Опыт использования системы APM WinMachine при проведении экспертных исследований

Сергей Бабин, Ренат Миниханов

Выбор системы APM WinMachine для решения задач, стоящих перед нашей организацией

Задачи, при решении которых использовалась система APM WinMachine

Методика перехода от общей задачи к рассмотрению отдельных локальных задач

Примеры решения локальных задач с помощью системы APM WinMachine

Выводы и пожелания

Выбор системы APM WinMachine для решения задач, стоящих перед нашей организацией

Организация «Эксперт-Сервис» (г.Екатеринбург) занимается технической диагностикой и экспертизой промышленной безопасности технических устройств. Мы имеем богатый опыт работы с металлоконструкциями экскаваторов, буровых установок, агрегатов для ремонта скважин и т.п.

Специалистам нашей организации нередко приходится сталкиваться с инженерными задачами, требующими решения с применением компьютерных технологий САПР, в частности конечно-элементного анализа. Сегодня на рынке имеется достаточно широкий ассортимент как импортных, так и отечественных программных продуктов, способных решать задачи прочностного расчета. В качестве системы автоматизированного проектирования наша организация использует систему APM WinMachine, а точнее — модуль конечно-элементного анализа APM Structure3D.

Причины, по которым мы остановили свой выбор именно на этом программном продукте компании НТЦ АПМ (г.Королёв Московской обл.), вполне понятны. Во-первых, программный продукт APM Structure3D легок в освоении и использовании. Что касается простоты и сроков его освоения, то студенты во время практики уже через две недели начинают самостоятельно решать небольшие задачи, которые к концу практики перерастают в серьезные проекты. Во-вторых, простой и понятный русскоязычный интерфейс дает возможность в кратчайшие сроки и на ассоциативном уровне освоить данный программный продукт и приступить к решению поставленных задач. В-третьих, и это самое главное, система автоматизированного проектирования APM WinMachine не уступает своим зарубежным аналогам по достоверности результатов расчета, а ст о ит значительно меньше.

Задачи, при решении которых использовалась система APM WinMachine

С помощью системы APM WinMachine нами были проведены (и проводятся сейчас) следующие работы:

• анализ напряженно-деформированного состояния конструкций вышек буровых установок и их отдельных элементов на стадии расследования аварий, связанных с их падением (рис. 1);

• решение задачи сопоставления взаимных деформаций сложных пространственных металлоконструкций при экспертизе проектных решений;

• анализ эффективности и возможных негативных последствий ремонта металлоконструкций вышек буровых установок методом «накладок»;

• решение комплексных задач по учету влияния того или иного дефекта элемента конструкции на всю металлоконструкцию в целом и ряда подобных задач;

• экспериментальная проверка принятых решений при проведении натурных испытаний.

Система автоматизированного проектирования APM WinMachine значительно облегчает решение весьма сложных задач и обеспечивает как проведение статического расчета металлоконструкции, так и решение некоторых нелинейных задач. В частности, может быть проведен деформационный расчет, учитывающий дополнительные силовые факторы, возникающие при учете осевых компонентов нагрузок в случае конечных перемещений элементов конструкции. Также может проводиться и нелинейный расчет, при котором учитываются изменения формы элементов конструкции, возникающие при их деформациях.

Методика перехода от общей задачи к рассмотрению отдельных локальных задач

Особый интерес в нашей работе представляют небольшие локальные задачи с детальным исследованием отдельных элементов конструкций вышек буровых установок. К ним, например, относится исследование напряженно-деформированного состояния сварных швов или ответственных узлов и деталей. Для решения таких задач классическими методами зачастую не хватает следующих первичных данных:

• числового значения нагрузок, возникающих в отдельных элементах узла;

• закона распределения нагрузки по узлам и деталям;

• уровня напряжений в какой-либо зоне, характера деформаций и др.

С целью получения необходимых данных создается модель всей конструкции вышки буровой установки (рис. 2), результатом расчета которой становятся все недостающие параметры нагрузки интересующих узлов. После этого переходим к рассмотрению отдельных узлов и деталей (рис. 3 и 4). Для этого создается более подробная модель с использованием пластинчатых (оболочечных) элементов или солид-элементов (объемных) и производится ее расчет, то есть узел или деталь рассматривается как отдельная конструкция. Таким образом осуществляется переход от общей конструкции к ее отдельным элементам и узлам, и соответственно в первую очередь решается общая задача для получения исходных данных и решения локальной задачи. Такой подход, по нашему мнению, используется в расчетных задачах на прочность нечасто.

