Пособие по МКЭ (864300), страница 20
Текст из файла (страница 20)
167 показана конечноэлементная модель рукояти с заданными граничными условиями для 1 варианта конфигурации стрелы икомбинации нагрузок IIa. Эта комбинация нагрузок вызывает наибольшие напряжения в конструкции.Модель закреплена в области опирания рукояти на стрелу. Закрепления приложены по окружностям, соприкасающимся с опорноповоротным шарниром.Тяговое усилие верхнего гидроцилиндра приложено к 18 узлам конечноэлементной модели, лежащим на границе отверстий проушинприкрепления штока к рукояти (по 9 узлов на одну проушину).В области крепления крюка приложены нагрузки вдоль 3-х координатных осей.
Продольная (вдоль оси х), вертикальная (вдоль оси у) и169Расчеты с использованием универсальных программных комплексовбоковая (вдоль оси z) нагрузки приложены к 10 узлам, расположеннымна окружностях отверстий проушин (по 5 узлов на одну проушину).Ветровая нагрузка приложена к боковой плоскости стрелы. Гравитационная нагрузка от собственного веса задана с помощью поля.а)б)в)Рис. 167.
Схема приложения граничных условий к рукоятидля 1 варианта и комбинации нагрузок IIa:а – общий вид секции; б – область опирания рукояти на стрелу;в – область крепления крюкаСхема приложения нагрузок для комбинаций IIb и IIc аналогична,отличаются только значения силовых факторов. В комбинации III вобласти крепления крюка отсутствуют силы вдоль осей x и z.На рис.
168 показана конечноэлементная модель стрелы с заданными граничными условиями для 1 варианта и комбинации нагрузокIIa. Схема приложения нагрузок для комбинаций IIb, IIc и III анало170Расчеты с использованием универсальных программных комплексовгична, отличаются только значения силовых факторов.
Как и при расчете рукояти силы приложены в группах по 10 узлов, чтобы избежатьискусственной концентрации напряжений.а)б)г)в)д)Рис. 168. Схема приложения граничных условий для стрелыдля 1 варианта и комбинации нагрузок IIa:а – общий вид секции; б – область опирания рукояти; в – проушина верхнегогидроцилиндра; г – проушина нижнего гидроцилиндра; д – опора стрелы171Расчеты с использованием универсальных программных комплексовНа рис.
169 показана конечноэлементная модель поворотной колонны с заданными граничными условиями для 1 варианта и комбинации нагрузок IIa. Схема приложения нагрузок для комбинаций IIb, IIcи III аналогична, отличаются только значения силовых факторов.а)б)в)Рис. 169. Схема приложения граничных условий для поворотной колонныдля 1 варианта и комбинации нагрузок IIa:а – общий вид; б – опора стрелы; в – опора нижнего гидроцилиндра172Расчеты с использованием универсальных программных комплексовНа рис. 170 показана полная конечноэлементная модель кранаманипулятора. Модель включает в себя все элементы несущей металлоконструкции крана-манипулятора: поворотную колонну, стрелу,рукоять, два гидроцилиндра, шарниры. При ее построении использованы результаты проведенных научных исследований.Рис.
170. Полная конечноэлементная модельСхемы приложения внешних силовых и кинематических граничных условий для полной модели совпадают с раздельной моделью.На рис. 171 показаны области соединения звеньев стрелы кранаманипулятора. В этих областях расположены шарниры.173Расчеты с использованием универсальных программных комплексова)б)в)г)Рис. 171. Области соединения звеньев стрелы крана-манипулятораполной конечноэлементной модели:а – соединение рукояти и стрелы, крепление верхнего гидроцилиндрак рукояти; б – крепление верхнего гидроцилиндра к стреле;в – крепление нижнего гидроцилиндра к стреле;г – крепление верхнего гидроцилиндра к поворотной колоннеОсновные параметры построенных конечноэлементных моделейприведены в табл.
19.Таблица 19Параметры конечноэлементных моделейМодельЭлемент моделиЧисло узловРаздельнаяРукоятьСтрелаПоворотнаяколоннаВся модель–Полная17469587148127201498Числоконечныхэлементов65572142667192882Числостепенейсвободы417522888762120898841921242937240112142874425152722576232Расчеты с использованием универсальных программных комплексовВыполнен статический расчет напряженно-деформированногосостояния крана-манипулятора с использованием разработанной методики и конечноэлементных моделей (полной с моделями шарниров,полной с жестким соединением звеньев, раздельной).Сравним результаты, полученные с использованием различныхмоделей, на примере первого варианта конфигурации стрелы и грузоподъемности 750 кг.
На рис. 172 показаны эквивалентные напряжения (Па) и суммарные перемещения (м) в элементах раздельной модели (рукояти, стреле, поворотной колонне).Напряжения, ПаПеремещения, ма)Напряжения, ПаПеремещения, мб)Напряжения, ПаПеремещения, мв)Рис. 172. Результаты расчета с использованием раздельной модели:а – рукоять; б – стрела; в – поворотная колонна175Расчеты с использованием универсальных программных комплексовНа рис. 173 показаны эквивалентные напряжения, а на рис. 174 –суммарные перемещения в полной модели крана-манипулятора с моделями шарниров.Рис. 173. Эквивалентные напряжения в металлоконструкции, ПаРис. 174. Суммарные перемещения металлоконструкции, м176Расчеты с использованием универсальных программных комплексовВ табл. 20 приведены результаты расчета напряжений, действующих в характерных точках несущей металлоконструкции кранаманипулятора с использованием разработанных конечноэлементныхмоделей.Величины напряжений в отдельных элементах не могут бытьиспользованы для достоверной оценки прочности.
