Сравнительный анализ традиционных и современных технологий расчета сложных металлоконструкций на примере проектирования козлового крана

Корнелий Поссе, Леонид Морозов

Пример проекта крановой конструкции, выполненного в НПФ «РЕКРАН», — козловой кран ККШМР24-5К-32

Технологии прочностного расчета крановых конструкций

Сравнительный анализ результатов, полученных различными методами расчета

В данной публикации авторы продолжают тему, начатую в статье из № 4’2003, где рассказывается об опыте использования CAD/CAE-системы APM WinMachine, разработанной компанией НТЦ АПМ при проектировании подъемно-транспортного оборудования широкого назначения.

Пример проекта крановой конструкции, выполненного в НПФ «РЕКРАН», — козловой кран ККШМР24-5К-32

Типовая схема установки козловых кранов с консолями на складах, обслуживаемых железнодорожным и автомобильным транспортом, предусматривает складирование в пределах пролета крана, а прием и отправку грузов — со стороны консолей.

При выгрузке длинномерных грузов из железнодорожных вагонов выявляется один из недостатков большинства козловых кранов — недостаточное расстояние в свету между стойками опор. Для проноса груза через опору приходится опускать и поворачивать груз, что снижает производительность и безопасность проведения погрузочно-разгрузочных работ.

НПФ «РЕКРАН» разработан проект козлового магнитного крана с траверсой ККШМР24-5К-32 с увеличенной базой, позволяющего проносить через опоры грузы длиной до 12 м на высоте 5,35 м без разворота.

Общий вид крана представлен на рис. 1.

Рис. 1. Общий вид крана

Металлоконструкция крана состоит из пролетного строения (моста), опирающегося на жесткую и гибкую опоры, соединяемые с мостом затяжками оригинальной конструкции. Пролетное строение — разъемное, состоящее из пролетных и концевых балок коробчатого сечения и площадок обслуживания. Пролетные балки соединяются с концевыми фланцевыми болтовыми соединениями. Пролетные балки моста соединяются с затяжками, а затяжки — с опорами посредством фланцевых кронштейнов, обеспечивающих пространственную неизменяемость конструкции после их приварки.

Наклонные стойки жесткой опоры состоят из четырех уголковых поясов, образующих прямоугольное сечение. Пояса по длине связаны между собой швеллерами, образуя безраскосные фермы. Наклонные стойки гибкой опоры состоят из двух швеллеров, связанных между собой по длине листовыми диафрагмами в безраскосные фермы. Пояса в нескольких панелях ферм усилены продольно расположенными уголками.

Верхние оголовки наклонных стоек опор вставляются между двумя затяжками и соединяются с ними при помощи осей и фланцевых кронштейнов. Нижние части стоек опор соединяются фланцевыми болтовыми соединениями с шарнирами балансирных ходовых тележек механизма передвижения крана.

Между собой затяжки жесткой и гибкой опор соединены фермами, воспринимающими нагрузки при перекосе крана.

Внизу наклонные стойки опор соединены между собой стяжкой при помощи осей, образуя шарнирное соединение. Стяжка состоит из двух частей, связанных болтовым соединением, а поперечное сечение — из двух разнесенных швеллеров. В середине стяжки установлены две опоры, и она сверху усилена отбойниками.

В настоящее время ОАО «Кран-УМЗ» заканчивает изготовление крана для ОАО «Волжский трубный завод».

Технологии прочностного расчета крановых конструкций

Традиционные расчеты на прочность крановых металлоконструкций основаны на предположении плоской схемы их работы, тогда как их элементы работают как пространственные системы. Например, расчет моста козлового крана с двумя пролетными балками листовой конструкции обычно заключается в расчете отдельных балок с приложенными расчетными нагрузками и выбранным типом опор. Опоры рассчитываются как плоские системы, при этом пространственные жесткие опоры разделяются на плоские фермы с соответствующим перераспределением нагрузок.

Таким же образом рассчитываются и ферменные конструкции мостов.