Примеры решения локальных задач с помощью системы APM WinMachine

В металлоконструкции вышки буровой установки, по нашей статистике, наиболее частым является дефект лопаточной части раскосов и поясов (рис. 5). С помощью модуля APM Structure3D системы APM WinMachine было проведено исследование влияния различного вида дефектов на распределение значения эквивалентных напряжений в отдельном элементе конструкции. При проведении исследований конкретных дефектов были созданы следующие расчетные модели:

1. Базовый элемент нормального узла (без дефекта) (рис. 6) — с ним сравнивались результаты расчетов других моделей с дефектами.

2. Модель этого узла с трещиной в лопаточной части раскоса (рис. 7) была создана для исследования трещины в узле «основная труба — раскос» (рис. 8).

3. Модель (рис. 9) для исследования раскоса с деформированной (вздутой) лопаточной частью, что стало следствием замерзания попавшей внутрь воды (рис. 10).

4. Модель полного провара (пережог) лопаточной части раскоса к основной трубе.

5. Раскос с изогнутой лопаточной частью (рис. 11).

Для создания расчетной модели использовались два модуля системы автоматизированного проектирования WinMachine:

• модуль трехмерного моделирования APM Studio, который может создавать и импортировать трехмерные модели, созданные в сторонних трехмерных редакторах в режимах поверхностного и твердотельного моделирования и подготавливать их для проведения прочностного расчета;

• модуль APM Structure3D, предназначенный для расчета напряженно-деформированного состояния произвольных трехмерных конструкций методом конечных элементов, в том числе и созданных в модуле APM Studio.

Модель, созданная (или импортированная) в модуле APM Studio, может быть разбита на конечные элементы (то есть сгенерирована конечно-элементная сетка) и экспортирована в модуль прочностного расчета APM Structure3D. При этом в зависимости от режима работы трехмерного редактора (поверхностный или твердотельный) производится разбиение или на пластинчатые (оболочечные), или на объемные (солид) конечные элементы.

При создании вышеперечисленных моделей раскосов использовался режим поверхностного моделирования редактора APM Studio (рис. 12), а затем была сгенерирована конечно-элементная сетка (рис. 13). После этого модель экспортировалась в модуль APM Structure3D, в котором наращивались основная труба и раскосы. Делалось это для того, чтобы прямолинейные участки труб моделировать большими по размеру конечными элементами, сократив тем самым, насколько возможно, размерность решаемой задачи (см. рис. 6, 7, 9). Прочностной расчет выполнялся в модуле APM Structure3D.

В качестве примера более подробно рассмотрим проведение расчета напряжений изогнутого раскоса. Была создана расчетная модель раскоса с изгибом, приложены нагрузки и выполнен прочностной расчет. Результаты этого расчета в виде карты напряжений представлены на рис. 14. На карте напряжений отчетливо видно, что в месте изгиба раскоса появляется концентратор напряжений и уровень напряжений по сравнению с картой напряжений без дефектов (см. рис. 6) увеличивается более чем в 4,5 раза (с 187,3 МПа в узле без дефекта до 856,3 МПа в изогнутом раскосе). Сравнение этих двух карт напряжений показывает, что распределение эквивалентных напряжений в остальных частях моделей (кроме участка с дефектом) незначительно отличается от распределения напряжений, получаемых на модели без дефектов.

Выводы и пожелания

Подобного рода расчетные системы автоматизированного проектирования экспертным организациям безусловно необходимы. Тех ническая диагностика и экспертиза промышленной безопасности включают, кроме расчетов на статическую прочность и на деформацию, расчеты на устойчивость, расчет на собственные (резонансные) частоты и вынужденные колебания металлоконструкции. Следует отметить, что все эти виды расчетов также могут быть выполнены с использованием модуля прочностного расчета APM Structure3D.

Было бы неплохо, если бы этот или другие модули, входящие в состав системы APM WinMachine, позволяли произвести расчет и на усталостную прочность (выносливость).

Часто перед экспертами ставятся не узконаправленные проектировочные задачи, которые обычно решают создатели машин, а более глобальные, связанные с экспертизой технических систем. В основном это задачи по трем направлениям:

• экспертиза новых проектов и модернизаций;

• расследование и выявление причин произошедших аварий, а также обоснование внесения соответствующих изменений в конструкцию;

• экспертиза с целью продления нормативного срока службы.

Надеемся, что коллектив НТЦ АПМ добьется того, что система APM WinMachine будет полностью отвечать всем предъявляемым к ней требованиям. Желаем сотрудникам НТЦ АПМ всяческих успехов в их нелегком труде!

«САПР и графика» 4'2005