автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.05, диссертация на тему:Нелинейная модель сейсмических колебаний грузоподъемных кранов

НОВОЧЕРКАССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ВОЛГОДОНСКИЙ ИНСТИТУТ

НЕЛИНЕЙНАЯ МОДЕЛЬ СЕЙСМИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ ГРУЗОПОДЪЕМНЫХ КРАНОВ

Специальность 05.05.05 - подъемно-транспортные машины

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

НЯ пмппнги

ЕЛЖОВ Юрий Николаевич

Волгодонск, 1998

Работа выполнена в Волгодонском институте Новочеркасск государственного технического университета.

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

Панасенко Н.Н.

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

Кобзев А.П. - кандидат технических наук, доцент

Ведущая организация - ЭМК "Атоммаш", г. Волгодонск.

Защита состоится 1 июля 1998 г. в 15 часов на заседш

специализированного совета К117.07.01 в Астраханском государствен!

техническом университете по адресу: 414025, г.Астрахань, ул. Татищева, аудитория 309.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке АГТУ,

Отзывы в 2-х экземплярах, заверенные печатью, просим посылат! специализированный совет АГТУ.

Дербенев///.

Автореферат разослан

ЛЫУ 1998 г.

Ученый секретарь специализированного совета, кандидат технических наук, доцент

Турпшцева М.С.

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Грузоподъемные краны представляют собой эжные технические сооружения повышенной опасности, в ряде случаев не тько с экономической, но и с социальной ответственностью. Сейсмостойкое оектирование таких сооружений призвано исключить возможность их полного фушения и последующего падения с высотных уровней установки в юительных объектах с тем, чтобы сохранить человеческие жизни и наиболее эогостоящее оборудование. Решение подобных задач требует проведения [рокого комплекса теоретических и экспериментальных исследований камических характеристик и напряженно-деформированного состояния (НДС) тструктивных элементов тодъемно-транспортных машин (ПТМ). В настоящее :мя дальнейшее развитие сейсмостойкого проектирования ПТМ связывается с ¡ершенствованием и широким внедрением в инженерную практику методов ¡темного анализа, компьютерных технологий, а также методов динамического лета, наиболее полно отражающих действительную работу крановых клрукций при землетрясениях. Актуальность темы определяется потребностью создании метода расчета НДС ПТМ при прохождении землетрясения, ггывающего реальный характер взаимодействия в связях их ходовых колес К) с подкрановыми рельсовыми путями, которое является существенно шнейным.

Цель работы заключается в разработке математической модели ганейных связей "ХК-рельс" и на ее основе - нелинейной конечно-элементной цели сейсмических колебаний несущих пространственных металлоконструкций к) ПТМ различного конструктивного устройства, в разработке на базе ученных математических и расчетно-динамических моделей (РДМ) оритмов и программного обеспечения для комплексного исследования [смостойкости ПТМ, и в совокупности - практической методики поверочного смического расчета м/к ПТМ, основанной на методе вычислительного перимента (МВЭ).

Методика исследования. Работа содержит теоретические исследования в [асти создания математических моделей механических систем и практический лиз сейсмостойкости реальных пространственных м/к ПТМ. В теоретических ледованиях использованы методы линейной алгебры, матричное исчисление, оды математической статистики, численные методы решения проблемы ственных значений и методы интегрирования матричных дифференциальных внений сейсмических колебаний, метод конечных элементов (МКЭ). В ледовании реальных конструкций широко применялись компьютерное (елирование и метод вычислительного эксперимента. Для анализа и дставления результатов применены стандартные математические пакеты грамм для IBM-совместимых компьютеров.

Научная новизна диссертационной работы заключается:

- в разработке математической модели нелинейных связей в парах "X рельс" передвижных конструкций ГТГМ;

- в разработке конечно-элементной расчетной динамической мода конструкций ГГГМ как нелинейных систем и развитии на ее основе МЬ применительно к анализу сейсмостойкости подобных систем;

- совершенствовании методики исследования влияния перемета эксплуатационных состояний ПТМ на собственные колебания их м/к, ран предложенной Н.Н.Панасенко и А.И.Левиным;

- разработке и совершенствовании алгоритма линейного динамическо расчета пространственных стержневых м/к ГТГМ в нормальных координатах учетом теории тонкостенных стержней;

- разработке на базе МКЭ алгоритма нелинейного динамического расчеэ учитывающего наличие включающихся связей в парах "ХК-рельс";

разработке методики поверочного сейсмического расче пространственных м/к ГТГМ с учетом нелинейных связей "ХК-рельс".

