автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.06, диссертация на тему:Метод автоматизированного расчета сварных металлоконструкций механизированных крепей

Р Го ОД

¿2 ГкН 2и03

УДК 622.284 На правах рукописи

КАЦАГА ТАТЬЯНА ЯКОВЛЕВНА

МЕТОД АВТОМАТИЗИРОВАННОГО РАСЧЕТА СВАРНЫХ МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИЙ МЕХАНИЗИРОВАННЫХ КРЕПЕЙ

05.05.06 - Горные машины

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Республика Казахстан Караганда 2000

Работа выполнена в Карагандинском государственном техническом университете.

Научный руководитель - доктор технических наук, доцент Нургужин М.Р.

- доктор технических наук, доцент Ермеков Т. Е.

- кандидат технических наук, доцент Шманов М. Н.

Ведущая организация:

Казахский Национальный технический университет

Защита состоится 21 декабря 2000 года в 10.00 часов на заседании диссертационного Совета Д 14.22.01 при Карагандинском Государственном техническом университете по адресу: 470075, Республика Казахстан, Караганда, бульвар Мира, 56, главный корпус, конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Официальные оппоненты:

Автореферат разослан " / &" №> 3. 2000 года.

Ученый секретарь диссертационного Совета, доктор технических наук, доцент

И.М. Альтер

И1Ч1~5-02-5'05,и0

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

з

Актуальность работы. Основной объем подземной добычи угля обеспечивается комплексами оборудования с механизированными крепями. Создание и широкое внедрение механизированных комплексов сыграли исключительно важную роль в техническом перевооружении угольной промышленности, послужили мощным стимулом к развитию и повышению технического уровня всех звеньев в технологии угледобычи.

Реальное состояние на сегодня таково, что более 60 % горных машин отработали нормативный срок службы, а отсутствие в достаточной мере финансирования по реконструкции дефектных узлов, низкий уровень управления вопросами безопасности в отраслях промышленности, снижение инвестиций и пр. обуславливают низкий уровень безопасности и надежности технологических машин. Учитывая то обстоятельство, что большая часть металла (60-80%), необходимая для производства данного класса машин, используется на производство металлоконструкций, можно констатировать, что создание совершенных по металлоемкости, экономичных в изготовлении и надежных в эксплуатации сварных металлических конструкций механизированных крепей (МКМК) является одной из важнейших задач. Огромную роль при этом играет сварка. Использование сварочных технологий при производстве конструкций имеет ряд особенностей, без учета которых не могут быть получены надежные и экономичные сварные конструкции. Опыт эксплуатации сварных МКМК показывает наличие большого числа разрушений. Очагами разрушений сварных соединений, как правило, являются дефекты сварки, конструктивные несплошности, конструктивно-технологическая концентрация напряжений и деформаций. Существующие методы расчетов прочности МКМК ведутся в предположении, что они лишены трещин или подобных им дефектов. В свете проведенного анализа повреждений механизированных крепей, очевидно, что методику прочностных расчетов их металлоконструкций целесообразно пересмотреть на основе методов автоматизированного анализа (CAE - computer-aided engineering) и современных подходов механики деформирования и разрушения, что позволяет комплексно учесть целый ряд факторов, способных существенно повлиять на результаты анализа. В этой связи, развитие системных методов применительно к расчету сварных МКМК, базирующихся на системном анализе и учитывающих вышеперечисленные особенности технологии изготовления и эксплуатации конструкций, их реализацию методами нелинейной механики деформирования и разрушения следует рассматривать как актуальную задачу обеспечения надежности механизированных крепей, имеющую важное значение для экономики Республики Казахстан (РК).

Научные результаты работы получены при выполнении заданий государственных научно-технических программ:

- "Научно-технические проблемы в машиностроении и создание высокоэффективных машин и аппаратов" на период 1993 - 1996 годы (научно-техническая программа № 0034 Министерства науки и новых технологий РК);

- "Разработка теории плоских и пространственных механизмов высоких классов со многими степенями свободы" в рамках фундаментальных исследований по теоретическим проблемам машиноведения и надежности машин на 1997 - 1999 годы (постановление коллегии Министерства науки - Академии наук РК № 22 от 24.04.97).

Цель работы. Разработка метода расчета сварных металлоконструкций механизированных крепей с учетом конструктивно-технологических факторов и создание системы автоматизированного анализа для обеспечения их прочности.

Идея работы заключается в создании системного подхода, охватывающего все уровни моделирования конструкции и ее деталей на основе механики разрушения и численных методов.

Задачи исследования. Поставленная ;цель потребовала, решения следующих основных задач: : •

1. Проведение научно-обоснованного анализа разрушений узлов механизированных крепей и выявление основных факторов, влияющих на их несущую способность.

2. Развитие блочно-иерархического подхода к автоматизированному анализу напряженно-деформированного состояния металлоконструкций механизированных крепей на основе разработки расчетных схем с учетом трещинопо-добных дефектов.

3. Расчетные исследования напряженно-деформированного состояния металлоконструкций механизированных крепей с оценкой параметров их трещи-ностойкости после сварки и внешнего силового нагружения, включая автоматизированный анализ типовых сварных соединений.

4. Разработка алгоритмического и программного обеспечения системы автоматизированного анализа сварных металлоконструкций на стадии проектирования и эксплуатации на основе критериальных соотношений механики разрушения.

