Исследование напряженно-деформированного состояния кузова-контейнера с помощью программного комплекса АРМ WinMachine
В связи с участившимися в последнее время авариями, катастрофами и локальными конфликтами возникла насущная потребность в повышении мобильности частей и подразделений МЧС, предназначенных для устранения последствий этих трагедий. Для этого необходимо оснащать подразделения МЧС новым оборудованием и техникой, которые отвечают таким требованиям.
Одним из путей повышения мобильности частей и подразделений МЧС является размещение оборудования МЧС на специальных транспортных средствах, которые могли бы доставлять его в труднодоступные участки местности и обеспечивать его автономную работу. Эти средства должны иметь возможность перемещения на различных видах наземного, водного и воздушного транспорта.
Разновидностью такого транспортного средства являются производимые в настоящее время в ФГУП 21 НИИИ МО РФ модульные комплексы на базе обитаемых кузовов-контейнеров (рис. 1). Кузовы-контейнеры применяются для размещения в них средств связи и локации, энергетических силовых установок, медицинских комплексов, средств жизнеобеспечения человека и т.п.
Рис. 1. Внешний вид многоцелевого обитаемого кузова-контейнера
Кузовы-контейнеры можно перевозить автомобильным (рис. 2), железнодорожным, водным и воздушным видами транспорта, перемещать волоком на небольшие расстояния, осуществлять их погрузку-разгрузку с транспортных средств крановыми механизмами или погрузочно-разгрузочными устройствами (ПРУ). Кроме того, кузовы-контейнеры могут доставляться в труднодоступные районы на внешнем подвесе вертолета.
Рис. 2. Перемещение кузова-контейнера автомобилем
При каждом варианте эксплуатации элементы кузова-контейнера испытывают различные нагрузки и потому должны обладать достаточной прочностью. Проектирование и разработка конструкции кузова-контейнера требуют проведения оценки напряженно-деформированного состояния (НДС) при различных видах действующих при эксплуатации нагрузок. Оценить НДС кузовов-контейнеров можно расчетными или экспериментальными методами. Экспериментальные методы оценки НДС целесообразно использовать на стадии испытаний опытных образцов. При отработке конструкции используются расчетные методы. Наибольшее распространение получил метод конечных элементов (МКЭ), реализованный в программных комплексах расчета на ЭВМ.
Для расчетов НДС кузовов-контейнеров в ФГУП 21 НИИИ МО РФ был принят отечественный программный продукт — система АРМ WinMachine, созданная российской фирмой НТЦ АПМ. Насколько нам известно, этот программный продукт в настоящее время не имеет аналогов в нашей стране.
Система АРМ WinMachine предназначена для компьютерного проектирования, расчетов механического оборудования, машиностроительных и строительных конструкций, а также современных машин. Она состоит из большого числа модулей, позволяющих производить расчет как наиболее часто используемых элементов и деталей машин, так и различных конструкций машиностроительного и строительного назначения. Из них в нашем случае использовались модули расчета соединений элементов машин (APM Joint), балочных конструкций (APM Beam), произвольных трехмерных конструкций (APM Structure3D), а также плоский чертежно-графический редактор (APM Graph) и некоторые другие. Каждый из модулей имеет свой набор инструментальных средств расчета и анализа и может функционировать как в составе единого программного комплекса, так и самостоятельно.
Для оценки НДС кузовов-контейнеров использовался модуль расчета произвольных трехмерных конструкций АРМ Structure3D, в котором могут быть рассчитаны как стержневые конструкции, так и конструкции, состоящие из оболочечных и объемных элементов.
Кузовы-контейнеры различных типоразмеров практически полностью унифицированы. Каждый из них представляет собой пространственную конструкцию прямоугольной формы, состоящую из металлического каркаса, к которому крепятся трехслойные панели стен, пола и крыши.
При расчете НДС такой конструкции для каждого характерного случая нагружения (перемещения волоком, на внешнем подвесе вертолета, погрузке-разгрузке ПРУ и краном) на основе как конструкторской документации, так и анализа реальной конструкции разрабатывалась своя расчетная схема (модель) из стержневых и пластинчатых элементов. Пример расчетной схемы при подъеме кузова-контейнера краном и на подвесе вертолета представлен на рис. 3. Схема подъема кузова-контейнера соответствует действующим Нормам прочности.