Практическая ценность работы состоит:

- в совершенствовании алгоритмов линейно-спектрального метода (ЛО теории сейсмостойкости и линейного динамического анализа крановь сооружений, направленного на увеличение их быстродействия;

в развитии методов конечно-элементного моделирован! пространственных м/к ПТМ, направленных на учет действительных нелиисйнь связей кранов с рельсовыми путями, принципиально влияющих на их НДС;

- в создании программных средств на платформе ЮМ PC д) комплексного анализа сейсмостойкости пространственных м/к ПТМ, включаюпц линейный и нелинейный динамический расчет, доведенных до состояли позволяющего применять их в инженерной практике;

- проведении исследований по динамике реальных м/к ПТМ в условю прохождения землетрясения.

Внедрение результатов работы. Результаты исследований использовалиа

- при разработке проекта руководящего документа (РД) "Основнь требования безопасности к устройству и эксплуатации грузоподъемных кранов до обслуживания ядерных установок", разрабатываемого ВиНГТУ (г.Волгодонск АГТУ (г.Астрахань), ВНИИПТМАШ (г.Москва), АО "Сибтяжман (г.Красноярск) под контролем Госгортехнадаора РФ (В.С.Котельников, Москва);

- в развитие статьи 2.3 "Правила устройства и безопасной эксплуатацг грузоподъемных кранов. ПБ 10-14-92.", посвященной требованиям расчета кране на сейсмические воздействия;

- при разработке новой редакции "Норм расчета на сейсмостойкой подъемно-транспортного оборудования атомных станций" (РД 24.035.04-89);

- при сейсмостойком проектировании модернизированной машин перегрузочной типа МПС-В-1000-З.У4.2 для реактора ВВЭР-1000 i

едприягии ОАО ЭМК-"Атоммаш" и в Волгодонском филиале ВНИИАМ Волгодонск).

Автор выносит на защиту:

- конечно-элементную математическую модель сейсмических колебаний редвижных конструкций ПТМ, учитывающую нелинейный характер 1имодействия в связях ходовых колес с подкрановыми рельсовыми путями;

- нелинейную расчетно-динамическую модель сейсмических колебаний редвижных конструкций ПТМ;

- алгоритм расчета заданного ограниченного числа форм собственных тебаний пространственных тонкостенных стержневых конструкций;

- алгоритмы линейного и нелинейного динамического расчета нсостенных стержневых конструкций ПТМ методом модальной суперпозиции с гтом заданного ограниченного числа форм собственных колебаний;

- методику динамического анализа НДС м/к ПТМ при сейсмических ¡действиях, заданных акселерограммой землетрясения, на основе метода числительного эксперимента;

- комплекс программ для исследования сейсмостойкости м/к ПТМ.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы огадывались и обсуждались на VI Всероссийской научно - методической 1ференции "Безопасность жизнедеятельности человека" (г.Новочеркасск, 12-16 ггября 1994 г.), научно-технической конференции "Новое в подъемно-щепортной технике" (г.Москва,МВТУ, 1994 г.), международной научно-нической конференции "Прогрессивная техника и технологии шиностроения" (г.Севастополь, 12-15 сентября 1995 г.), Российской научно-нстической конференции "Проблемы технической безопасности подъемных сужений" (г.Новочеркасск, 19-22 сентября 1995 г.), международной научно-;нической конференции "Современные проблемы машиностроения и :нический прогресс" (г.Севастополь, 10-13 сентября 1996 г.), научно-нсгической конференции "Проблемы надежности и безопасной эксплуатации гьемных сооружений" (г.Сочи, 1-8 октября 1996 г.), IX научной конференции лгодонского института НГТУ (г.Волгодонск, май 1996 г.), Российской научно-нической конференции "Новые материалы и технолопп!" (г.Москва,МАТИ-ГУ, 4-5 февраля 1997 г.), международной научно-технической конференции рогрессивные технологии машиностроения и современность" (г.Севастополь, 9-сенгября 1997 г.), X научной конференции Волгодонского института НГТУ Волгодонск, май 1997 г.), научно-практической конференции по безопасности гьемных сооружений" (г.Сочи, 1-8 октября 1997 г.). Отдельные результаты юты представлялись на кафедрах ПТМ НГТУ (г.Новочеркасск), ПТМ и ММ ТУ (г.Астрахань), ПМ ВиШ "ГУ (г.Волгодонск), АИСИ (г.Астрахань), а также в ВНИИАМ и ЭМК-"Атоммаш" (г.Волгодонск).

