4 - 2003

Проектирование и расчет металлоконструкций козловых кранов с применением комплекса программ АРМ WinMachine

Корнелий Поссе, Леонид Морозов

Как все начиналось

Сегодняшний взгляд на проблему проектирования с использованием программного обеспечения НТЦ АПМ

Несколько конкретных примеров

   Пример 1

   Пример 2

   Пример 3

   Пример 4

Заключение и пожелания

В этой статье мы хотели бы поделиться cвоим опытом работы с CAD/CAE-системой APM WinMachine, созданной в научно-техническом центре АПМ. Эта система уже много лет (с 1993 года) успешно используется нашей компанией при проектировании подъемно-транспортного оборудования широкого назначения.

Для того чтобы описать круг проблем, преодолеваемых с помощью этого программного продукта, немного подробнее остановимся на проектируемых нами объектах и на тех задачах, которые при этом приходится решать.

Научно-производственная фирма «РЕКРАН» занимается проектированием и изготовлением крановых конструкций для различных отраслей промышленности. Понятно, что проектирование подобного рода объектов — очень ответственная работа, требующая от исполнителей глубоких знаний и большого профессионального опыта. Крановые конструкции должны быть статически прочными, устойчивыми и по возможности равнопрочными. Кроме того, они должны быть надежными в эксплуатации и иметь минимально возможный вес с целью снижения их стоимости. Важно также минимизировать энергопотребление в процессе эксплуатации. Одним словом, такие конструкции должны быть конкурентоспособными по отношению к отечественным и зарубежным аналогам. Последнее условие, конечно, относится не только к крановому оборудованию, но в данной статье нас будет интересовать именно оно.

Как все начиналось

Компания НПФ «РЕКРАН» была создана в начале 90-х годов, когда с малым числом сотрудников приходилось решать сложные производственные и технические задачи.

С самого начала нам было понятно, что быстро и на высоком уровне решить весь комплекс сложнейших проблем проектирования крановых конструкций можно только с использованием компьютерных технологий. Имея к этому моменту квалифицированных специалистов с богатым опытом ручного проектирования, мы серьезно думали над целесообразностью применения компьютерных технологий. Они были нужны нам главным образом для того, чтобы совершить качественный прорыв при проектировании новых объектов.

В таких условиях, после долгих сомнений и анализа программных продуктов, имеющихся в то время на российском рынке, мы приобрели систему APM WinMachine. Выбор тогда ограничивался несколькими CAE-системами инженерного анализа зарубежных производителей, довольно сложных в использовании и весьма дорогих. Единственным отечественным продуктом была система APM WinMachine, которую мы и приобрели после того, как узнали о ее потенциальных возможностях. Честно признаемся, что немаловажными факторами, повлиявшими на наш выбор, были стоимость этого программного обеспечения, которая была на порядок ниже цены продуктов западных производителей, и наличие всей документации на русском языке. Нас подкупало и то, что в любой момент разработчик мог помочь и консультацией, и обучением, и настройкой поставленных решений под требования заказчика.

Тогда у нас еще были сомнения в полезности и своевременности этой покупки, но время показало, что мы сделали правильный выбор.

В начало В начало

Сегодняшний взгляд на проблему проектирования с использованием программного обеспечения НТЦ АПМ

Наша компания широко использует весь комплекс программ АPМ WinMachine при проектировании мостовых и козловых кранов. Программный комплекс АPМ WinMachine успешно применяется для расчета, конструирования и оптимизации как отдельных элементов мостовых и козловых кранов, так и крановых конструкций в целом. Под составными частями крановых конструкций мы понимаем ферменные и балочные элементы металлоконструкций. В эти понятия следует включить различные виды соединений: болтовые, сварные, заклепочные, шпоночные, шлицевые, а также всевозможные виды передач, валов, осей подшипников и т.п.

Одним из главных факторов, позволяющих сегодня успешно использовать систему, является то, что и процесс подготовки к расчету, и собственно расчет интуитивно понятны и соответствуют нашим традиционным представлениям. Для того чтобы работать с программой, не нужно переучиваться и менять привычки. Следует отметить, что модули, входящие в состав системы APM WinMachine, имеют удобный интерфейс, что позволяет быстро готовить и редактировать необходимую для выполнения расчета информацию.

Подробнее хотелось бы рассказать о возможностях модуля расчета металлических конструкций APM Structure3D, который мы используем наиболее часто. С его помощью можно создать любую по сложности модель крана при произвольном его нагружении и закреплении. Это позволило нам при расчете крановых металлоконструкции вводить в рассмотрение вертикальные и горизонтальные нагрузки, возникающие при подъеме и передвижении тележки и крана. Также в модуле легко выполнить учет собственного веса крана и нагрузок от ветрового воздействия.

