3 - 2009

Конечно-элементный анализ металлоконструкции башенного крана в APM Structure3D

Алексей Чикулаев (Cпециалист технического отдела НТЦ «АПМ»)

Объект исследования

Подготовка модели металлоконструкции к расчету

Нагрузки и комбинации загружений

Анализ результатов

Выводы

В настоящее время строительство ведется бурными темпами. На улицах городов возводятся новые здания, в числе которых и уникальные высотные сооружения, и торговые комплексы, и административные постройки, и жилые многоэтажные дома. Разумеется, такого рода строительство просто невозможно представить без применения современных башенных кранов, поскольку именно от их надежности и эффективности работы напрямую зависят сроки проведения строительных работ и качество готового строения.

Для оценки работоспособности крановых конструкций все чаще применяется компьютерная техника в совокупности со специализированными программными продуктами для проведения целого комплекса расчетов, важнейшими из которых являются прочностные расчеты. Для этих целей предназначены современные конечно-элементные вычислительные комплексы. В отличие от ручного расчета, такие комплексы позволяют выполнить прочностные расчеты весьма сложной металлоконструкции и получить исчерпывающие данные по напряженно-деформированному состоянию каждого ее элемента. Использование конечно-элементных программных комплексов дает важное преимущество. Уже на этапе проработки технического задания конечно-элементный анализ позволяет определить, какие технические изменения необходимо внести в конструкцию для полного удовлетворения требований к ней. Все это возможно сделать, не прибегая к достаточно дорогим услугам специализированных проектно-конструкторских бюро, когда речь идет о непринципиальном изменении конструкции. При возрастании конкуренции важным показателем также является время выполнения расчета и количество занятых этим специалистов. Программа позволяет выполнить расчет в сжатые сроки.

Объект исследования

Объектом исследования в данной статье является металлоконструкция башенного крана Q5015, который представляет собой стационарный кран с неповоротной башней и балочной стрелой (рис. 1). По заказу ТОО «Центр­энергомеханизация» (Казахстан) перед научно-техническим центром «АПМ» были поставлены следующие задачи: создать расчетную модель несущей металлоконструкции, провести проверочный расчет прочности и устойчивости и оценить полученные результаты.

Рис. 1. Общий вид крана

Рис. 1. Общий вид крана

 

Для разработки и подготовки конечно-элементной модели, а также проведения расчетов использовалась система APM Structure3D российского программного комплекса APM WinMachine, разрабатываемого в научно-техническом центре «АПМ» (г.Королев).

В начало В начало

Подготовка модели металлоконструкции к расчету

Для получения корректных результатов проверочного расчета требуется выбрать правильный способ моделирования элементов конструкции. Система APM Structure3D обладает набором необходимых инструментов для создания различных вариантов конструкций, в том числе расчетных моделей металлоконструкций.

Поскольку каждый из элементов конструкции крана является типовым и предназначен для стандартной модификации, то для расчета целесообразно использовать модели, набранные из этих элементов.

Для конструкций, не требующих значительных технических изменений, которыми являются модульные системы кранов, расчет полной конструкции крана по сравнению с расчетом отдельных элементов является более удобным.

Модель металлоконструкции башенного крана была создана в соответствии со сборочными и деталировочными чертежами (см. рис. 1) в полной сборке, то есть для модификации крана с максимальной высотой подъема груза (40 м) и максимальным вылетом стрелы (50 м). Металлоконструкция моделировалась с помощью стержневых и пластинчатых (оболочечных) конечных элементов (рис. 2). Для моделирования оттяжек стрелы и противовеса применялся специальный тип стержневого конечного элемента — канат. Для создания геометрии составных сечений стержневых элементов и расчета их геометрических характеристик использовался встроенный графический редактор сечений.

Рис. 2. Модель металлоконструкции крана в APM Structure 3D

Рис. 2. Модель металлоконструкции крана в APM Structure 3D

Связи между элементами конструкции моделировались как жесткие (сварные соединения), накладывающиеся на центры тяжестей сечений соответствующих элементов. Закрепления в основании башни представляют собой абсолютно жесткие опоры, то есть не имеющие степеней свободы относительно соответствующих осей глобальной системы координат. Соединения секций стрелы и противовеса к оголовку моделировались связями с одной вращательной степенью свободы.

В начало В начало

Нагрузки и комбинации загружений

На башенный кран действуют нагрузки различной природы. Приложение нагрузок проводилось путем создания загружений, каждое из которых отвечало за тот или иной силовой фактор (загружение — аналог слоя, которому присущи определенные возмущающие факторы). Расчет металлоконструкции башенного крана проводился на основное и особое сочетание нагрузок.