Публикации. Научная работа по настоящей диссертации автор выполнялась с 1994 по 1998 год по заданиям ЭМК-"Атоммаш" , ВфВНИИ/ (г.Волгодонск), Госгортехнадзора РФ, ВНИИПТМАШ (г.Москва), J "Сибтяжмаш" (г.Красноярск) и др. За этот период по теме диссертаи опубликована 21 печатная работа.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 гл, заключения, списка литературы из 132 наименований, 290 стран машинописного текста, 56 иллюстраций, 14 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении к диссертации обоснована актуальность рассматриваем проблемы, определена цель работы, изложено ее краткое содержание, приведи положения, составляющие научную новизну работы и являющиеся предмет защиты.

В первой главе проанализировано современное состояние метод расчетного анализа сейсмостойкости грузоподъемных кранов. Рассмотре] нормативные требования по проектированию кранов для сейсмических районов также масштабность сейсмических явлений на территории России. "Прави устройства и безопасной эксплуатации грузоподъемных кранов" (ПБ 10-14-9: "Нормы проектирования сейсмостойких атомных станций" (ПН АЭ Г-5-006-8' "Строительство в сейсмических районах" (СНиП II-7-81) и др. требу! осуществлять проектирование ПТМ для сейсмически активных зон сейсмостойком исполнении. На основе имеющихся публикаций проведен анал характера реакции кранов на сейсмические воздействия. Приведен краткий обз методов проектирования сейсмостойких ПТМ. Показано, что проблем сейсмостойкости ПТМ лежит на стыке нескольких областей знания, главными которых, с одной стороны, является теория и методы расчета ПТМ, где ведуш роль принадлежит М. П. Александрову, Л.Н.Невзорову, И.И.Абрамови1 С.А.Казаку, В.С.Котелышкову, Г.Г.Кожушко, А.А.Короткому, КД.Никипи М.Н.Хальфину, Н.А.Лобову, АС.Липатову, В.Г.Соловьеву, В.И.Брау; Н.А.Швалову, А.А.Зарецкому, М.М.Гохбергу, Д.Н.Спицыной, Г.П.Ксюнш Н.Н.Панасенко, А.И.Левину, Ф.Т.Чаплыгину, М.Косу, М.Энгельке, Ф.Курт М.Шефлеру и др., а с другой - теория сейсмостойкости и строительная механи сооружений, динамика конструкций и теория надежности, где ведущая ро. принадлежит Ю.К.Амбриашвили, В.В.Болотину, Г.В.Воронцову, А.3.3арифьяя Р.Клафу, С.В.Полякову, А.И.Цейтлину, А.Н.Дудченко, В.П.Юзикову и д Делается вывод о том, что основным направлением развития метод* сейсмостойкого проектирования является совершенствование метод динамического расчета с целью наиболее полного отражения характера поведет кранов во время землетрясения. Одним из таких направлений является уч нелинейного характера взаимодействия в парах "ХК-рельс" для передают

ггрукции ГТГМ. Выполненный анализ позволил определить методику [едований и поставить задачу, направленную на создание практической )дики поверочного сейсмического расчета м/к ГГГМ.