Очень важной для проектировщика является возможность учета комбинаций нагрузок, ведь напряженное состояние крановой конструкции зависит от сочетания силовых факторов, а комбинации сил и моментов формируют различные варианты нагружения. В модуле APM Structure3D такие сочетания удобно реализуются, и проектировщик, анализируя результаты вычислений, имеет возможность определить наиболее опасные комбинации силовых факторов в плане прочности и устойчивости.

Применение программы для расчета составных конструкций пролетных строений и опорных частей козловых кранов делает труд конструктора намного более осмысленным, а сам расчет — более точным, простым и понятным по сравнению с трудоемким ручным расчетом. Нельзя сбрасывать со счетов и существенную экономию времени расчетчика, а также то, что с помощью APM Structure3D он получает предельно ясную и достоверную картину распределения напряжений и деформаций в каждом элементе конструкции.

Особенно важно знать параметры наступления потери устойчивости конструкции в целом, что поможет избежать больших погрешностей при рассмотрении отдельных элементов конструкции. APM Structure3D успешно решает и эту задачу. Известно, что отдельные элементы конструкции ведут себя по-разному в изолированном состоянии и при взаимодействии с другими по причине наличия связей на границах (в заделке). Неточность ручного расчета на устойчивость заставляет конструктора закладывать большие коэффициенты запаса. Отметим при этом, что ручной расчет металлоконструкции в целом вообще невозможен ввиду его громоздкости. Высокая же точность расчета устойчивости конструкции с использованием модуля APM Structure3D позволяет снизить металлоемкость проектируемого объекта и риск возможной ошибки ручного проектирования.

В начало В начало

Несколько конкретных примеров

Можно много говорить о достоинствах APM Structure3D, но мы постараемся продемонстрировать их на конкретных примерах и показать, как с помощью APM Structure3D решаются производственные и конструкторские задачи. Таких примеров за годы работы с модулем у нас набралось множество, но здесь мы остановимся только на четырех из них.

Подчеркнем, что все примеры взяты из практики проектирования НПФ «РЕКРАН» и их можно рассматривать как результат практической работы независимого от НТЦ АПМ эксперта.

В начало В начало

Пример 1

В качестве первого примера рассмотрим козловый кран КК-К-12,5-5К-32 для транспортировки лесоматериалов. Это грейферный кран грузоподъемностью 12,5 т, с пролетом 32,0 м и высотой подъема грейфера 8,5 м (основные характеристические параметры крана указаны в его условном обозначении).

Модель крана изображена на рис. 1. Конструктивной особенностью данного крана является наличие грузовой тележки, которая перемещается на четырех колесах по рельсовому пути, уложенному снизу от главной фермы. Кран имеет плоские решетчатые опоры и кабину для размещения пускорегулирующей аппаратуры крановых механизмов. Жесткая опора присоединяется к главному пролетному строению с помощью разнесенных по длине пролета цилиндрических шарниров вверху и подкосной фермы снизу. Гибкая опора присоединяется к пролетному строению также с помощью шарнира и подкоса.

Результаты исследования напряженно-деформированного состояния металлоконструкции крана, выполненного с использованием модуля APM Structure3D, показаны на рис. 2; на этом рисунке даны карты распределения напряжений по сечению, полученные методом конечных элементов. Кроме того, была проверена устойчивость крановой конструкции. По результатам этого расчета определен коэффициент запаса устойчивости и форма потери устойчивости (рис. 3). Практический интерес представляют расчеты динамических характеристик крановой конструкции. На рис. 4 приведены результаты расчета частот собственных колебаний и ряд собственных форм.

Проведенное исследование позволило выработать ряд предложений по изменению конструкции опор и поддерживающих элементов главного пролетного строения, учтенных при дальнейшем проектировании и приведших к корректировке ранее спроектированных чертежей. Все они направлены на повышение надежности конструкции при эксплуатации.

В начало В начало

Пример 2

Наиболее трудоемкими для расчетов представляются решетчатые конструкции, например кран ККС-10.

Козловой кран ККС-10 решетчатой конструкции, изготовленный ранее, потребовал расчета в связи с его переносом на другие пути без демонтажа. Кран имеет массу 31 т, величину пролета 20,0 м, высоту 15,1 м. Его нужно было переместить на расстояние 6,0 м с помощью автокрана.

Для подъема и транспортировки козлового крана ККС-10 потребовалось спроектировать и рассчитать специальную монтажную траверсу, с помощью которой производилась строповка крана для подъема.