Научные положения.

1. Оценка нагрузок на металлоконструкцию механизированной крепи в конкретной геотехнической обстановке обеспечивается решением задачи моделирования остаточных прогибов с учетом упругопластического деформирования.

2. Прогнозирование критического состояния металлоконструкции механизированной крепи с трещиноподобными дефектами достигается путем использования критериев механики разрушения. При этом нелинейные эффекты в вершине трещины приводят к необходимости применения двухпараметриче-ских критериев механики разрушения.

3. Учет трещиноподобных дефектов и технологических факторов в реальных сварных соединениях металлоконструкций реализуется моделированием характерной формы сварных соединений и сварочных остаточных напряжений на основе нелинейного анализа при действии квазистатических нагрузок.

Научная новизна. В результате теоретических и экспериментальных ис-

следований развиты подходы к автоматизированному анализу сварных металлоконструкций механизированных крепей. На основе их системного анализа разработаны модели мета-, макро- и микроуровня крепи с трещиноподобными дефектами, комплексно учитывающие конструктивно-технологические факторы. Их отличие по сравнению с существующими подходами заключается в:

- разработке метода исследования несущей способности сварных МКМК с трещиноподобными дефектами на основе блочно-иерархического подхода;

- решении обратной задачи о напряженно-деформированном состоянии МКМК на основе замеренных значений остаточных прогибов, обеспечивающих адекватное отображение процесса нагружения;

- создании расчетных формул для критериальных параметров механики разрушения в типовых сварных соединениях МКМК в зависимости от их геометрии, длины трещины, внешнего нагружения и механических свойств материала;

- разработке алгоритмов расчета параметров трещиностойкости сварных МКМК с учетом сварочных остаточных напряжений и деформаций.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и результатов базируется на теоретических и расчетно-экспериментальных исследованиях напряженно-деформированного состояния МКМК и их узлов, на применении апробированного метода математического моделирования - метода конечных элементов и механики разрушения, а также применении соответствующего программного обеспечения.

Адекватность разработанных моделей проверена и подтверждена путем сопоставления результатов с экспериментальными данными, полученными как автором, так и другими исследователями.

Теоретическое и практическое значение. Разработанные основные положения системного подхода представляют основу расчета сварных МКМК, а так же позволяют проводить исследования в области несущей способности изделий данного класса технологических машин с трещиноподобными дефектами.

Практическая ценность работы заключается в:

- разработке методики инженерного расчета прочности МКМК с учетом конструктивно-технологических факторов;

- разработке алгоритмов и программного обеспечения проектного и проверочного расчетов статической и циклической трещиностойкости;

- использовании регрессионных зависимостей, полученных в работе, для расчета критериального параметра - коэффициента упругопластической концентрации деформаций.

Реализация результатов работы.

Результаты теоретических и экспериментальных исследований параметров трещиностойкости, а также конструктивные мероприятия, направленные на повышение несущей способности МКМК, внедрены в ЗАО «КАРГОРМАШ-ИТЭКС» (г. Караганда). Методика оценки предельного состояния сварных металлоконструкций внедрена в ТОО "Механомонтаж"(г. Караганда).

Компьютерная система автоматизированного анализа и прогнозирования

характеристик живучести сварных металлоконструкций принята к использованию на предприятиях поднадзорных Госгортехнадзору Агентства по ЧС РК.

Результаты диссертационной работы так же нашли примеьгние в учебном процессе при подготовке инженеров по специальностям "Горные машины и оборудование", "Системы автоматизированного проектирования" в Карагандинском государственном техническом университете.

Личный вклад автора. Автором диссертации: развит блочно-иерархический подход к автоматизированному анализу МКМК; проведены натурные исследования МКМК, выполнен анализ разрушений и установлены основные факторы, влияющие на несущую способность конструкции; созданы дискретные модели МКМК М130 для различных уровней моделирования на основе метода конечных элементов и реализован их автоматизированный анализ; разработаны рекомендации по выбору типов конечных элементов с учетом степени детализации модели; изучено напряженно-деформированное состояние (НДС) сварных соединений и узлов МКМК с целью разработки рекомендаций по повышению их несущей способности; получены регрессионные зависимости для параметров механики разрушения в зависимости от геометрии и материала металлоконструкции, внешних напряжений; развиты алгоритмы и программное обеспечение для оценки статической и циклической трещино-стойкости сварных соединений с трещиноподобными дефектами; выполнена апробация предложенного метода оценки прочности МКМК путем решения тестовых и практических задач и сравнительного анализа полученных результатов с экспериментальными данными.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и получили одобрение на научно-технических семинарах кафедры САПР Кар-ГТУ (1994-2000 гг.), на Международных научных конференциях: "Сварные конструкции" (Киев, 1995, 2000 гг.), 2-ой конгресс "Защита-95" (Москва, 1995); конференциях АШУБ "Компьютерное проектирование в 21 век" (Питсбург, США, 1996,1998 гг.), конгрессах КАБЕМБ "Проектирование, моделирование и оптимизация" (Штуттгарт, Германия, 1997, Ньюпорт, США, 1999 гг.); на всесоюзных научных конференциях и конференциях стран СНГ: "Современные проблемы механики горных пород" (Алматы, 1997), "Научно-технический прогресс-основа развития рыночной экономики" (Караганда, 1997), "Наука и образование - ведущий фактор стратегии "Казахстан 2030" (Караганда, 1998), "Прогрессивные техника и технология машиностроения и сварочного производства" (Киев, 1998 г.); и на 1-ой Казахстанской национальной геотехнической конференции (Акмола, 1997 г.).