Вторая глава посвящена построению РДМ несущих металлоконструкций юв. В основе метода формирования РДМ лежит метод конечных элементов; в :стве конечного элемента (КЭ) выбран прямолинейный тонкостенный ясень, для которого кроме трех линейных и трех угловых степеней свободы [ены дополнительные - в виде депланаций концевых сечений (первых «водных от угла закручивания стержня). Перемещения межузловых сечений апроксимируются с помощью полиномов Эрмига, условия закрепления в сичных узлах учитываются методом жордановых исключений, позволяющих щинять в систему КЭ с различными способами закрепления в узлах. На основе :чно-элементного подхода формируются деформационная матрица жесткости и шца масс системы со многими степенями свободы, а также модели [ределенных и сосредоточенных нагрузок на систему. В качестве рабочей гли учета диссипативных свойств выбрана скорректированная гипотеза ого трения по Фойпу; для описания сейсмического воздействия используются я.ные или синтезированные акселерограммы землетрясений, а также спектры та на них. В заключении приводятся примеры разработанных автором РДМ ъных конструкций ГГГМ- машины перегрузочной МП-1000 (рис.1) для АЭС с тором ВВЭР-1000, мостового крана Разданской ГРЭС грузоподъемностью 20 т (рис.2) и портального крана "Альбатрос" (рис.3), проектируемых для мических зон эксплуатации 9 баллов.

В третьей главе получили развитие методы математического ;лирования пространственных м/к ГГГМ в условиях прохождении [етрясения и методы решения задач динамики HTM. Показано, что комплекс ч, решаемых при изучении сейсмических колебаний ПТМ, включает в себя ¡лему собственных значений, реализацию линейно - спектрального метода ии сейсмостойкости и метода динамического анализа (МДА) как метода [енного интегрирования уравнений движения для многомассовых систем, гроена математическая модель нелинейных связей в подсистеме "ХК-рельс" и ее основе - конечно-элементная математическая модель нелинейных мических колебаний несущих конструкций ПТМ. Получили развитие методы грирования уравнений движения нелинейных систем ПТМ с включающимися ями.

Показано, что ключевой задачей сейсмического анализа является расчет твенных частот и форм колебаний конструкции крана. Ввиду ограниченности тра сейсмического воздействия (fmax « 30Тц ), использование алгоритмов ;ния частичной проблемы собственных значений существенно повышает активность динамического расчета. Показано также, что при этом число ываемых собственных форм колебаний конструкции может составить не более 0% от их общего числа. Построены алгоритмы и разработаны ветствующие процедуры на языке С++, реализующие решение полной и

Рис.1 РДМ машины перегрузочной МП-1000

Число степеней свободы - 238

Рис.2 РДМ крана Раздан-ГРЭС грузоподъемностью 100/20 т

Рис.3 РДМ портального крана "Альбатрос" грузоподъемностью 20/10 т

частичной проблемы собственных значений.

На основе сравнительного анализа методов интегрирования урав движения и с учетом свойств сейсмического воздействия для реализации выбран метод модальной суперпозиции (метод нормальных коорд Интегрирование уравнений в нормальных координатах проводится в с интеграла Дюамеля.

Нелинейные факторы в виде ограничителей перемещения и сил с трения (рис.4а), действующие в подсистеме "ХК-рельс", моделир; изменением структуры наложенных связей. Для этого в рассмотрение вво нелинейные связи типа зазор-ограничитель перемещения и демпфер с трения, состояние которых описывается булевой переменной, принима! значения Ы^! (запрет перемещения в направлении степени свободы, на кот наложена связь) и N=0 ( перемещение разрешено). Аналитически сост< зазора-ограничителя (рис.4б) описывается выражениями:

левостороннего - N_(I) - 1 - 7](х(1) - Л_) ,

правостороннего - N+(I) — т(х(1) — А+) ,

двухстороннего - Nл( () - I - т/х( () - Л_) + т](х(() - Л+) ,

N

N

Зазор Детпер Демпфер

открыт закрыт открыт

0 0

А

Л+ X

а)

б)

Р0 в;

р

Рис.4 Ввключающиеся связи: а) пара "ХК-рельс"; б) состояние зазора-ограничителя; б) состояние демпфера сухого трения.

