Диссертация (1173130), страница 24
Текст из файла (страница 24)
j.k bi. j.k2 145 3q4.1.1 q4.1.2 m4.1 g403,3 9,81 4,55 Н/мм2.2lкi. j.k bi. j.k2 145 3а)б)Рисунок 5.31 – Нагружение физической модели металлоконструкции на основеУКСКК по схеме №4: а) физическая модель, нагруженная экспериментальнымгрузом; б) расчётная схема металлоконструкции в случае нагружения №4Упругие деформации элементов физической модели металлоконструкциификсируются с помощью измерительных линеек и отвесов, закрепляемых в выде-165ленных контрольных точках (рисунок 5.32 б).
Данный метод измерений положительно зарекомендовал себя в технической диагностике металлоконструкций грузоподъёмных машин, позволяет получить необходимую точность измерений ипроводить параллельные измерения перемещений контрольных точек после приложения внешней нагрузки.а)б)Рисунок 5.32 – Характерные этапы проведения экспериментального исследования: а) нагружение физической модели через передаточную подкладку; б) измерение вертикальных перемещений контрольных точек физической модели металлоконструкции с УКСКК.Методика проведения экспериментального исследования основывается натребованиях, предъявляемых к статическим испытаниям грузоподъёмных машин[101], и включает в себя следующие операции:1.
Нагружение требуемых элементов металлоконструкции при помощи экспериментальных грузов и передаточных прокладок.2. Измерение вертикальных перемещений контрольных точек физическоймодели металлоконструкции на основе УКСКК.3. Выдерживание металлоконструкции под нагрузкой в течении 10 минут.4. Снятие внешней нагрузки, действующей на физическую модель.5. Контроль остаточных пластических деформаций несущих элементов физической модели металлоконструкции на основе УКСКК.1665.9.2 Разработка конечно-элементной модели исследуемойметаллоконструкции на основе универсальной компоновочной схемыкомплексной конфигурацииТак как предлагаемые металлоконструкции грузовых тележек на основеУКС являются тонкостенными при проведении моделирования их напряжённодеформированного состояния с помочью МКЭ использовались плоские четырёхузловые конечные элементы. Такой подход позволяет получить необходимуюточность при определении значений напряжений и деформаций тонкостенных элементов без возникновения погрешностей и чрезмерного усложнения модели.
Однако для моделирования пространственных конструкций с болтовыми соединениямиперспективным также является применение объёмных конечных элементов, которые позволяют оценивать напряжённо-деформированное состояние в теле болта, атакже в точках соединяемых элементов, расположенных вблизи отверстий.Оценка применимости различных типов конечных элементов для расчётаметаллоконструкций с УКС может быть произведена с помощью сравнительногоанализа результатов, полученных на примере одной и той же модели. В данномслучае в качестве объекта расчёта используется геометрическая модель экспериментально исследуемой металлоконструкции. Для упрощения расчёта геометрическая модель построена сплошной без учета болтовых соединений. Расчёт выполнялся с использованием расчётной схемы №1.Сравнительный анализ проводится для двух расчётных случаев: в первомслучае для моделирования применены плоские четырёхузловые конечные элементы (рисунок 5.33 а), во втором модель состоит из объёмных конечных элементов(четырёхузловых тетраэдров) (рисунок 5.33 б).
В обоих случаях максимальныйразмер конечного элемента был принят равным 10 мм. Задание свойств конечныхэлементов происходило из предположения, что материал металлоконструкции обладает линейными изотропными свойствами, модуль Юнга равен 2,1∙1011 Па, коэффициент Пуассона равен 0,3. Ограничения модели накладывались на нижниеграни диагональных элементов, перпендикулярные их осевым линиям, расположенные в конце диагоналей около точек A, B, C, D. Для получения более точнойкартины напряжённо деформированного состояния ограничения задавались по167системе координат, в которой оси плоскости ХY направлены перпендикулярноосевым линиям диагональных элементов (рисунок 5.28 б). Так в опоре 1 перемещения ограничены вдоль оси Z, в опоре 2 перемещения ограничены вдоль оси X иZ, в опоре 3 перемещения ограничены по всем осям, в опоре 4 перемещения ограничены вдоль оси Y и Z [18, 70].