На рис. 5 представлена расчетная модель этого крана и приведены карты напряжений и деформаций при его подъеме и передвижении.

Использование APM Structure3D позволило отказаться от демонтажа крана и выполнить комплекс мероприятий по его установке на новые пути без продолжительной остановки работы крана, что обеспечило большую экономию затрат на заработную плату и материалы, а также позволило сэкономить время заказчика.

В начало В начало

Пример 3

НПФ «РЕКРАН» в настоящее время широко использует APM Structure3D и при расчетах листовых коробчатых конструкций. Примером тому служит контейнерный кран грузоподъемностью 6,3 т, спроектированный для погрузочных работ на железнодорожном транспорте.

Спроектированный с использованием программных продуктов НТЦ АПМ козловый кран для контейнеров имеет условное обозначение ККК-6,3-6К-16. Таким образом, его грузоподъемность 6,3 т, длина пролета 16 м, высота подъема контейнера 8 м. Управление краном централизованное, из неподвижной кабины, размещенной у опоры крана. Кран оборудован полноповоротным автоматическим захватом для контейнеров и предназначен для погрузки (выгрузки) универсальных среднетоннажных контейнеров массой брутто до 6 т в железнодорожные вагоны и на автомобильный транспорт, а также для их сортировки и складирования на контейнерных площадках железнодорожных станций и промышленных предприятий.

Металлоконструкция крана состоит из двух коробчатых пролетных балок, соединенных между собой концевыми балками с помощью фланцевых соединений, и четырех одинаковых опор, представляющих собой листовую коробчатую конструкцию переменного сечения.

Модель крана и карта его напряженно-деформированного состояния при его консольном нагружении показаны на рис. 6. Пролетная балка крана имеет сложную форму, представить которую поможет рис. 7. На этом же рисунке дана карта эквивалентных напряжений во внутренней части балки.

Применение программных продуктов фирмы НТЦ АПМ и в этом случае позволяет существенно ускорить расчет. Однако хотелось бы, чтобы APM WinMachine давала возможность непосредственно вводить параметры балок переменного сечения.

В начало В начало

Пример 4

Грузоподъемный комплекс для железнодорожных путевых баз ГПК 25-5К-20, спроектированный с использованием системы APM WinMachine, имеет следующие характеристики: грузоподъемность — 12,5+12,5 т, пролет — 20 м, высота подъема — 9,5 м. Этот комплекс предназначен для подъема и транспортировки готовых звеньев железнодорожного пути с рельсами длиной 25 м. Он состоит из двух одноконсольных козловых кранов ККР 12,5-20, соединенных и сблокированных между собой, грузоподъемностью по 12,5 т каждый. В раздельном состоянии краны могут быть использованы для транспортной переработки различных грузов.

Конструкция была смоделирована с помощью стержней и пластин. Применение APM WinMachine позволило оценить действующие в любой точке конструкции напряжения и деформации и максимальные напряжения в наиболее нагруженных элементах, а также рассчитать параметры устойчивости конструкции.

В начало В начало

Заключение и пожелания

Программное обеспечение, о практике применения которого мы рассказали в данной статье, необходимо проектировщикам, занятым разработкой современного механического оборудования, так как с его помощью можно создавать конструкции, отвечающие самым современным требованиям. Рассмотренные примеры касаются в основном расчетов металлоконструкций, которые наиболее актуальны в краностроении, но мы используем в работе и многие другие входящие в систему APM WinMachine модули, хотя и в несколько меньшем объеме.

Таким образом, применение комплекса программ APM WinMachine в краностроении позволяет ускорить проведение необходимых расчетов кранов и их деталей, повысить точность и достоверность расчетов составных элементов, получить объемную картину распределения напряжений и перемещений в каждой точке любого элемента сложной конструкции.

Следует отметить, что несомненным достоинством APM WinMachine является возможность работы с ней специалиста средней квалификации в области расчета и проектирования. Иными словами, предъявляются невысокие требования к квалификации исполнителей.

Дальнейшее совершенствование APM WinMachine, как мы надеемся, позволит перейти от расчетов к автоматической генерации чертежей, завершая процесс автоматизированного проектирования конструкций.

Нет сомнения в том, что нам удалось существенно повысить качество проектирования крановых конструкций по сравнению с тем временем, когда все расчеты приходилось делать вручную. Отечественные современные конструкторские решения не уступают западным аналогам, и это достижение мы по праву разделяем с сотрудниками научно-технического центра АПМ, силами которых был создан такой замечательный программный продукт.

«САПР и графика» 4'2003