Публикации. По результатам выполненных исследований подготовлено 4 научно-исследовательских отчета, опубликовано 18 печатных работ и учебное пособие.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, изложенных на 156 страницах машинописного текста, включает 62 рисунка, 14 таблиц, библиографии из 83 наименований и приложения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы и сформулирована цель исследования.

В первой главе представлен краткий обзор исследований по теме работы. Рассмотрены основные вопросы касающиеся проектирования и эксплуатации механизированных крепей и разработки методов анализа сварных металлоконструкций, в том числе и механизированных крепей, с дефектами типа трещин, поставлены задачи исследования.

Существенный вклад в области совершенствования механизированных крепей и управления горным давлением внесли видные ученые Казахстана и России: A.C. Сагинов, A.B. Докукин, Ю.Л. Худин, Е.И. Шемякин, Б.К. Мышляев,

A.Т.Филимонов, А.М.Ткаченко, Ю.А. Коровкин, Б. А. Фролов, В. И. Клишин,

B. С. Верин, Е.И.Микляев, В.Л. Попов, В.И. Солод, С.С. Жетесов, В.А.Бреннер, Л.И.Кантович, В.Н.Гетопанов, Е.И.Рогов, Ш.А.Алтаев, Ю.Н.Чабдарова, Б.И.Грицаюк, Ю.Ф.Савенко, М.В.Курленя, А.А.Орлов, В.Н.Хорин,

C.Т.Кузнецов, В.В.Старичнев, В.И.Зайков, К.М.Первов, В.Ф.Горбунов, В.А.Потапенко, Г.И.Ягодкин, С.С.Квон, О.В.Ким, А.Н.Коршунов, Б.А.Александров, И.А.Кияшко, И.М. Альтер, Е.П. Брагин, Т.Е. Ермеков и др.

Большинство методов определяют характер и величину горного давления, но не позволяют определить усилия в элементах крепи горных выработок в конкретной геотехнической обстановке. Поскольку нагружение крепи происходит в условиях ее взаимодействия с массивом горных пород, величины усилий определяются не только проявлениями горного давления, но и параметрами крепи. Метод, предложенный в работе и основанный на использовании измеренных значений остаточных прогибов перекрытий, позволяет это учитывать автоматически.

Анализ разрушений МКМК, условий их производства и эксплуатации на основе исследований, выполненных в данной работе и другими исследователями, позволил установить основные факторы, влияющие на несущую способность конструкций: конструктивно-технологическая концентрация напряжений и деформаций, возникших вследствие сварки; пересечение сварных швов; эффект концов швов; дефекты сварных соединений. Указанные факторы в сочетании с высокими напряжениями от внешнего нагружения явились основной причиной появления разрушений. На рисунке 1 приведены некоторые характерные зоны разрушений, выявленные при осмотре перекрытий МКМК М130 на специальном шахтомонтажном управлении угольного департамента «Испат-Кармет».

Учет влияния перечисленных факторов и создание системных методов расчета с применением компьютерных технологий требует дальнейшего развития основ автоматизированного анализа сварных МКМК. В основу решения данной проблемы может быть положен опыт отечественных и зарубежных исследований, проектирования и создания сварных конструкций.

Осознание того, что трещиноподобные дефекты существуют в изделии изначально, требует создания методик расчета, позволяющих исследовать рас-

пространение трещин в условиях как статического, так и циклических нагру-жений на основе механики разрушения, в становление которой внесли большой вклад Е.М. Морозов, В.З. Партон, Г.П. Черепанов, А. Грифитс, Д. Ирвин, П. Парис, Г. Либовиц, У.Х. Мюнзе, Л.М. Качанов, М. Сиратори, А. Атлури, Г.П. Карзов, A.B. Вертинский, М.Р. Нургужин, В.А. Ряхин, Б.А. Пустовой и др.

Характерные зоны разрушений

7

I '" "II Ш

I, II, III - зоны разрушений, I - верхний наклонный лист задней консоли; 2 - верхний лист; 3 -бачка (наружный вертикальный лист); 4 - трещины; 5 - балка (внутренний вертикальный лист); 6 - наклонный диет опоры; 7 - наклонный лист опоры; 8 - нижний горизонтальный ' лист;

Рисунок 1

В результате выполненного в первой главе анализа были сформулированы основные задачи исследования, приведенные выше.

Во второй главе описан предложенный в данной работе блочно-иерархический подход к автоматизированному анализу сварных МКМК, в ко-, тором использовались математические модели на мета-, макро- и микроуровнях, различающиеся степенью детализации рассмотрения процессов в объекте. Анализ конструкции и ее деталей проводился на основе программы АЫБУБ, базирующейся на методе конечных элементов.

На метауровне рассмотрена совокупность факторов взаимодействия крепи и горной породы. Анализ этих факторов был выполнен на основании выбранных расчетных схем и натурных замеров. При этом элементы МКМК которые имеют коробчатое сечение первоначально были представлены в расчетных схемах в виде балок, имеющих сложное сечение. Использование данной модели позволило с минимальными затратами машинного времени провести анализ конструкции при различных способах нагружения, что дало возможность выявить те узлы крепи, которые необходимо исследовать далее.