а состояние демпфера сухого трения (рис.4в) - выражением:

В выражениях (1)-(4) и А+- предельные перемещения в за:

ограничителе; Р - обобщенная сила, действующая в направлении связи; пороговое значение силы трения покоя в демпфере сухого трения; - фун

Хсвисайда:

\о. \1

л системы с включающимися связями вводится вектор состояния тематических связей {Ы} , представляющий собой булев вектор порядка п, где

полное число степеней свободы механической системы. Значение N¡=1 )тветствует запрету перемещения в направлении /'-ой степени свободы, Nj =0 -эбодному перемещению. Колебательный процесс в такой системе можно ¡делить на отдельные состояния (фазы) так, что в пределах каждого из них л-ема может считаться линейной, а переход из одного состояния в другое будет «сываться изменением одной или нескольких компонент вектора {И} . Тогда юмическое движение РДМ механической системы крана в состоянии т может ть описано матричным уравнением вида:

[М}\{У{1)}НШ)ЯС]\т) + [К]\У(!)} = {К} + {Р}, (6)

! {V(0} - вектор узловых перемещений системы; {А(/)} - вектор

гсмических ускорений, задаваемый акселерограммой землетрясения; {Р} -

тор эксплуатационных нагрузок; {Р^ - полный вектор сил сухого трения

1льжения, в котором отличны от нуля только компоненты для степеней свободы, гющих в состоянии т отрытые демпферы сухого трения. В матрицах масс,

шфирования и жесткости [М] ,[С] и [К] исключены строки и столбцы

гомерами /, для которых N1" =1. Операция исключения наложенных связей ;ается преобразованием:

4 Г =[Н][М][Н],[С]* =[Н][С][Н],[К]* =[Н][К][Н],{ 7)

[Н] - диагональная матрица преобразования вида:

[Н]=\й1,ы2,..Яп 1 (8)

выражении (8) черта означает логическое отрицание (инверсию) значения тветствующей компоненты вектора кинематических связей {И} .

Наличие в выражениях (7) матрицы [Н], диагональные элементы орой представляют собой разрывные функции вида (1)-(4), позволяет отнести тему, описываемую уравнениями (6), к классу нелинейных систем с еменной структурой, используемых, в частности, в теории виброударных тем.

Для построения решения системы с переменной структурой используется од припасовывания. Интегрирование уравнений движения на линейных стках проводится в нормальных координатах, а стыковка решений на границе ейных участков осуществляется в фазовом пространстве обобщенных рдинат.

Четвертая глава посвящена разработке комплекса программ для недования динамики сейсмических колебаний кранов. Комплекс (рис.5)

Рис.5 Структура программного комплекса для исследования сейсмостойкости кранов

золяет производить все виды сейсмических расчетов РДМ кранов на основе Э: 1) линейно - спектральным методом; 2) методом линейного амического анализа; 3) проводить нелинейное моделирование ссисмичсских гбаний с учетом включающихся связей методом вычислительного геримента. Программы комплекса разработаны на языке программирования - для ШМ PC и работают в 32-разрядном режиме в среде MS DOS.

Показано, что формирование уравнений движения крановых конструкций Э приводит к жестким дифференциальным уравнениям, которые не могут быть интегрированы традиционными методами (Рунге-Кутта, Адамса и др.). [амический расчет (как линейный, так и нелинейный) реализован методом альной суперпозиции, что позволило обойти эту проблему, упростить тауру комплекса, а также облегчить его тестирование.

Применение специальных приемов интегрирования уравнений движения с эльзованием интеграла Дюамеля позволило существенно (в 2-3 раза) гичить быстродействие алгоритма динамического расчета.

На ряде тестовых задач, имеющих точное аналитическое решение или мекающих решение с помощью стандартных математических пакетов, демонстрирована адекватность и удовлетворительная точность результатов, ^чаемых с помощью программного комплекса.

На базе созданных математических и расчетных динамических моделей и раммного обеспечения разработана практическая методика исследования мостойкости м/к IHM, основанная на технологии МВЭ.

Пятая глава посвящена исследованию НДС реальных конструкций ПТМ >дом вычислительного эксперимента. Объектами исследования являлись РДМ: ашины перегрузочной МП-1000 для АЭС с реактором ВВЭР-1000 (рис.1); 2) гового крана Разданской ГРЭС, Армения (рис.2); 3) портального крана ьбатрос" (рис.3). С помощью разработанного автором программного тлекса изучено влияния сейсмических воздействий на ПТМ с использованием линейных, так и нелинейных расчетных моделей, для чего были проведены ующие вычислительные эксперименты:

1. анализ собственных колебаний конструкций кранов;

2. исследование влияния переменных эксплуатационных состояний на твенные колебания конструкции методом построения поверхностей влияния;

3. анализ влияния числа учитываемых форм собственных колебаний на ость динамического расчета;

4. сравнение результатов сейсмических расчетов, полученных с помощью I и линейного МДА;

5. сравнение результатов динамического расчета, полученных для йной и нелинейной моделей.