Во-первых, это нагрузка от веса поднимаемого груза. Полезная нагрузка с учетом 25% перегрузки прикладывалась к стреле в четырех точках, моделирующих ролики тележки, в соответствии с графиком грузоподъемности в зависимости от вылета стрелы. При повороте стрелы от действия сил инерции груза возникает боковая составляющая данной нагрузки, которая учитывалась заданием возможного максимального угла отклонения грузового каната от вертикали. Для основных сочетаний нагрузок вес полезного груза моделировался сосредоточенными силами в соответствующих узлах, а для особых (с учетом сейсмического воздействия) — сосредоточенными массами. Расчет проводился для пяти различных вылетов грузозахватного устройства.

Во-вторых, нагрузка от ветра. Ветровая нагрузка на металлоконструкцию учитывалась в соответствии с ГОСТ 1451-77* (2003) «Краны грузоподъемные. Нагрузка ветровая. Нормы и метод определения» для VI ветрового района и рассчитывалась в зависимости от изменения динамического давления ветра по высоте и от аэродинамических коэффициентов элементов конструкции. В соответствии с этим же ГОСТом учитывалось и ветровое давление на полезный груз в зависимости от его массы.

В-третьих, сейсмическая нагрузка. Сейсмическая нагрузка в расчете учитывалась в соответствии со СНиП II-7-81* (2000) «Нагрузки и воздействия». Сейсмичность района установки крана в соответствии с техническим заданием — 9 баллов; количество собственных форм, учитываемых в расчете, — 20.

Рис. 3. Карта эквивалентных напряжений по Мизесу

Рис. 3. Карта эквивалентных напряжений по Мизесу

И наконец, собственный вес конструкции. Обязательными для ввода исходными данными являются параметры материала, выбор которых производится с помощью встроенной базы данных, количество которых превышает тысячу записей, а также поперечные сечения элементов, для задания которых тоже можно использовать базы, поставляемые вместе с расчетной программой. При наличии описанных данных учет веса конструкции системой APM Structure3D производится автоматически. Поскольку металлоконструкция крана моделировалась только несущими элементами, то номинальный (в соответствии с технической документацией) вес крана «добирался» искусственным увеличением плотности соответствующих узлов. В расчете также учитывался вес отдельных узлов крана (монтажной секции, приводов, балластных блоков, кабины и т.д.), в статическом расчете моделируемых силами в соответствующих узлах, а для расчета с сейсмическим воздействием — массами.

После задания всех оговоренных в техническом задании нагрузок по отдельным загружениям были созданы 24 комбинации загружений, в которые каждое из загружений вошло с коэффициентом 1. Результаты расчета представлены для одной из таких комбинаций (рис. 2 и 3).

В начало В начало

Анализ результатов

После проведения комплекса подготовительных мероприятий и непосредственно самого расчета можно выполнять обобщение и анализ полученных результатов.

Система APM Structure3D обладает широким спектром возможностей по выводу результатов. Цветные карты распределения напряжений (см. рис. 3) и перемещений (рис. 4), внутренних усилий и коэффициентов запаса прочности позволяют очень точно и быстро определять наиболее опасные места в конструкции. Программа также обеспечивает возможность заглянуть внутрь элементов и увидеть распределение возникающих внутренних силовых факторов. Для более полного представления результатов пользователю дана возможность строить эпюры различных силовых факторов на 3D-модели конструкции, выводить реакции в опорных точках, оценивать общие параметры, такие как масса, максимальные напряжения, перемещения, а также выводить сводную таблицу расхода по элементам металлоконструкции.

Рис. 4. Карта перемещений и форма потери устойчивости

Рис. 4. Карта перемещений и форма потери устойчивости

Анализ результатов расчета напряженно-деформированного состояния конструкции крана в рабочем и нерабочем состояниях показал, что для обеспечения работоспособности требуются не только незначительные конструктивные изменения, но и понижение величин расчетных нагрузок, заявленных в техническом задании.

Были сделаны выводы о необходимости снижения номера ветрового и сейсмического рай­онов установки крана, а также даны рекомендации по усилению металлоконструкции для обеспечения несущей способности.

В начало В начало

Выводы

Обобщая сказанное, можно сделать вывод о том, что применение российской системы автоматизированного проектирования АРМ WinMachine для оценки несущей способности конструкций на стадиях как проектировочного, так и проверочного расчета более чем обоснованно и реально сокращает время на реализацию проектов. Применение системы конечно-элементного расчета APM Structure3D дает возможность осуществлять анализ различных конструктивных исполнений и вариантов нагружения и делать не только количественную, но и качественную оценку несущей способности уже на этапе проектирования. Имеющиеся в распоряжении пользователя инструменты позволяют вести проектирование на новом, современном уровне, что повышает оперативность работы и существенно снижает издержки на проектирование.

В начало В начало

САПР и графика 3`2009