На макро- и микроуровне проведен анализ НДС элементов и узлов МКМК. Конструкционное соответствие реального изделия и его модели реализовано на основе применения численных методов анализа. При этом трехмерная модель (ЗБ-КЭ-модель) использовалась для анализа НДС изделия в целом. Объекты исследования на макроуровне - наиболее нагруженные элементы МКМК верх-няк, козырек или ограждение. В этом случае модель представлялась как пространственная коробчатая конструкция, на основе использования элемента оболочки. Двумерные модели (20-КЭ-модель) применялись на микроуровне для оценки прочности сварных соединений с учетом дефектов и технологических факторов, которые реализованы описанием реальной геометрии сварного

соединения (с непроварами, конструктивными щелями и пр.) и использованием в расчетах остаточных сварочных напряжений и деформаций. В существующих методиках проектирования учет данных факторов не отражен. Построение моделей микроуровня осуществлялось на основе твердотельного моделирования, что дало возможность учета нелинейности материала и получения НДС, близкого к реальному.

Предельное состояние изделия в момент исчерпания несущей способности при действии статических нагрузок оценивается на основе критериальных соотношений механики разрушения. В данной работе обосновано использование двухпараметрических критериев механики разрушения в терминах коэффициента интенсивности напряжений и в терминах деформаций.

Конечные элементы для построенных моделей выбраны на основе анализа библиотеки конечных элементов программы АКБУЗ и решения тестовых задач. Общий вид выбранных конечных элементов и конечно-элементные модели МКМК и ее элементов приведены на рисунке 2. В результате автоматизированного анализа осуществлено уточнение несущей способности МКМК и обоснован ряд мероприятий по ее повышению.

На основе дискретной метамодели крепи были проведены расчетные исследования с целью максимального приближения расчетной схемы к реальной. При этом использовались следующие методы.

Дискретные модели крепи М130 и ее узлов и типы конечных элементов

а - балочная модель; б - оболочная модель перекрытия; в - шпунтовое соединение; г - элемент балки; д - элемент оболочки; е - твердотельный элемент

Рисунок 2

1. Метод активной нагрузки. Исходными данными были: в первом случае нагрузка от гидростойки; во втором случае - горное давление.

2. Метод моделирования остаточных прогибов перекрытия с учетом упру-гопластического деформирования МКМК. Выполнялся на основе измерений, которые использовались в качестве граничных условий.

На рисунке 3 приведены результаты расчета по предложенным схемам. Анализ результатов показал, что метод активной нагрузки от гидростойки дал НДС конструкции максимально приближенное к реальному, поэтому данная схема рекомендована для проектных расчетов на прочность МКМК. Однако на стадии их эксплуатации, для диагностики, рекомендовано использовать метод моделирования остаточных прогибов, так как это позволяет учесть реальные горнотехнические условия. Независимо от схемы расчета, наиболее нагруженным элементом являлось перекрытие, что определило необходимость его уточненного расчета. Наличие пластических деформаций, выявленных расчетным и экспериментальным методами, определило необходимость учета нелинейных свойств материала.

6 4

I 2

1" О

§.-2

с

-4 -«

Данные натурных замеров сечения

—•—Нагрузка гидростойки является активной —Нагрузка горного давления является активной

Рисунок 3

В результате была получена обширная информация о НДС модели рамы верхняка крепи М-130: значения перемещений узлов, линии равного уровня напряжений и деформаций (упругих и пластических) и их табличные значения (рисунок 4). Сравнение расчетных данных с экспериментальными (И.М. Альтер) показали удовлетворительную сходимость. Относительная ошибка не превысила 15%, что позволило сделать заключение о правильности выбора расчетной схемы, конечно-элементной модели и типа анализа. На основании анализа результатов установлено, что проектная несущая способность различных элементов МКМК используется неравномерно. Скачкообразное изменение геометрических характеристик сечения сопровождается неравномерным распределением запасов прочности по длине сварных узлов крепи. Полученные в данной главе результаты расчета НДС конструкции и ее элементов служили в дальнейшем граничными условиями для моделирования на микроуровне сварных соединений с трещиноподобными дефектами.

В третьей главе рассмотрены образцы, моделирующие поведение основных типов сварных соединений: крестовых, стыковых, тавровых. Конечно-элементная модель стыкового сварного соединения представлена на рисунке 5.

Графики перемещении точек перекрытия

л*—1 *

-И

—«—, —»—

Линии равного уровня рамы верхняка

а- продольные напряжения, б- распределение интенсивности напряжений

Рисунок 4

КЭ-модель стыкового соединения и распределение напряжений

ПМ^«)"!«^ %

I

сеитяог» к гноем

__ -«4.37» ■¡Я Я . »»7 ма 14(1.365

•гз1.ее<а 311.941 «в?.в* 4*4.2$« яга.777 <.67. га» 733.713

а - 1/4 часть стыкового соединения; б - распределение напряжений сгх

Рисунок 5

Изучено распределение напряжений и упругопластических деформаций в сечении сварных соединений при статической нагрузке, близкой к предельной. Была использована модель теории течения при билинейном законе упрочнения. Рассматривались два варианта условий в направлении оси Ъ. плоское напряженное состояние и плоская деформация. На рисунке 5 представлены некоторые результаты расчетов для нагрузки Р = ат1 (/ - толщина пластины). Как и следовало ожидать максимальные величины С7К возникают у вершины трещины и в зоне перехода основного металла к сварному шву. Наблюдается значительное превышение максимальных напряжений относительно первоначального предела текучести, что объясняется трехосным напряженным состоянием для случая плоской деформации и упрочнением материала при деформировании.