Основной динамической характеристикой несущей конструкции крана при новании его сейсмостойкости является спектр его собственных колебаний, из которого позволяет качественно спрогнозировать реакцию крана на

сейсмическое воздействие. У несущей конструкции машины перегрузочной А 1000 (рис.1) выявлено 8 форм собственных колебаний, частоты которых леж диапазоне до 30 Гц; на рис.6а-б приведены формы колебаний №№3-4, наибе опасные с точки зрения ее сейсмостойкости. Они представляют со горизонтальные синфазные (форма №3) и противофазные (форма №4) колеба главных балок моста; причем последние сопровождаются замети поперечными деформациями грузовой тележки, в результате чего рабочая штг с точкой подвеса совершает вертикальные колебания.

Динамика главных напряжений в узловых сечениях пролетной ба моста МП под действием землетрясения, заданного синтезированной 9-балль акселерограммой СА-482 ("Оборудование атомных энергетических устано] Расчет на прочность при сейсмическом воздействии". РТМ 108.020.37-81, рис представлена на рис.бв-д. В узловых сечениях №№1-3 максимальная велич напряжений достигается в начальной стадии колебаний (рис.бв-г), когда час] вынуждающей силы лежит за пределами первой формы колебаний (3 Гц), из х можно сделать вывод, что пиковые значения напряжений в этих сечен обусловлены инерционными перемещениями несущих конструкций МП-1 как целого. Для напряжений в сечении 4 характерна ярко выраженная резонанс форма колебаний (рис.бд). Резонанс наступает между 2 и 3 секундой, кс частота сейсмического воздействия достигает примерно 4 Гц, что близш частотам собственных колебаний МП по формам №№1-2 (3-3.5 Гц) - колебан) рабочей штанги. Это позволяет предположить, что пиковые значения напряже в этой точке обусловлены маятниковыми колебаниями рабочей пгганги.

На рис.бе-ж представлены результаты эксперимента по сравнен результатов расчета НДС, полученных с помощью ЛСМ (пунктирная линия графиках) и МДА (сплошная линия) для различных положений грузовой телез Стрелки на оси узлов указывают на места опирают грузовой тележки. I совпадении качественной картины, количественные результаты, полученные эп методами, существенно отличаются друг от друга. Для болыпинс эксплуатационных состояний эксперимент показал, что ЛСМ дает завышенный сравнению с МДА результат; при этом в каждом эксплуатационном состоя] имеются узловые сечения, в которых оба метода дают практически одинако! результат.

Мостовой кран Разданской ГРЭС грузоподъемностью 100/20 т (ри имеет более массивную и протяженную конструкцию, в силу чего спектр собственных колебаний содержит в полосе до 30 Гц 21 форму собствен! колебаний; на рис.7а-в приведены три из них.

Дополнительную информацию о поведении конструкции крана в услов: землетрясения может дать анализ влияния эксплуатационных состояний на спе ее собственных частот (СЧ). На рис.7г-д представлены результг вычислительного эксперимента по оценке влияние д

¥ | 20

, и

5 ю

Узел 1

а) / Форма №3, 9.57 Гц

Узел 7

Узел 1

Л ЛА Л Л 1Л

1 1111 ш

Время, с

Положение 1

г)

Положение 3

а;

Время, с

Акселерограмма СА-482

\ НДА

\ Л' д /

■ лен

с 2

30

лек -й* ;

\ :

НДА

3 4 5 6 7 Узел

е)

3 4 5 5 7 Узел

Ж)

2 4

Время, с

3)

Рис.6 Расчетный анализ сейсмостойкости машины перегрузочной МП-1 ООО

Форма N25,3.8 Гц

5-10 л 0

-зчо-5

г) Форма 3

^ 4

1 форта

5-10

УЛ "Л Л

\ 5 фор»