Моделирование происходило с использованиемпрограммногопакетаANSYS.Полученныекартинынапряжённо-деформированного состояния показаны на рисунках 5.34, 5.35.а)б)Рисунок 5.33 – Конечно-элементные модели, используемые при сравнительноманализе: а) при использовании плоских четырёхузловых конечных элементов;б) при использовании объёмных четырёхузловых тетраэдроов.а)б)Рисунок 5.34 – Картины распределения напряжений (МПа) в модели:а) при использовании плоских четырёхузловых конечных элементов;б) при использовании объёмных четырёхузловых тетраэдров.168а)б)Рисунок 5.35 – Картины распределения деформаций (мм) в модели:а) при использовании плоских четырёхузловых конечных элементов;б) при использовании объёмных четырёхузловых тетраэдроов.При анализе сравнивались значения напряжений и деформаций, полученные в точках E, F, G, H, O, а также в точках, расположенных на хордовых H1.1, H1.2и радиальных элементах R1.1.1 и R 1.1.2.
Значения полученных результатов показаныв таблице 5.2.Таблица 5.2 – Результаты расчётов напряжений и деформаций в исследуемыхконечно-элементных моделях.ИсследуемыйпоказательНапряжения,МПаТип конечных элементовПлоские49.63 49.63 49.63 49.63 58.16 25.56 36.98 0.50.5Объёмные38.35 38.35 38.35 38.35 46.58 25.66 37.14 0.410.41Разница, %22.718ПлоскиеДеформации,ммКонтрольные точкиEF22.7G22.7H22.7O19.9H1.10.39H1.20.43R1.1.118R 1.1.20.531 0.531 0.531 0.531 0.775 0.297 0.619 0.434 0.434Объёмные0.532 0.532 0.532 0.532 0.771 0.30.619 0.435 0.435Разница, %0.1900.190.190.190.521.010.230.23Полученные результаты показывают, что максимальная разница между значениями действующих напряжений при использовании указанных типов конечных элементов достигает 22,7%.
Разность значений деформаций элементов крайне169мала и не превышает 1,01%. Соответственно при моделировании деформированного состояния металлоконструкций на основе УКС в равной степени можно использовать модели, состоящие из плоских четырёхузловых конечных элементов ииз объёмных четырёхузловых тетраэдров.Конечно-элементная модель исследуемой металлоконструкции с разъёмными болтовыми соединениями показана на рисунке 5.36. Взаимодействие междусопряжёнными поверхностями несущих элементов металлоконструкции, а такжемежду поверхностями несущих элементов и поверхностями болтов моделировались с помощью наложения фрикционных контактных взаимодействий с коэффициентом сухого трения 0,16. Взаимодействие между болтом и гайкой моделировались с помощью абсолютно жёстких контактных взаимодействий не допускающих взаимных перемещений и поворотов тел относительно координатных осей.Рисунок 5.36 – Конечно-элементная модель экспериментальной металлоконструкции тележки на основе УКСКК с разъёмными болтовыми соединениями.С использованием разработанной конечно-элементной модели производятсярасчёты деформированного состояния металлоконструкции при приложении кней нагрузок согласно описанным схемам нагружения № 1-4.