При построении регрессионных зависимостей (таблица 1) для интенсивности упругопластических деформаций в зависимости от приложенной нагрузки, размера дефекта и механических свойств материала введен параметр

Показана независимость данного фактора от механических свойств мате-

риала (исследовалось семь марок сталей и сплавов). На основе нетрадиционного метода анализа результатов численного эксперимента получены формулы для определения £' в стыковых и тавровых сварных соединениях с непро-плавлениями а.

Таблица 1

Универсальные аналитические зависимости для расчета параметра е'

Соединение Тип схемы Формула Факторное пространство Параметры надежности уравнения

Я СКО 1-а

Тавровое Плоское напр-ние , а/Т -4,2-10"е2'4"'"'" е =--— (.О 0,42-0,19а/Т 0,4<а/Т< 0,9 0,5<Р/Р;<1,2 0,991 12,67 0,995

Плоская дефор-ция , ЫТ ■4Л9-10-2егм'°"> т £ =----и) 1,22-0,6&а/Т 0,4<а/Т< 0,9 0,5< Р/Р, <1,2 0,992 12,13 0,995

Стыковое Плоское напр-ние , 6,05. КГ2е3'24а'ст''' ,,, £ =-г- V*) 2,32-2,91 а/Т 0,4<а/Т< 0,7 0,5< Р/Р, <1,2 0,986 16,06 0,99

Плоская дефор-ция е' = 0)958е2'86а/Г+3'2ст/о"'' (5) 0.4<а/Т< 0.7 0.5<Р/Р,<1.2 0,995 16 0,995

Примечание: к - коэффициент множественной.корреляции; СКО(%) - среднеквадратическое отклонение; (1 -а) - уровень доверительной вероятности.

Рост размеров пластической зоны перед вершиной трещины привело к необходимости замены линейной механики разрушения на нелинейную, что сказалось на формулировках критериев разрушения.

В данной работе обосновано использование двухпарамётрического критерия в терминах деформаций.

5 Г „тах \25

к1сЧ1пх

где - интенсивность деформаций в рассматриваемом месте с учетом остаточных сварочных деформаций; ер - критическая деформация для материала изделия; К2" - коэффициент интенсивности напряжений по теории обобщенного нормального отрыва с учетом остаточных сварочных напряжений; К1Г - вязкость разрушения материала шва или околошовной зоны; г}- поправочный коэффициент, учитывающий жесткость нагружения зоны шва и величину притупления у примыкающей полости; пх, пв - коэффициенты безопасности при хрупком и вязком разрушениях.

При этом величина эквивалентной пластической деформации в вершине непроплавления оценивается по формуле

ш

На основе анализа установлено, что для зоны вершины трещиноподобного

дефекта и острого концентратора (аа >2) формула Нейбера при оценке коэффициента концентрации упругопластических деформаций дает существенную погрешность, что подтверждает актуальность формулы (7).

В четвертой главе приведены алгоритмы определения статической и циклической трещиностойкости сварных соединений с учетом влияния остаточных сварочных напряжений и деформаций.

Критический анализ существующих методов позволил выделить две стадии: проектный расчет сварных соединений с конструктивными несплошно-стями и расчет сварных соединений с дефектами в процессе эксплуатации сварных конструкций. На стадии проектного расчета на крепь действует максимальная нагрузка от гидросгойки. Предельное состояние изделия в момент исчерпания несущей способности при действии статических нагрузок оценивается на основе критериальных соотношений механики разрушения. Для проектируемого соединения оцениваются: критическая длина трещины (/с); допустимый размер дефекта ,(/0) с учетом коэффициента запаса на длину трещины т0; фактический запас прочности изделия с дефектом / = /0. На основе предложенного алгоритма, реализованного в программе было проведено исследование для стыкового и таврового сварных соединений крепи М130 с целью определения проектных допустимых и критических длин трещин. Анализ результатов показал необходимость учета остаточных напряжений, так как при этом критериальные параметры трещиностойкости уменьшились на »40%. Вместе с тем показано, что использование в расчетах критерия хрупкого разрушения при небольших трещинах привело к напряжениям, превышающим предел прочности материала, что не соответствует действительности (рисунок 6а). Поэтому рекомендовано использовать критерий квазихрупкого разрушения.

Проверочный расчет базируется на описанной методике и имеющихся данных об эксплуатации механизированной крепи и размеров выявленных дефектов 1р. Для рассматриваемого соединения с дефектом 1р оцениваются: критическая и допустимая длины трещин с проверкой условия </„ критическое напряжение егс при 1 = 1р и проверка условия ар<ос, где а - действующая нагрузка; фактический запас прочности п0 = ас / <т . На основе разработанного алгоритма осуществлен расчет напряжений ас для стыковых сварных соединений, выполненных двухсторонней и односторонней сваркой с неполным противлением (рисунок 6а). В результате установлено, что модель квазихрупкого разрушения с достаточной степенью точности совпадает с результатами эксперимента (В.И. Махненко). Применение модели хрупкого разрушения справедливо для относительно длинных трещин. Учет влияния остаточных напряжений приводит к снижению допустимого размера трещины до 46%.