5'Ю

"5*10

ДАУ

\ м

V 10 форм

0.5

е)

1 и Врем*, с

0.5

1 и Времл, с

0.5

1 1.5 Времл, с

г5-Ю

1 1.5 Вреия, с

Ю

1 1.5 Вреия, с

Рис.7 Расчетный анализ сейсмостойкости крана Разданской ГРЭС

сгоров - положения грузовой тележки и величины груза на подвесе. :плуатационные состояния характеризовались пятью различными положениями ежвси Li:

Ь( - расстояние от крайнего левого положения тележки, а Ь - пролет крана, и ью различными значениями транспортируемого груза на подвесе О, (г):

форму №3 (вертикальные синфазные колебания пролетных балок, рис.7г) овное влияние оказывает положение грузовой тележки; влияние параметра начинает сказываться только для промежуточных положений тележки и при :се груза, близкой к максимальной. Для формы колебаний №4 (горизонтальные фазные колебания пролетных балок, рис.7д) характер влияния параметра L¡

(ественно отличается для малых и больших значений G¡. Для G¡ >60 т овным влияющим фактором является положение тележки L¡; ясимость от массы груза практически отсутствует. Для G¡ ¿40 т наблюдается шй рост влияния параметра G¡ с одновременным изменением характера яния параметра Li - появлением максимумов для положений Ь2 и Ь4. Это

шо объяснить тем, что при малых массах груза основное влияние на частоту по зертой форме колебаний начинают оказывать не инерционные, а жесткостные гства грузовой тележки, причем влияние последних особенно существенно для межуточных положений тележки.

На рис.7е-к представлены результаты вычислительного эксперимента по ичественной оценке зависимости точности расчета от числа учитываемых в форм колебаний. Из них следует, что точность около 1% достигается при re 10 форм колебаний (fzp~Ю Гц, рис.7з), в то время, как при 5 формах

р~4 Гц, рис.7ж) траектория колебаний еще заметно отличается от истинной.

i этом отклонения величиной от 2% до 12% зафиксированы всего в 12 точках

[50. Результаты, полученные для 20 и 30 (fZp~28, рис.7и и fZp~50 Гц,

7к), практически не отличаются друг от друга, что означает, что дальнейшее гичение числа учитываемых форм уже не повышает достигнутую точность юта (около 0.5%).

Несущая конструкция портального крана "Альбатрос" оподъемностъю 20/10 тонн обладает сложной пространственной структурой и гт около 50 форм собственных колебаний в диапазоне частот до 30 Гц. На 8а приведена форма №5, представляющая собой

Ь(=кгЬ,

G¡ =20-i, i = 1,..,5.

(10)

Форма №5,0.38 Гц

Форма №6, 0.6 Гц

т

а)

Г руз (узел 47)

Груз (узел 47)

1о

я

8. и

и

к .

\ /

Е

8. *>

К

/

\ -

ОЛ

К £ §0

к

8. «

к N -С .5

б)

Груз (узел 47)

V V V/ V

О 2 4 < 8 10 12 02448 10 1] 0 3 4 « 8 10 12

в) Ерем, с г) Врет, с ¿^ Врет, с

Ходовое колесо (узел 1) Портал (узел 10) Колонна (узел 36)

0.011---- 0.00151-----о_1.—

&

с £ -0.005

\ /

0.01

I '

12 3 4 е) Время, с

Ходовое колесо (узел 1)

-0.0015

А Л А

^ I / / 1 ЦТ !

0.03 0

-0.05 -0.1

V

"Ы

01234 01 234

у) Врем», с Врети, с

-0.01

1л Г К-

V V

0.001

Портал (узел 10)

-0.001

0.05

Колонна (узел 365

0 1 2 3 4 0 1

ц) Врой, с

2 3 4 0 1

^ Врем«, с

2 Э 4 Врекд, с

Рис.8 Расчетный анализ сейсмостойкости портального крана "Альбатрос"

псальные колебания хобота стрелы и груза на подвесе. Форма №6 на рис.80 ставляет собой вертикальные колебания коромысла противовеса и ювых тяг. Большая инерционная масса противовеса, сосредоточенная в 40, приводит к колебаниям всей конструкции относительно опор.