Данный подход традиционно обусловлен тем, что методы расчета развивались, опираясь на ручной способ вычисления с применением простых счетных устройств и приспособлений. В сложных случаях трудно оценить точность таких расчетов без экспериментальной проверки на моделях и изделиях.

В настоящее время в связи с развитием вычислительной техники, в том числе в связи с разработкой специальных программ для расчета пространственных конструкций, постепенно исчезает необходимость в разбивке на плоские элементы и вообще в расчете изолированных крупных узлов металлоконструкций.

Применение метода конечных элементов позволило зарубежным фирмам создать такие мощные программные средства, как ANSYS, Nastran, Cosmos и др. Одной из альтернатив этим зарубежным программным продуктам для расчета крановых конструкций является отечественный модуль конечно-элементного анализа APM Structure3D, входящий в состав CAD/CAE/CAM/PDM-системы APM WinMachine. Его главным преимуществом является русскоязычный интерфейс, а также приемлемая цена. Модуль создан в научно-техническом центре «Автоматизированное проектирование машин» под руководством доктора технических наук, профессора В.В.Шелофаста.

При проектировании козлового крана ККШМР24-5К-32-5,35 необходимые расчеты на прочность с целью оценки сходимости результатов были выполнены как традиционными методами, так и с помощью модуля APM Structure3D.

Традиционные расчеты включали расчеты пролетных балок листовой коробчатой конструкции. Пролетная балка рассматривалась по схеме балки на двух шарнирных опорах с консолями.

Сравнительный анализ результатов, полученных различными методами расчета

При расчете опор рассматривались: рама крана, состоящая из двух стоек жесткой опоры, двух стоек гибкой опоры и пролетного строения; рама жесткой опоры, состоящая из двух стоек жесткой опоры, ригеля и стяжки; рама гибкой опоры, состоящая из двух стоек гибкой опоры, ригеля и стяжки.

В качестве ригеля принимались две балки затяжки.

Выполнялся расчет жесткой опоры с разбивкой наклонной стойки на четыре плоские безраскосные конструкции и расчет гибкой опоры как плоской безраскосной фермы.

Для обеспечения выполнения расчетов были сделаны следующие упрощающие допущения:

• при расчете пролетных балок расстояние между опорами было принято равным пролету крана, что не соответствует реальной схеме нагружения, так как пролетные балки опираются на затяжки, разнесенные по краям опор, а следовательно, балка на самом деле опирается в четырех сечениях;

• при расчете рамы крана высота рамы была выбрана до горизонтальной оси пролетной балки, что соответствует действительности только приблизительно;

• соединение опоры с пролетными балками в расчетной схеме соответствует жесткой заделке, хотя фактически оно ближе к разнесенным шарнирным соединениям;

• при рассмотрении рам жесткой и гибкой опор расчетная высота рам определяется по оси присоединения опоры с затяжкой, но жесткой заделки между ними реально не существует.

Некоторые из этих допущений были частично скорректированы при определении эквивалентных моментов инерции опор.

Расчет безраскосных ферм производился по приближенному способу расчета, предложенному В.В.Пясецким по формулам Н.А.Баранова^1,2, как наиболее доступному и экономичному.

Основные характеристики крана

При использовании модуля конечно-элементного анализа APM Structure3D была представлена металлоконструкция в целом с учетом наличия шарниров в соединениях стоек опор с затяжками, пролетных балок с затяжками, стоек опор со стяжками.

Не обошлось и без допущений при конечно-элементном методе расчета. Поскольку применялась схема представления элементов как стержней, то материальные связи между стержнями в пространственном континууме показывались дополнительными стержнями с длинами, равными соответствующей протяженности размера сечения. Поперечное сечение этих стержней связи принималось таким же, как сечение основного стержня. Такое допущение делалось для того, чтобы учесть эксцентриситет присоединения элементов друг к другу.