На основе разработанной схемы (рисунок 7) была осуществлена оценка прочности МКМК с учетом влияния обнаруженных трещиноподобных дефектов перекрытия крепи М130, возникших на стадии эксплуатации, и выработан ряд рекомендаций.

Разрушающие напряжения в стыковых соединениях с непроплавлениями

Рыруцмюшие *|пр*жснн», МЛа

500 400 300 200 100

б

МПа

4

N

з/ N >>

г V . ч \ N \ч

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5

1/Ь ...

а- проектный расчет: 1- хрупкое разрушение; 2- хрупкое разрушение с учетом остаточных напряжений; 3 - квазихрупкое разрушение; 4- квазихрупкое разрушение с учетом остаточных напряжений; б- сравнение с экспериментальными данными: 1 - двухсторонняя; 2 - односторонняя; 3 - двухсторонняя сварка(Кс=К|с);-- модели квазихрупкого разрушения;- _ _ - модели хрупкого разрушения; ° и • - эксперим. данные

Рисунок 6

Структурная схема оценки характеристик прочности МКМК

1. Изучение инструкций по эксплуатации, актов ремонтов и обследований, проектной документации

Металлоконструкция механизированной крепи > ►

5. Оценка характеристик статической трещиностойкости

4. Выбор расчётной схемы, критериев и оценка НОС элемента с трещиной (20-модель)

2, Экспертное обследование:

- визуальный осмотр

- дефектоскопия

- промеры

- метамоделирование -1-

3. Анализ повреждений и напряженно-деформированного состояния(макро- и микро-ЗЭ - модели)

а

о

С

Списание крепи

>

6. Принятие решения

С

и

К

Дальнейшая эксплуатация -Ж-

Ремонт

Рисунок 7

>

В данной главе так же разработаны алгоритмы оценки циклической трещиностойкости сварных соединений, на основе которых в рамках поставленных задач, целесообразно проводить дальнейшие исследования с расширением номенклатуры узлов и элементов металлоконструкций горных машин при наличии знаний о закономерностях их циклического нагружения.

В пятой главе описана разработанная автором система автоматизированного анализа и прогнозирования прочности АИ\УЕЬО. При проектировании системы предполагалось наличие большого количества расчетных формул и задач, а следовательно мощного математического аппарата для их решения. Кроме этого предполагалось, что сами расчетные схемы не будут фиксировано

заданы внутри программы как постоянные величины, а будут динамично изменяться пользователем системы, при выполнении расчетов. В качестве базового элемента в системе был принят пользовательский модуль-задача, который несет в себе основной информационный объем исходных данных, включая схему расчета и материал, критерий анализа, расчетную часть и результаты.

Среди современных высокоуровневых языков программирования в среде Windows 9S/NT выбран компилятор Delphi V3.0. На рисунке 8 представлена укрупненная структура функционирования системы.

Структура системы ANWELD

ПРЕПРОЦЕССОР

-- — 4- —

Ввод геометрических параметров

Определение свойств материала

Определение внешней нагрузки и остаточных напряжений

Выбор схемы расчета и ввод уравнения для расчета параметра трещиностойкости

ПРОЦЕССОР

> ПОСТПРОЦЕССОР

Статическая трещиностойкость

Проектный расчет

Проверочный расчет

Расчет критической длины трещины

Расчет критического напряжения

Определение реального запаса прочности

Циклическая трещиностойкость

Прогнозирование

характеристик трещиностойкости

Графики зависимостей

Щ.

Отчет

Рисунок 8

В рамках реализации разработанных алгоритмов, в данной главе: создана интерактивная подсистема хранения и ввода исходных данных независимая от выбранного алгоритма расчета и базирующаяся на стандартизированных справочниках; разработана многофункциональная подсистема создания модели (данная подсистема воплотила в себе идею комплексной разработки задачи, реализованную в рамках единой формы, имеющей многоуровневый функциональный интерфейс); разработана автоматизированная система документирования, которая создает «макет» расчета, сохраняя «отпечатки» событий, генерируемых системой, во временный буфер, являющийся основой создаваемого файл-отчета; создана подсистема математической поддержки расчета, позволяющая задавать расчетные формулы вне основного программного кода с использованием переменных расчета, значение которых может динамично изменяться; разработан встроенный язык ма-

тематического процессора и переменных расчета, а так же аппарат обработки исключительных ситуаций при возникновении ошибок. Система АМ\УЕ1Ю позволяет генерировать файл-отчет, содержащий в себе полный алгоритм автоматизированного анализа. Созданный графический интерпретатор выходных данных позволяет пользователю получить результаты в виде наглядных графиков и диаграмм (рисунок 6).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Разработан метод системного анализа сварных МКМК на основе развития блочно-иерархического подхода к созданию расчетных моделей.

