Опыт использования системы APM WinMachine при проектировании башенных кранов в ООО «НИИБК»

Лариса Кошарич

ООО «Научно-исследовательский проектный конструкторско-технологический институт башенного краностроения» (НИИБК), созданное в 1989 году, — одно из тех немногих предприятий отрасли, которое сумело сохранить свои позиции в непростое послеперестроечное время  и сегодня является одной из головных организаций по проектированию подъемных сооружений, в частности башенных кранов.

При исключительно высоких темпах современного строительства требовались башенные краны высокой мобильности, легко и быстро переоборудуемые из одного исполнения в другое. Для выполнения указанных задач была разработана система модульных кранов типа КБМ-401П, которая и сегодня пополняется новыми исполнениями. Реализуется модификация кранов для выполнения погрузочно-разгрузочных работ. В 1995 году начат выпуск стационарного башенного крана КБ-473 с верхним поворотом, высотой подъема груза до 162,4 м и вылетом крюка до 50 м. А в 2001-м коллективом НИИБК создан новый стационарный кран типа КБ-474 для монолитного домостроения и строительства высотных зданий с высотой подъема груза до 222,4 м и вылетом крюка до 55 м. На базе этого крана были созданы его модификации: передвижной и передвижно-приставной вариант.

Сегодня ржевские краны успешно работают на стройках Москвы, Санкт-Петербурга, Екатеринбурга, Ростова-на-Дону, а также в других городах России и за ее пределами: на Украине, в Казахстане, Туркмении и в других странах СНГ. Башенные краны типа КБ-474 использовались в Москве на строительстве таких уникальных зданий, как «Москва-Сити», «Эдельвейс», «Алые паруса», «Триумф-Палас», «Воробьевы горы» и др.

На рынке продукции башенного краностроения представлено достаточное количество самых разных башенных кранов. Импортные башенные краны отличаются, как правило, меньшей, по сравнению с российскими аналогами, материалоемкостью при таких же или больших грузоподъемностях, высоте подъема, вылете крюка. Правда следует отметить, что и цена импортных кранов гораздо выше. Разработка конкурентоспособной продукции в сжатые сроки требует использования компьютерной техники и специализированных программных продуктов для проведения прочностных расчетов. Для этого используются современные конечно-элементные вычислительные комплексы,  позволяющие выполнять прочностные расчеты весьма сложной металлоконструкции и получать исчерпывающие данные по нагружению каждого ее элемента.

Наиболее совершенными, но и самыми дорогостоящими являются такие конечно-элементные пакеты, как ANSYS, NASTRAN, COSMOS и некоторые другие. Недостатком этих продуктов является их англоязычный интерфейс, и для обучения работе в таких пакетах требуется довольно продолжительное время.

Альтернативой указанным конечно-элементным пакетам являются отечественные программные продукты, среди которых выделяется модуль APM Structure3D, входящий в состав системы APM WinMachine. В этом модуле могут быть произведены прочностные расчеты произвольной конструкции, состоящие из стержневых, пластинчатых и объемных конечных элементов. Система APM WinMachine, разрабатываемая компанией НТЦ «Автоматизированное проектирование машин» (г.Королёв Московской обл.), с широким спектром модулей позволяет успешно решать все эти задачи. Для расчета металлоконструкции башенных кранов в нашей организации в основном используется модуль конечно-элементного анализа APM Structure3D и некоторые другие.

Отличительные черты модуля APM Structure3D — простота освоения, наглядность при создании моделей, возможности проведения различных видов расчетов, анализа полученных результатов вычислений и оформления отчетов, в том числе в электронном виде. В этом модуле может быть выполнен статический, деформационный, нелинейный расчеты, а также расчеты устойчивости, собственных частот и вынужденных колебаний.

НИИБК сотрудничает с НТЦ АПМ около пяти лет. За это время было рассчитано много крановых конструкций, модели создавалась с использованием стержневых и пластинчатых конечных элементов в их различных комбинациях. Моделирование особо сложных узлов производилось в трехмерном редакторе — модуле APM Studio, в котором возможно приложить различные виды нагрузок и установить опоры. Затем производилась генерация конечно-элементной сетки, которая передавалась в модуль прочностного расчета.

Приведем примеры решения наших задач.

Кран КБМ-401П — хотя этот кран выпускается с 1986 года, он постоянно модернизируется. Перед нами стояла задача сравнения результатов расчета, полученных традиционным путем и методом конечно-элементного анализа. Расчетная модель нижней части крана, содержащая раму ходовую, платформу поворотную, подкосы и портал крана, выполненная в редакторе APM Structure3D, представлена на рис. 1. Результаты расчета этой конструкции — карта напряжений — даны на рис. 2.

Рис. 1. Твердотельная модель нижней части крана КБМ-401П, выполненная в модуле APM Structure3D

Рис. 2. Карта напряжений нижней части крана КБМ-401П

В процессе создания этой конструкции использовались балочные и ферменные стержневые элементы. Для моделирования работы шарнирных соединений широко использовались такие специализированные режимы, как «Освобождение связей стержневого элемента» и «Шарниры на конце стержня».

При задании нагрузок использовались различные загружения, а также создавалась комбинация загружений. Достоинством версии v 9.0 модуля APM Structure3D является то, что при статическом расчете выполняется расчет для всех загружений, что значительно упрощает работу с конструкцией. В этой версии пользователь также имеет возможность выполнить проверку несущей способности заранее созданных конструктивных элементов на прочность и устойчивость в соответствии со СНиП II-23-81 и осуществить подбор сечения этих элементов по результатам такого расчета.

