Новые методы определения прочности металлоконструкции ГПМ

Ресурс конструкции, в основном, определяется работой наиболее нагруженных узлов объекта, которые обычно находятся в условиях многоосного напряженного состояния, и испытывают знакопеременные деформации. В последние годы для решения этих задач успешно развивается новая дисциплина – Механика поврежденной среды (МПС). При реализации методов МПС возможны два подхода: формулировка сравнительно простых зависимостей для отдельных частных задач и использование полной системы уравнений МПС с разработкой соответствующих средств и программ вычислений на ЭВМ, позволяющих ввести поврежденность в анализ прочности и ресурса инженерных конструкций.

В настоящее время, в основном, реализуется первый подход. Развитие экспериментальной и вычислительной техники, методов решения нелинейных краевых задач на ЭВМ, открывает перспективные возможности использования полных уравнений МПС и на их базе с помощью специальных алгоритмов оценивать выработанный и прогнозировать остаточный ресурс машиностроительных объектов.

Таким образом, разработка и обоснование возможности применения определяющих соотношений МПС, позволяющих свести поврежденность в анализ прочности и ресурса металлоконструкций кранов, является в на­стоящее время актуальной задачей.

Наиболее перспективным, с точки зрения обоснованности и точности прогноза развития поврежденности по объему материала инженерного объекта, является применение математического моделирования деградации материала в сочетании с системами регистрации фактических пара­метров процесса накопления повреждений, позволяющими производить корректировку параметров моделирования.

Оценка прочности и ресурса сложных инженерных объектов, к которым, в частности, относятся металлоконструкции кранов в реалистиче­ских условиях эксплуатации, диктует высокие требования к характеристикам ЭВМ и к качеству программного обеспечения численного моделирования процессов усталостной долговечности. Принципиально важным является радикальное повышение точности расчета нагружений в районе концентраторов (сварных швов, коррозии, точках смены типа граничных условий и в других особых случаях).

Чтобы решить столь сложную проблему, необходим высокий технико-вычислительный потенциал. В настоящее время поставленных целей достигают реализацией серии взаимосвязанных расчетов меньшего уровня сложности: трехмерного упругого расчета, двухмерного упруго пластического расчета отдельных узлов, расчет отдельных зон с учетом образовавшихся в них дефектов.

Для иллюстрации возможности практического применения метода математического моделирования исчерпания ресурса была решена задача оценки прочности и ресурса металлоконструкции крана мостового типа в зависимости от положения груза по его длине (1 вариант расчета - перемещение груза в пролете крана, 2 вариант - перемещение груза по консоли крана). Расчетные исследования выполнены для монотонного ста­тического, динамического (резкая остановка при плавном перемещении) и на усталостную долговечность. Материал крана Ст. 3.

Для общего представления о характере деформирования крана и выявления местоположения узлов «критических» с точки зрения долговечности на первом этапе был поведен упругий расчет по КЭ программе. Кран моделировался в натуральную величину с соблюдением заданных характеристик и геометрических размеров. Исходя из сортаментов используемых профилей, идеализация конструкции крана на конечные элементы проводилась с использованием балочного конечного элемента, который является трехмерным, симметричным в поперечном сечении.