева.Авторы надеются, что публикуемый материал будет интересен иполезен научным работникам, аспирантам и докторантам, занимающимся вопросами исследования напряженно-деформированного состояния грузоподъемных машин, а также инженерно-техническимработникам машиностроения, транспорта, строительства и других отраслей промышленности Российской Федерации.Авторы с благодарностью примут замечания и предложения читателей и просят направлять их по адресу: 241036, г. Брянск, ул.

Бежицкая, д. 14, Брянский государственный университет им. акад. И.Г.Петровского или по электронной почте lagerev-bgu@yandex.ru.6ВВЕДЕНИЕС развитием вычислительной техники все большее применениенаходят системы автоматизированного проектирования (САПР). Если50 лет назад они использовались для простых расчетов на некоторыхстадиях проектирования, то современные инженеры выполняют всюработу с помощью специализированных САПР.Сегодня на передовых промышленных предприятиях внедреныCALS-системы, позволяющие автоматизировать все процессы, связанные с жизненным циклом изделия.

Жизненный цикл любого изделия включает в себя проектирование, подготовку производства, производство, эксплуатацию и утилизацию.CALS-технологии – это технологии комплексной компьютеризации сфер промышленного производства. Развитие CALS-технологий должно привести к появлению так называемых виртуальных производств, при которых процесс создания спецификаций с информацией для программно управляемого технологического оборудования,достаточной для изготовления изделия, может быть распределен вовремени и пространстве между многими организационно автономными проектными студиями.Важным этапом проектирования подъемно-транспортной машины является оценка напряженно-деформированного состояния (НДС)несущей металлической конструкции. Для этого все чаще используются программные пакеты, реализующие метод конечных элементов.В ходе расчета определяются напряжения и деформации, оцениваются частоты и формы собственных и вынужденных колебаний, определяется коэффициент запаса по устойчивости.Следует понимать, что окончательное решение о соответствиипроектируемой конструкции требованиям прочности, устойчивости,жесткости принимается инженером.

Результаты расчета с помощьюМКЭ могут содержать существенную погрешность. Поэтому помимоконечноэлементных расчетов следует выполнять проверочные аналитические расчеты, проводить экспериментальные исследования намоделях и натурных образцах. Только такие комплексные изысканияпозволят обеспечить надежную и безопасную работу подъемнотранспортной машины в течение всего срока эксплуатации.7Основы метода конечных элементовГЛАВА 1ОСНОВЫ МЕТОДА КОНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВМеталлические конструкции современных подъемно-транспортных машин отличаются большим разнообразием, что связано с особенностями различных типов этих изделий. Применительно к грузоподъемным машинам эти особенности, например, определяются назначением крана и видом металлоконструкций, их элементов и узлов.Краны имеют решетчатые и балочные металлоконструкции. Решетчатые металлоконструкции по сравнению с балочными отличаются пониженной массой и достаточно высокой жесткостью, однако имеютповышенную трудоемкость изготовления.Металлоконструкции портальных кранов, а также опорныестроения козловых кранов и мостовых перегружателей имеют видпортала, соединенного в нижней части стяжкой.