Сравнивая полученные результаты, специалисты нашего института убедились, что результаты, полученные традиционным (ручным) способом, практически совпадают с результатами, полученными в модуле APM Structure3D, хотя характер нагружения по отдельным элементам несколько отличается.

Производился  расчет стрелы крана КБМ-401П, расчетная модель которого приведена на рис. 3. Целью этого расчета является проверка модификации конструкции стрелы. В этой модели использовался тип элемента «канат» в качестве оттяжек стрелы. Были проведены статический, деформационный и нелинейный расчеты. При анализе полученных результатов были выявлены раскосы, напряжения в которых оказались выше допускаемых. Поперечное сечение таких раскосов было увеличено. Карта напряжений стрелы крана, полученная в результате выполнения деформационного расчета, представлена на рис. 4.

Рис. 3. Расчетная модель стрелы крана КБМ-401П, в которой используются оттяжки типа «канат»

Рис. 4. Карта напряжений стрелы крана КБМ-401П

С помощью модуля APM Structure3D оказалось возможным в течение короткого времени проанализировать и смоделировать возможные ситуации, при которых могли возникнуть разрушения в раскосах кабинной секции крана КБМ-401П (рис. 5).

Рис. 5. Трещина в раскосе кабинной секции крана КБМ-401П

После анализа полученных результатов были сделаны выводы о том, что разрушения произошли вследствие неправильной эксплуатации; впоследствии эти выводы подтвердились. На рис. 6 приведена карта напряжений модели.

Башенный кран типа КБ-474 имеет высоту подъема груза до 222,4 м при вылете крюка  до 55 м. Этот кран является приставным, то есть его башня крепится к стене возводимого сооружения. С увеличением высоты башенного крана возник вопрос, как будут вести себя секции башни ниже связей. Расчетная модель башни такого крана, а также карта его напряжений и результаты расчета по устойчивости (коэффициент запаса и форма потери устойчивости) показаны на рис. 7.

Рис. 6. Карта напряжений модели кабинной секции крана КБМ-401П

Для анализа башни этого крана использовался деформационный расчет, позволяющий учитывать осевые составляющие усилий и дополнительные силовые факторы, возникающие от этих усилий вследствие конечных перемещений их элементов и расчет на устойчивость. Из визуализации формы потери устойчивости видно, что возможная зона потери устойчивости — это только консольная часть башни и часть башни под верхней связью, устойчивость же нижней части башни остается достаточно высокой, то есть  потери устойчивости там не происходит.

Рис. 7. Расчетная модель башни приставного крана КБ-474 с высотой подъема груза до 222 м, карта напряжений башни и результаты расчета по устойчивости, выполненные в модуле APM Structure3D

Производился расчет серьги оттяжки стрелы, которая была смоделирована с помощью пластин. Существующие методы расчета проушин по методикам Ляме, Бернгардта, Беке и Ковальского не дают полной картины распределения напряжений, а кроме того, полученные результаты по этим методикам очень сильно различаются между собой. Поэтому было необходимо получить истинную картину распределения напряжений в серьге с помощью метода конечных элементов. Для расчета была создана пластинчатая модель (рис. 8), где нагрузки от пальца на поверхность серьги передаются по закону косинуса. После расчета мы получили полную картину распределения возникающих напряжений (рис. 9).

Рис. 8. Пластинчатая модель серьги оттяжки стрелы и схема ее нагружения

Рис. 9. Карта распределения напряжений, возникающих в модели серьги

При проектировании крана типа КБ-474 производился также расчет болтовых соединений и сварных швов, с помощью которых обеспечивается соединение элементов конструкции. Данные виды расчетов выполнялись с использованием модуля APM Joint, входящего в состав системы APM WinMachine. В качестве примера приведем расчет болтового соединения опорно-поворотного устройства крана КБ-474. Во время эксплуатации кранов имели место случаи срезания и обрыва этих болтов. Для выявления причин их выхода из строя был сделан всесторонний анализ, в том числе проведен расчет с помощью модуля APM Joint. Расчеты подтвердили, что болты при заданных эксплуатационных нагрузках являются  работоспособными, а причины выхода их из строя — неконтролируемое и несвоевременное обслуживание. Расчетная схема и результаты расчета болтового соединения опорно-поворотного устройства крана КБ-474 представлены на рис. 10.

Рис. 10. Расчетная схема и результаты расчета группового болтового соединения опорно-поворотного устройства крана КБ-474 в модуле APM Joint

Следует отметить, что нас очень порадовал выпуск новой версии APM WinMachine (v.9.0), а главное — модуля APM Structure3D, в который добавлена новая операция «Совместные перемещения». С помощью этой операции можно моделировать сварные швы, а также выполнять соединение «разнородных» конечных элементов, например балки, смоделированной стержнем, с конструкцией, модель которой выполнена с помощью пластин. Значительно упрощает работу по созданию новых сечений  новый, более функциональный редактор сечений APM Graph: появилась возможность задавать цвет элементам различных слоев, а выделение сечений с помощью цвета обеспечивает пользователю большую наглядность и дает возможность оперативного контроля при назначении сечений стержневым элементам.

Хотя разработчики много сделали для совершенствования вывода результатов расчета, но нам  кажется, что пользователи должны иметь возможность такого отображения информации, чтобы и шкала, и диапазон параметров, по которому строится карта результатов, отображали информацию только по включенным слоям. Мы также ждем от модуля APM Structure3D возможности учета нелинейных свойств материала, решения контактных задач и задач расчета упруго-пластичного состояния.

В заключение хочется поблагодарить сотрудников НТЦ АПМ за доброжелательность, оперативность в решении всех вопросов и пожелать им дальнейших успехов в их нелегкой, но такой необходимой нам работе.

САПР и графика 4`2006