Использование T-FLEX для исследования напряжённого состояния барабана мостового крана конечно-элементным способом

В статье рассмотрены вопросы анализа и расчета барабанов мостовых кранов с помощью пакета программ T-FLEX.   Данный   анализ   позволяет   оптимизировать   конструкцию, найти   слабые места и сократить расход материала.

Современное развитие вычислительных средств позволяет исследовать поведение механизмов на основе их электронных аналогов (3D-моделей). Одним из таких инструментов является программный комплекс T-FLEX, который содержит в своем составе необходимые для выполнения работ три модуля: T-FLEX CAD, T-FLEX Динамика, T-FLEX Анализ. Зачастую полученные в подобных системах результаты дают более обширную картину происходящих процессов, чем это может дать натурный эксперимент. Это дает больше инструментов для оптимизации конструкций и в целом большее представление об их состоянии и «критических параметрах эксплуатации». Проведение натурного эксперимента позволяет получить «точку достоверности», то есть некоторые возможные для натурного эксперимента результаты. При комплексном подходе к исследованиям становится возможным получать необходимую «точку достоверности» не по результатам специально планируемых экспериментов, а по измеренным параметрам текущих технологических процессов. При типовых исследованиях, когда достоверность модели не вызывает сомнений, численные методы позволяют отразить более детальную и плавную картину работы механизмов по всему исследуемому диапазону параметров без сомнений в ее достоверности. При этом экономятся значительные средства и время.

Для проведения исследования была использована пространственная параметрическая модель барабана мостового крана (рисунок 1).

Рисунок 1 - Создание твердотельной модели барабана

     

Статический анализ позволяет осуществлять расчёт напряжённого состояния конструкций под действием приложенных к системе постоянных во времени сил. На сегодняшний день это, пожалуй, наиболее востребованная в проектировании задача. С помощью модуля «Статический анализ» пользователь может оценить прочность разработанной им конструкции по допускаемым напряжениям, определить наиболее слабые места конструкции и внести необходимые изменения (оптимизировать) изделие. При этом между трёхмерной моделью изделия и расчётной конечно-элементной моделью поддерживается ассоциативная связь. Параметрические изменения исходной твёрдотельной модели автоматически переносятся на сеточную конечно-элементную модель.

Преимущества такого интегрированного решения для пользователя очевидны: за счёт прямой программной    интеграции     сохраняется     ассоциативная     связь     расчётной     математической модели и электронной объемной модели изделия. То есть пользователь может, например, изменить размеры анализируемого изделия, обновить конечно-элементную модель и сразу же получить результаты расчёта измененной модели. При этом ему не понадобится повторно осуществлять ввод геометрии, экспорт-импорт, задание граничных условий и т.п. Очевидно, что это очень удобно с точки зрения пользователя и  позволяет в короткие сроки просчитать несколько вариантов и выбрать из них оптимальный.

Статический анализ модели осуществляется в несколько этапов. Перечислим необходимые для выполнения анализа элементы.

Для осуществления статических расчётов необходимо выполнить следующие шаги:

Шаг 1. Создание объёмной твердотельной модели изделия. Перед началом работы в системе T-FLEX Анализа пользователь должен подготовить твердотельную трёхмерную модель (рисунок 2), которую он будет рассчитывать. Твердотельная модель может быть построена в среде T-FLEX CAD или импортирована из других систем. Статические расчёты могут выполняться над одной или несколькими операциями-телами.

Шаг 2. Создание «Задачи». «Задача» создаётся с помощью команды:

Клавиатура - Текстовое меню – Пиктограмма - «Анализ - Новая задача - конечно-элементный анализ» 

Для  осуществления  статического  расчёта  при  создании  задачи  пользователь  указывает  её  тип – «Статический анализ» (рисунок 3) в окне свойств команды. Если в сцене присутствует несколько тел, необходимо выбрать одно или несколько соприкасающихся тел, для которых будет создана новая задача. 

 Особенности этапов статического анализа

Рисунок 2 - Особенности этапов статического анализа 

Шаг 3. Задание материала. Одним из обязательных элементов любого расчёта является  материал задачи. Подробное описание способов задания материалов для расчёта приводится в соответствующем разделе описания препроцессора.

Шаг 4. Создание сетки. Для осуществления конечно-элементного моделирования необходимо построение конечно-элементной сетки (рисунок 4). По умолчанию команда построения такой сетки инициируется автоматически при создании задачи. Пользователь может также создать сетку, используя команду T-FLEX Анализа «Анализ-Сетка». 