Рис. 3. Расчетная схема модели кузова-контейнера при подъеме его краном, выполненная в модуле APM Structure3D
Расчетная конечно-элементная модель состоит из 158 стержневых и 230 пластинчатых конечных элементов и имеет 288 узлов (отметим, что расчет модели с такими характеристиками представляет для APM Structure3D весьма легкую задачу, поскольку с помощью этого модуля можно анализировать на прочность модели, содержащие сотни тысяч конечных элементов). Каждому стержневому элементу было поставлено в соответствие поперечное сечение и назначен определенный материал, то есть были заданы параметры, определяющие характеристики жесткости этого конечного элемента. Форма и размеры поперечных сечений элементов конструкции кузова-контейнера задавались в редакторе поперечных сечений Cross-Section модуля АРМ Structure3D по координатам угловых точек сечений.
Трехслойные пластины реальной конструкции моделировались путем эквивалентной замены многослойной пластины соответствующей однослойной. Теоретической основой такой замены служила методика, установленная Нормами прочности кузова-контейнера, в которой эквивалентная толщина однослойной пластины определялась расчетными методами теории пластин и оболочек. Нагрузки от веса оборудования, расположенного в кузове-контейнере, моделировались в виде сосредоточенных и распределенных сил, приложенных в местах их крепления к панелям либо к каркасу.
Результаты расчетов НДС рассматриваемой модели кузова-контейнера, выполненных с помощью модуля АРМ Structure3D, выводятся на экран монитора в виде карты результатов напряжений и деформаций. Эти же результаты можно вывести и на печать в виде самой карты напряжений, а числовые значения — в виде таблиц. На рис. 4 показана карта напряжений только стержневой части модели кузова-контейнера при подъеме его краном. Поскольку в пластинчатых элементах возникают незначительные (по сравнению со стержнями) напряжения, то на карте напряжений они не показаны.
Рис. 4. Карта эквивалентных напряжений в стержневых элементах кузова-контейнера при подъеме краном, построенная по результатам расчета
Модуль APM Structure3D дает возможность определить помимо величин максимальных эквивалентных напряжений в стержневых элементах (на карте напряжений) также величину и направление деформации в произвольной точке конструкции. По результатам расчета можно определить значения как внутренних силовых факторов в узлах элементов (эти данные требуются для расчета соединений элементов конструкции между собой), так и их значения в произвольной точке стержня. Кроме того, можно получить и распределение напряжений по сечению профиля стержневого конечного элемента.
Результаты расчета НДС кузова-контейнера позволили оценить его прочностные качества при различном эксплуатационном использовании. Для каждого вида нагружения определены коэффициенты запаса прочности элементов по напряжениям (n s ) и деформациям (n e ). Значения минимальных коэффициентов запаса прочности элементов каркаса кузова-контейнера, с учетом коэффициента динамичности, приведены в табл. 1.
Таблица 1. Минимальные коэффициенты запаса прочности кузова-контейнера
Анализ результатов расчета показал, что элементы кузова-контейнера обладают достаточной прочностью при всех видах нагружения. Кузов-контейнер имеет высокие значения минимальных коэффициентов запаса — в диапазоне 3,2-9,5. Это позволяет сделать вывод, что конструкцию каркаса корпуса кузова-контейнера можно оптимизировать в плане уменьшения жесткостных и массовых характеристик.
Для проверки достоверности результатов, полученных в ходе расчета НДС кузова-контейнера, был проведен эксперимент с установкой тензодатчиков и регистрацией величин реальных напряжений, возникающих в исследуемой конструкции при подъеме краном и перемещении волоком. Схема проведения эксперимента приведена на рис. 5.
Рис. 5. Схема проведения и обработки результатов эксперимента
Для обработки результатов эксперимента использовался программный комплекс ПК МАРК, позволяющий производить статистическую обработку, спектральный и корреляционный анализ результатов измерений, полученных в ходе эксперимента. Результаты определения напряжений представлены в табл. 2.
Таблица 2. Результаты экспериментального и расчетного определения напряжений в элементах кузова-контейнера
Сравнительная оценка экспериментальных и расчетных напряжений элементов кузова-контейнера показывает, что их расхождение составляет не более 15-20%, что соответствует приемлемой для инженерных расчетов точности вычислений.
Таким образом, использование программного продукта АРМ WinMachine (в основном модуля АРМ Structure3D) для расчета НДС кузова-контейнера позволило оценить прочностные качества конструкции и самое главное — дать практические рекомендации по возможности использования в качестве элементов конструкции профилей, имеющих более низкие характеристики жесткости и веса, то есть более экономичных.