Закрепления модели, размеры и свойства конечных элементов назначаются аналогично описаннымвыше твердотельным цельным моделям.1705.9.3 Результаты экспериментального исследованияЗначения деформаций несущих элементов рассматриваемой модели металлоконструкции на основе УКСКК, полученные в ходе экспериментального исследования и моделирования деформированного состояния методом конечных элементов, представлены в таблице 5.3. Картины распределения деформаций и эквивалентных напряжений (по Мизесу) в элементах модели показаны на рисунках5.37, 5.38.Таблица 5.3 – Значения деформаций несущих элементов физической моделиметаллоконструкции тележки с УКСККСхема нагружения № 1Контрольные точкиDEFGHO66.5 71.5 70.5667165.5A74B66.5C69.573.565.8696669.868.564.569630.50.70.50.51.721.522.50.221 0.298 0.215 0.304 1.0821.341.0791.3861.9540.279 0.402 0.285 0.196 0.6180.660.4210.6140.54655.857.45739.236.43328.130.721.8Схема нагружения № 2Контрольные точкиDEFGHO66.2 70.87166.170.565A74.3B66.7C69.273.766.168.76670.269.76569.8640.60.60.50.20.61.31.10.710.080.205 0.171 0.114 0.438 0.7230.6350.5380.8360.520.395 0.329 0.086 0.162 0.5770.4650.1620.16486.765.965.9A74.3B66.7C69.27466.26966.269.769.765.269.663.70.30.50.201.11.30.90.91.30.155 0.324 0.155 0.171 0.757 1.2340.7550.8271.3390.145 0.176 0.045 0.171 0.343 0.0660.1450.0730.03948.316.18.1335.222.54344.442.323.116.4Схема нагружения № 3Контрольные точкиDEFGHO66.2 70.87166.170.5651002731.25.1ПараметрВысота отвеса без нагрузкиВысота отвеса под нагрузкойПеремещение точек в ходенагруженияПеремещение точек согласно МКЭ анализуАбсолютная разницаперемещенийОтносительная разница перемещений, %ПараметрВысота отвеса без нагрузкиВысота отвеса под нагрузкойПеремещение точек в ходенагруженияПеремещение точек согласно МКЭ анализуАбсолютная разницаперемещенийОтносительная разницаперемещений, %ПараметрВысота отвеса без нагрузкиВысота отвеса под нагрузкойПеремещение точек в ходенагруженияПеремещение точек согласно МКЭ анализуАбсолютная разницаперемещенийОтносительная разницаперемещений, %171продолжение таблицы 5.3A74.374B66.766.5C69.2690.30.20.2Схема нагружения № 4Контрольные точкиDEFGHO66.2 70.87166.170.56566.2 69.8 70.1 65.269.663.80.91.20.134 0.152 0.122 0.168 0.553 0.611 0.5240.6570.8420.166 0.048 0.078 0.168 0.447 0.289 0.3760.2430.3582729.855.324390100144.70.932.10.941.8ПараметрВысота отвеса без нагрузкиВысота отвеса под нагрузкойПеремещение точек в ходенагруженияПеремещение точек согласно МКЭ анализуАбсолютная разницаперемещенийОтносительная разницаперемещений, %а)б)в)г)Рисунок 5.37 – Деформированное состояние тележки при различных схемахнагружения: а) схема нагружения №1; б) схема нагружения №2; в) схема нагружения №3; г) схема нагружения №4.172а)б)в)г)Рисунок 5.38 – Напряжённое состояние тележки при различных схемах нагружения: а) схема нагружения №1; б) схема нагружения №2; в) схема нагружения №3;г) схема нагружения №4.Как и ожидалось, максимальные деформации в контрольных точках возникают при нагружении исследуемой модели по схеме №1 и достигают согласно результатам экспериментальных измерений 2,5 мм (точка О).
При нагружении модели по схемам № 2-4 измеренные деформации не превысили 1.3 мм. Следует отметить, что все деформации модели металлоконструкции являлись упругими, наличие остаточных пластических деформаций при проведении эксперимента выявленоне было. Данные обстоятельства доказывают высокую несущую способность тележек на основе УКС.173Анализ данных таблицы 5.3 позволяет заключить, что схождение результатовэксперимента и конечно-элементного анализа зависит от размеров полученных деформаций и улучшается с их ростом. Так значения деформаций, полученные дляточек A, B, C, D обладают низкой сходимостью. Это объясняется малой величинойперемещений металлоконструкции в этих точках, точное измерение которой в рамках проводимого эксперимента является сложной задачей. Разница полученныхданных для точек Е, F, G, H, O составляет:1) от 28,1% до 36,4% для схемы нагружения №1.2) от 16,4% до 44,4% для схемы нагружения №2.3) от 3% до 31,2% для схемы нагружения №3.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