2. Результаты натурных экспериментов и обследований МКМК показали наличие трещиноподобных дефектов, нелинейных деформаций и сложного напряженно-деформированного состояния узлов перекрытия, что определяет необходимость их уточненного расчета на основе методов нелинейного анализа и механики разрушения. Установлено, что характерными видами разрушений сварных МКМК являются квазихрупкое разрушение, пластическая деформация, коррозия под напряжением и старение металла в зоне сварных соединений. Общим для большинства разрушений является существование трещиноподобных дефектов и конструктивных несплошностей до разрушения. Важную роль при этом в развитии разрушения играют остаточные сварочные напряжения и деформации.

3. Показано, что в процессе метаанализа системы "крепь - выработка" для оценки общего НДС эффективным подходом является представление МКМК и ее элементов как системы с распределенными параметрами. При этом использование метода, основанного на моделировании измеренных значений остаточных прогибов перекрытий позволило получить НДС конструкции, близкое к реальному.

4. Исследовано упругопластическое деформирование типовых сварных соединений с непроплавлениями. В результате установлено, что при нагружении сварных соединений с угловыми и стыковыми швами статической нагрузкой в поперечном сечении шва возникает объемное напряженное состояние со значительными напряжениями растяжения (ст > 0,7а--,). Выявлено, что в зонах вершины трещиноподобного дефекта и острых концентраторов формула Нейбера при оценке коэффициента концентрации деформации Кс дает существенную погрешность. В этой связи, получены аналитические зависимости эквивалентной пластической деформации в вершине непроплавления сварных соединений в функции геометрии, приложенной нагрузки и механических параметров материала.

. 5. Разработаны алгоритмы и программа оценки статической и циклической трещиностойкости сварных соединений с трещиноподобными дефектами с учетом влияния остаточных напряжений и деформаций АЫЧУЕЦ). В основу методов положены: двухпараметрические критерии разрушения в терминах коэффициента интенсивности напряжений и в терминах деформаций; модифицированная формула Элбера для расчета циклической прочности сварных соединений с трещинами с учетом влияния остаточных напряжений на скорости роста усталостной трещины; определение допустимого размера дефекта при действии стати-

ческих нагрузок базируется на понятии коэффициента запаса на длину трещины, при действии циклических нагрузок - формуле, полученной из условия неподрастания трещины от острого концентратора.

6. Выполнены расчеты МКМК с трещиноподобными дефектами, учитывающие конструктивные, технологические и эксплуатационные факторы, характерные для данного класса несущих конструкций на основе разработанного и апро-. бированного на методических примерах программного обеспечения и предложенной схеме оценки прочности металлоконструкций. Анализ результатов проектного и проверочного расчетов позволил заключить, что модель квазихрупкого разрушения с достаточной степенью точности описывает результаты эксперимента, а применение модели хрупкого разрушения справедливо для относительно длинных трещин, когда //¿>>0,5...0,6. Необходимым является учет остаточных напряжений, т.к. при этом критериальные параметры трещиностойкости уменьшаются на 40%...50%. Выполненный анализ служит основой для разработки конструктивных решений на стадии проектирования и эксплуатации.

7. Применение компьютерной автоматизированной системы анализа и прогнозирования прочности АМ\УЕЬБ и ее подсистем, охватывающих жизненный цикл металлоконструкции, позволяет создать совершенные сварные МКМК, соответствующие назначению при рациональном расходовании конструкционных материалов.

Основное содержание работы отражено в следующих публикациях:

1. Альтер И.М., Нургужин М.Р., Еремина Т.Б., Кацага Т.Я. Математическое моделирование, процессов нагружения металлоконструкций // Технические средства и программное обеспечение автоматизированных систем: Сб. научн. трудов. -Караганда: КПТИ, 1995. -С. 10-16.

2. Нургужин М.Р., Кацага Т.Я., Тенкелиди Е.Д. Критерии прочности механики разрушения в методах прогнозирования живучести машиностроительных конструкций // Технические средства и программное обеспечение автоматизированных систем: Сб. научн. трудов. - Караганда: КПТИ, 1995. - С. 58-62.

3. Нургужин М.Р., Даненова Г.Т., Кацага Т.Я., Тенкелиди Е.Д. Разработка методов автоматизированного анализа и прогнозирования живучести сварных машиностроительных конструкций // Защита-95: Тезисы докл. II Международного конгресса. - М., 1995.-С.40-41.

4. Нургужин М.Р., Даненова Г.Т., Кацага Т.Я. Компьютерные методы анализа машиностроительных конструкций на основе концепции «соответствие назначению» // Труды КарГТУ. - Караганда: КарГТУ, 1996. - Вып. 1.- С. 198-200.

5. Нургужин М.Р., Даненова Г.Т, Кацага Т.Я. Процессно-ориентированная информационная технология // Проблемы фундаментостроения в грунтовых условиях новой столицы: Труды 1 -ой Казахстанской национальной геотехнической конференции. - Акмола, 1997.-С. 441-444.

6. Нургужин М.Р., Даненова Г.Т., Кацага Т.Я. Моделирование напряженно-деформированного состояния массива горных пород с нарушениями сплошности // Современные проблемы механики горных пород: Тезисы Международной научной конференции. - Алматы, 1997. - С. 97-98.

7. Nurguzhin M.R., Katsaga Т. Ja. Non-linear analysis of a welded joint with defects as cracks // DESIGN, SIMULATION and OPTIMISATION. Reliability and Applicability of Computational Methods: Proceeding of NAFEMS World Congress'97, Germany.-Vol. 1.-P. 422-426.

