Численное исследование
напряженно-деформированного состояния узлов крановых металлоконструкций
А.В. Вертинский, д-р техн. наук,
профессор
А.А. Понитаев, канд. техн. наук
А.Н. Шубин, канд. техн. наук
МГТУ им. Н.Э. Баумана
Одним из наиболее ответственных узлов, которые определяют стоимость, массу и надежность крана, является его металлоконструкция (МК). Проектирование современных крановых МК, отвечающих всем требованиям безопасной эксплуатации, связано с повышением их технологичности и несущей способности.
Учет напряженно-деформированного состояния (НДС) узлов и соединений сварных конструкций позволяет объективно оценивать влияние остаточных напряжений и деформаций на несущую способность, обоснованно применять методы их регулирования и устранения, разрабатывать конструктивно-технологические мероприятия, направленные на формирование в МК более благоприятных полей остаточных напряжений и деформаций.
В МГТУ им. Н.Э. Баумана на кафедре «Подъемно-транспортные системы» разработана методика численного решения упругопластической задачи по определению НДС узла на основе метода конечных элементов.
Для исследования влияния технологии изготовления на процесс формирования полей остаточных сварочных напряжений и деформаций пространственных узлов крановых ферменных металлоконструкций, а также изучения механизма восприятия ими после этого эксплуатационных нагрузок, были произведены моделирование и анализ этих процессов на типовых узлах МК ряда стреловых кранов.
Полученные результаты позволяют сделать следующие выводы:
1. Уровень напряжений в начальный период эксплуатации в зонах, близких к сварным швам, высок и достигает предела текучести материала конструкции.
2. После приложения и снятия эксплуатационных нагрузок в крановом узле происходит перераспределение напряжений с уменьшением размера (но не полной ликвидацией) зон с высокой интенсивностью остаточных напряжений порядка предела текучести материала наряду с сохранением общего уровня напряжений в узле. Это не должно быть оставлено без внимания, так как при воздействии на металлоконструкцию еще какого-нибудь неблагоприятного фактора (низкой температуры эксплуатации, повышенной динамической нагрузки, случайной перегрузки и т. п.) может привести к аварии при эксплуатации крана.
3. Чем выше уровень эксплуатационной нагрузки, тем сильнее ее влияние на перераспределение напряжений. После снятия эксплуатационной нагрузки для данной топологии сварного узла наблюдается некоторое уменьшение величины зон, где интенсивность напряжений достигает предела текучести.
4. После снятия эксплуатационной нагрузки в узле остаются вторичные деформации. Более высокий уровень эксплуатационной нагрузки формирует в узле более высокий уровень вторичных деформаций после снятия этой нагрузки.
Исследования показали, что под действием остаточных напряжений и деформаций происходит искривление стержней, которые формируют сварные узлы.