Модуль APM Structure3D позволяет не только рассматривать конструкцию в целом, но и предусматривать расчетные закрепления и опоры в любой их комбинации, оперативно изменять сочетания нагрузок, получать исчерпывающие расчетные данные по любому элементу конструкции — таким образом, преимущество модуля APM Structure3D очевидно. Поэтому сравнивать его с традиционным расчетом можно только по полученным величинам напряжений в наиболее нагруженных элементах, подтверждая или опровергая полученный результат традиционного расчета.

В то же время при определении некоторых регламентируемых параметров³, например прогибов пролетной балки, при проведении расчетов традиционным методом достаточно применить формулу — и достигается результат, в то время как в модуле APM Structure3D требуется изменить все приложенные нагрузки и повторить расчет, что более трудоемко.

Рис. 2. Груз расположен на консоли со стороны гибкой опоры: а — расчетная схема нагружения металлоконструкции крана; б — расчетные напряжения в стержнях и характерных сечениях

Рис. 3. Груз расположен на консоли со стороны жесткой опоры: а — расчетная схема нагружения металлоконструкции крана; б — расчетные напряжения в стержнях и характерных сечениях

Результаты расчетов, выполненных в модуле APM Structure3D, представлены на рис. 2 и 3 и в таблицах. На рисунках показаны схема нагружения металлоконструкции, схема напряжений по результатам расчета и распределение напряжений в характерных сечениях.

В таблицах приведены некоторые результаты расчетов обоими методами. В табл. 1 напряжения рассчитаны с учетом инерционных нагрузок при расположении номинального груза со стороны соответствующей опоры.

В табл. 2 приведены максимальные значения характерных параметров отдельных элементов металлоконструкции крана.

Следует отметить, что рассчитанные напряжения по обоим методам расчета находятся в допустимом интервале напряжений. Допускаемые расчетные сопротивления в данном случае равны: для опор — 211 МПа, для пролетных балок — 247 МПа, для затяжек — 235 МПа, для оси соединения затяжки с опорой — 339 МПа.

Сравнивая данные табл. 1, можно сделать вывод, что при сохранении общей тенденции изменения напряжений в опасных сечениях гибкой опоры при расчете по программе АРМ напряжения значительно больше по величине, а напряжения в опасных сечениях жесткой опоры меньше, чем рассчитанные по традиционной методике.

Таблица 1. Максимальные напряжения в поясах опор при разгоне крана при традиционной методике и с помощью модуля APM Structure3D, МПа

Таблица 2. Результирующие нагрузки и напряжения в отдельных элементах металлоконструкции крана

Данные, приведенные в табл. 2, наглядно показывают, что применение модуля APM Structure3D позволяет более точно учесть действующие напряжения, которые оказываются меньше, чем при традиционных подходах для многих элементов металлоконструкции крана.

При использовании приближенных аналитических способов расчета (традиционных) создание конструкции, отвечающей всем требованиям безопасной эксплуатации крана, достигается при больших запасах прочности.

Расчет с помощью модуля APM Structure3D обеспечивает применение более рациональных и экономичных конструктивных решений, способствующих экономии материалов, а следовательно, снижающих себестоимость изделия. Благодаря подобным инструментам также становится вполне возможным проектирование подъемно-транспортного оборудования, конкурентоспособного в отношении западных аналогов.

Хотелось бы отметить, что программные продукты НТЦ АПМ не уступают западным аналогам, но стоят при этом значительно меньше. Мы желаем коллективу научно-технического центра не останавливаться на достигнутом и продолжать совершенствовать программные продукты до полного удовлетворения пожеланий пользователей.

¹Ланг А.Г., Мазовер И.С., Майзель В.С. Портальные краны. 2-е изд. М.; Л.: Машгиз, 1962. 284 с.

²Справочник по кранам: В 2 т. Т. 1/Под общ. ред. М.М.Гохберга. Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1988. 536 с.

³СТО 24.09-5821-01-93. Краны грузоподъемные. Нормы и методы расчета элементов стальных конструкций: Стандарт ВНИИПТМАШ — Подъемтранстехника. 135 с.

САПР и графика 12`2005