8. Нургужин M.P., Даненова Г.Т., Кацага Т.Я. Применение МКЭ для анализа сварных конструкций с дефектами типа трещин // Прогресивна техшка i технолопя машинобудування, приладобудування i зварювального виробництва: Труды Международной конференции. -Киев, 1997. - С. 67-73.

9. Кацага Т.Я. Влияние геометрии сварных соединений на распределение пластических деформаций при статических предельных нагрузках II Научно-технический прогресс - основа развития рыночной экономики: Труды Международной конференции. - Караганда, 1997. - С. 71-75.

10. Нургужин М.Р., Кацага Т.Я. Нелинейный анализ сварных соединений // Труды КарГТУ. - Караганда: КарГТУ, 1997. - Вып.2 - С. 78-81.

И. Nurguzhin M.R., Danenova G.T., Katsaga Т.Ja. Application of FEM in the analysis of welded constructions with defects as cracks // Eighth International ANSYS Conference and Exhibition: Proceeding. - Pennsylvania (USA), 1998.-C. 121 - 127.

12. Нургужин M.P., Кацага Т.Я. Анализ напряженно-деформированного состояния МКЭ сварных соединений с трещиноподобными дефектами // Наука и образование - ведущий фактор стратегии "Казахстан 2030": Труды Международной научной конференции. - Караганда, 1998. -С.536-540.

13. Нургужин М.Р., Даненова Г.Т., Кацага Т.Я. Интегрированная технология проектирования - платформа для будущего // Автоматика и информатика. -1998. -№ 1,- С. 14-19.

14. Кацага Т.Я. Система автоматизированного анализа и прогнозирования живучести сварных конструкций // Наука и образование - ведущий фактор стратегии «Казахстан 2030», посвященный 100-летию со дня рождения академика Сатпаева: Труды Международной научной конференции. - Караганда, 1999. - С. 212-214.

15. Nurguzhin M.R., Danenova G.T., Katsaga T.Ja. Application of a method of finite elements for an estimation crack-resisting of welded connections // NAFEMS World Congress '99: Proceeding.-Newport (USA), 1999.-C. 1115-1123.

16. Nurguzhin M.R., Danenova G.T., Katsaga T.Ja The main principles of relization of FEM in systems of automated design // Информационные технологии и упраате-ние в Республике Казахстан (KazITC"99): Тезисы Второй Международной конференции. - Алматы, 1999. - С. 71.

17. Нургужин М.Р., Кацага Т. Я. Особенности использования программных комплексов инженерного анализа в научно-исследовательском и учебном процессах // Наука и образование - ведущий фактор стратегии «Казахстан 2030»: Труды Международной научной конференции. - Караганда, 2000. -С. 191-193.

18. Нургужин М.Р., Кацага Т.Я. Оценка остаточного ресурса на основе программного комплекса прогнозирования живучести сварных конструкций ПК ANWELD // Сварные конструкции: Тезисы Международной конференции. - Киев, 2000. -С,211-212.

19. Нургужин М.Р., Кацага Т.Я., Даненова Г.Т. Лабораторный практикум по математическому моделированию объектов проектирования на макро- и микроуровнях: Учебное пособие. - Караганда: КарГТУ, 2000. - 69 с.

КАЦАГА ТАТЬЯНА ЯКОВЛЕВНА

МЕХАНИКАЛАНДЫРЫЛГАН БЕК1ТПЕЛЕРДЩ ДЭНЕКЕРЛЕНГЕН МЕТАЛЛ КОНСТРУКЦИЯЛАРЫН АВТОМАТТАНДЫРЫЛЕАН ЕСЕПТЕУ ЭД1СТЕР1

Орындалган теориялык жене тэж1рибелш зерттеулер непзшде жарыкшак тэр!здес акауларды жэне калдык дэнeкepлiк кернеулер мен деформацияларды еселке алумен механикаландырылган беютпелердщ металл конструкцияларын есептеудщ автоматтандырылган ЭД1С1 эз1рленген. Эдктщ непзше конструк-цияны модельдеудщ барлык децгейдерш жэне кирау механикасы мен сандык вД1стер непзшде оныц белшектерш камтитын, талдау ад1стерш куруга жуйел1 блокты - иерархиялык ынгайлы колдану идеясы салынган. Мета-, макро- жане микроденгейдеп дискретак модельдер эз1рленген жене оларды автоматтандырылган талдау орындалган. К^ирау механикасыньщ елшемдш ара катынастары непзшде механикаландырылган беютпелердщ металл контрукнияларыньщ жарыкшакка тоз1мд1л1к параметрлерш есептеу ушш А1Ч\¥ЕЕО программалык кешет зз1рленген.

KATSAGA JA. TATIANA

METHOD OF COMPUTER-AIDED ENGINEERING FOR CALCULATION OF METAL CONSTRUCTION OF POWERED SUPPORT

The work is devoted to the development of the method of computer-aided engineering for calculating metal constructions of powered supports. The. calculation takes into account cracks and residual stresses and strains. The base of the method is a block hierarchical approach for creating analysis methods that sweep all levels of design modeling using mechanics of fracture and numerical analysis. Discrete models were developed on meta-, macro- and microlevels and their computer-aided analysis was executed. The program ANWELD was developed for crack-resisting axes calculation of metal constructions of powered supports on the base of the correlation criterion of mechanics of fracture.