 Статический анализ

Рисунок 3 - Статический анализ 

При создании сетки пользователь определяет различные параметры дискретизации твердотельной модели. Конечно-элементная сетка существенным образом может влиять на качество получаемых  решений в случае сложной пространственной конфигурации изделий. Подробно параметры управления генерацией конечно-элементной сетки рассматриваются в соответствующем разделе описания препроцессора T-FLEX Анализа.

Рисунок 4 - Генерация сетки

 Генерация сетки

Шаг 5. Наложение граничных условий. В статическом анализе роль граничных условий выполняют закрепления и приложенные к системе внешние нагрузки. Этап задания граничных условий очень ответственный и требует хорошего понимания расчётчиком сути решаемой задачи. Поэтому, прежде чем приступить к наложению граничных условий, следует хорошо продумать физическую сторону задачи (рисунок 5).

Шаг 6. Выполнение расчёта. После того как для модели была построена конечно-элементная сетка и наложены  граничные  условия  (закрепления  и  нагружения),  можно  запустить  процесс    формирования и решения линейных алгебраических уравнений статического анализа. Для запуска расчёта активной задачи можно использовать команду: Клавиатура - Текстовое меню - Пиктограмма - «Анализ-Расчёт».

Расчёт выбранной задачи можно также запустить из контекстного меню при нажатии на имени выбранной задачи в дереве задач.

По  умолчанию,   перед  расчётом   открывается  диалог   «Параметры   задачи»  статического  анализа. В данном диалоге пользователь может установить требуемые режимы и настройки расчёта, а также задать отображаемые в дереве задач типы результатов. Подробное описание назначения настроек задачи рассмотрено далее в разделе «Настройки процессора линейной статики». Большинство  режимов выбираются процессором автоматически в зависимости от размерности решаемой задачи и наложенных граничных условий. 

 Наложение граничных условий

Рисунок 5 - Наложение граничных условий 

После прохождения всех этапов мы получаем визуальные результаты (рисунок 6). Пользователь может оценить прочность разработанной им конструкции по допускаемым напряжениям, определить наиболее слабые места конструкции и внести необходимые изменения (оптимизировать) изделие. При этом между трёхмерной моделью изделия и расчётной конечно-элементной моделью поддерживается ассоциативная связь. Параметрические изменения исходной твёрдотельной модели автоматически переносятся  на сеточную конечно-элементную модель.

Результатами анализа устойчивости являются два основных параметра: коэффициент критической нагрузки. Расчетное значение коэффициента, произведение которого на приложенные к системе нагрузки дает фактическое значение критической нагрузки, приводящей систему в неустойчивое состояние. Например, для нашей модели коэффициент линейного расширения составил 1.3E-005 1/К. Это означает, что первая форма устойчивого равновесного состояния для данной модели имеет критическую нагрузку 600 кН. Этот тип результата отражает форму равновесного устойчивого состояния конструкции, соответствующую определенной критической нагрузке. Формы равновесных состояний, отображаемые в окне постпроцессора после завершения расчета, представляют собой относительные перемещения. Анализируя эти  формы, можно сделать заключение о характере перемещений в случае потери устойчивости.

 Анализ результатов

Рисунок 6 - Анализ результатов 

Вторым параметром является коэффициент запаса по эквивалентным напряжениям. Предварительные расчеты показали, что барабан имеет многократный запас прочности при заданной нагрузке в условиях равномерного распределения сил. Изменение коэффициента запаса по длине барабана наглядно представлено на рисунке 6.

Шаг 7. Генерация отчета по результатам расчета. Пользователь может анализировать результаты расчета не только используя постпроцессор, встроенный в T-FLEX CAD 3D. В T-FLEX анализе есть специальная возможность создать независимый электронный документ в HTML-формате, содержащий сведения о рассчитанной задаче с эпюрами результатов. Этот отчет можно передать независимым партнерам или сохранить в архиве для последующего изучения.

Таким образом, использование T-FLEX позволяет создать простой инструмент для принятия решений при изготовлении и эксплуатации барабанов мостовых кранов, а также разработке технологических процессов, что позволит повысить эффективность использования оборудования.

 

Литература

  1. Ануфриков П.А., Ивахненко И.А. T-FLEX анализ версии 11 – профессиональная проверка на прочность// САПР и графика. - 2012. - № 9.
  2. Плахтин В.Д.,  Димитрюк   С.О.  Исследования   шарнира  шарового   шпинделя   стана  250  //   САПР и графика. - 2012. - №
  3. Давыдов А.А. Возможности программного модуля T-FLEX анализ при расчете конструкций сложной конфигурации и формы // САПР и графика - 2012. - №
Год: 2012
Город: Павлодар