Поэтому результаты расчета напряжений даны в виде диапазонов значений напряжений в окрестностях опасных зон конструкции. Следует отметить, чтов пределах этих зон встречаются отдельные конечные элементы, напряжения в которых на 10…20% отличаются от указанных значений.Таблица 20Эквивалентные напряжения по МизесуЭлементконструкцииПояса рукоятиОбечайка и накладкарукоятиПояса головнойчасти стрелыПояса хвостовойчасти стрелыВнутренняя трубаповоротной колонныНаружная трубаповоротной колонныТип МКЭ-моделиНапряжения, МПаПолная с моделями шарнировПолная с жестким соединениемзвеньевРаздельнаяПолная с моделями шарнировПолная с жестким соединениемзвеньевРаздельнаяПолная с моделями шарнировПолная с жестким соединениемзвеньевРаздельнаяПолная с моделями шарнировПолная с жестким соединениемзвеньевРаздельнаяПолная с моделями шарнировПолная с жестким соединениемзвеньевРаздельнаяПолная с моделями шарнировПолная с жестким соединениемзвеньевРаздельная140…160140…160180…200250…270240…260250…270180…200180…200240…260120…140120…140260…280180…200180…200200…22080…10080…100100…120177Расчеты с использованием универсальных программных комплексовВ табл.
21 приведены результаты вычисления перемещений характерных точек несущей металлоконструкции крана-манипулятора сиспользованием разработанных моделей.Таблица 21Перемещения конструкции крана-манипулятораЭлементконструкцииРукоятьСтрелаПоворотная колоннаТип МКЭ-моделиРаздельнаяРаздельнаяРаздельнаяПолная с моделямишарнировПолная с жесткимПеремещение точки соединением звеньевподвеса крюкаРаздельнаяЭксперимент(при нагрузке 950кг)Перемещение шарни- Полная с моделямира, соединяющегошарнироврукоять и стрелуПолная с жестким(точка Е, рис. 2.3)соединением звеньевРаздельнаяПеремещениеПолная с моделямишарнира,шарнировсоединяющего стрелуПолная с жесткими поворотную колонну соединением звеньев(точка С, рис.
2.3)РаздельнаяПеремещения, мПо оси x По оси y По оси z0,00090,01900,00700,00300,06460,02900,01300,00180,00800,04600,09040,18550,04300,08550,12800,0170–0,08540,01200,0444–0,04800,02530,11000,04700,02350,08200,01600,00800,06640,00370,03640,00430,00790,00320,00460,01320,00180,0080Проанализировав результаты (табл. 20 и 21) можно сделать следующие выводы.1. Результаты расчета подтверждаются известными результатами статических испытаний с грузом в 930 кг (125% от номинальнойгрузоподъемности).
Величина упругого прогиба составила 0,12 м,что при переводе на номинальную грузоподъемность дает прогиб0,096 м. Таким образом, погрешность в определении вертикальногопрогиба с использованием полной модели составляет 6%, раздельной– 12%. Несколько больший экспериментальный прогиб объясняетсянесовершенством реальной конструкции по отношению к модели ипогрешностями натурных измерений.178Расчеты с использованием универсальных программных комплексов2. Косвенным подтверждением результатов расчета являетсясоответствие напряжений, действующих в наиболее опасных зонахконструкции, допускаемым напряжениям (240..250 МПа в раскосерукояти при величине допускаемых 268 МПа).3. Раздельная модель дает завышенные значения напряжений изаниженные значения перемещений.
Это вызвано искажением реальных условий закрепления элементов стрелы, что приводит к увеличению жесткости конструкции. Напряжения, вычисленные с применением раздельной модели, в целом на 20…30% выше по сравнению снапряжениями, вычисленными с применением полной модели. Наибольшая разница (40..50%) отмечена для хвостовой части стрелы. Вто же время, напряжения в элементах поворотной колонны отличаются незначительно (10..15%). Напряжения в обечайке и накладке рукояти практически совпадают (разница не превышает 5%). Причинаэтого – наличие областей сильной концентрации напряжений.4.
Напряжения, вычисленные с применением полной модели сжестким соединением звеньев, с разницей в 2…5% совпадают с напряжениями, вычисленными с применением полной модели с моделями шарниров.5. Перемещения конструкции, вычисленные с применениемполной модели с жестким соединением звеньев, отличаются от перемещений, вычисленных с применением полной модели с моделямишарниров. Жесткие соединения препятствуют свободному перемещению звеньев в шарнирах, поэтому деформации конструкции ниже(вдоль осей x и y на 5…10%; вдоль оси z на 30…50%). Большая разница в результатах деформации вдоль оси z вызвана высокой податливостью шарнира соединения поворотной колонны и стрелы кранаманипулятора.6. С учетом вышеизложенного, при проектировании металлоконструкции крана-манипулятора рекомендуется использовать полную модель, содержащую модели шарниров.7.
Раздельная конечноэлементная модель может использоватьсядля статических расчетов напряженно-деформированного состоянияв том случае, когда не требуется точного вычисления значений напряжений и деформаций. Например, при повышении грузоподъемности, когда достаточно показать, что напряжения и деформации в усиленной конструкции не превышают напряжения и деформации в базовой конструкции.179Расчеты с использованием универсальных программных комплексовВопросы для самоконтроля1.
Назовите широко распространенные промышленные программные комплексы конечноэлементных расчетов.2. Какие разновидности математических моделей объекта исследования применяются при расчетах грузоподъемных машин методом конечных элементов?3. В чем существенные отличия сеточной и конечноэлементноймоделей объекта исследования?4. Как из геометрической получить расчетную геометрическуюмодель объекта исследования?5.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