На рис.8в-з приведены результаты линейного динамического расчета мьного крана на 9-балльную акселерограмму СА-482. Графики на рис.8в-д кают динамику вынужденных колебаний груза на подвесе в трех авлениях, графики на рис.8е-з - динамику различных точек самой грукции. В измерительных точках, принадлежащих конструкции портала 8е-ж), наряду с основным низкочастотным колебанием с частотой около 1 Гц. шм к формам колебаний стреловой части №№8-9, через некоторое время ; начала воздействия возбуждаются колебания по более высокочастотным :ам (рис.8з). Чем дальше измерительная точка находится от портала, тем г заметно влияние высокочастотных составляющих, что говорит о том, что их шиком является пространственная конструкция портала.

На рис.8и-л приведены результаты анализа нелинейных колебаний при щи сухого трения в одной из колесных пар портального крана. Так, график {ещегага в демпфере сухого трения (рис.8и) имеет ярко выраженные зоны я (горизонтальные участки), свидетельствующие о периодическом открытии/ пгии демпфера; при снижении интенсивности внешнего воздействия демпфер шается окончательно. При этом основная частота колебаний портала (рис.8к) тируется высокочастотными колебаниями, связанными с изменениями яния в демпфере трения. Заметно слабее влияние нелинейной связи на ¡ания стреловой колонны (рис. 8л); колебания хобота стрелы в силу своей нности уже практически не испытывают этого влияния. Наблюдается ное демпфирование колебаний хобота стрелы (-20%) и груза на подвесе, в то I как в близких к демпферу измерительных точках имеет место некоторое иение амплитуды колебаний.

Полученными в данной главе результатами подтверждена адекватность ботанных математических и алгоритмических моделей нелинейных связей, и ически доказана возможность их моделирования в рамках конечно-нтного подхода с использованием для решения полученных уравнений гния нормальных координат. Продемонстрированы широкие возможности ботанного комплекса программ как инструмента для изучения сейсмических аний ШМ с использованием как линейных, так и нелинейных РДМ.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Главным направлением развития методов расчета на сейсмостойкость является совершенствование и внедрение в инженерную практику методов [ического анализа, позволяющих детально смоделировать поведение эукции в условиях сейсмического воздействия. Более точная картина гния передвижных конструкщш

ПТМ в условиях землетрясения может быть получена на основе нелине! моделей, учитывающих включающиеся (неудерживающие) связи в парах '

рельс".

2. Уравнения движения для сейсмического анализа конструкций ] формируются МКЭ. Разработанные конечно-элементные РДМ отра> пространственный характер деформирования несущих металлоконструкций 1 и особенности взаимодействия в парах "ХК-рельс", учитывают вли распределенных масс и действие распределенных нагрузок, нал депланационных эффектов в стержнях-оболочках, а также пространстве! характер сейсмического воздействия.

3. Показано, что конечно-элементные РДМ несущих металлоконстру ПТМ приводят к жестким дифференциальным уравнениям двюю интегрирование которых не может быть выполнено традиционными мето, (Рунге-Кутта, Адамса и др.). Для этого использован метод модал суперпозиции (интегрирование в нормальных координатах), в рамках коте применяется решение частичной проблемы собственных значений, учитывал ограниченный спектр сейсмического воздействия.

4. Доказано, что в рамках конечно-элементной РДМ аналигиче описание включающихся связей типа зазора-ограничителя и демпфера с> трения может быть получено с использованием функций Хевисайда. Благо этому действие нелинейных факторов описывается изменением струк наложенных связей нелинейной системы, а сама система сводится к кусс линейной, которая может быть проинтегрирована методом припасовыве Получены уравнения движения нелинейных систем м/к кранов с включающи: сыпями.

5. На основе разработанных автором моделей и алгоритмов соз программное обеспечение, ориентированное на практическое применен! поверочных расчетах м/к ПТМ. Программный комплекс включает в себя реш ¡акнх задач сейсмостойкого проектирования, как:

1) расчет на эксплуатационные нагрузки с учетом геометриче нелинейности;

2) определение собственных частот и форм колебаний конструкции;

4) определение внутренних усилий ЛСМ теории сейсмостойкости с уч ограниченного числа форм колебаний;

5) линейный динамический расчет на заданную акселерогрг

чемлстрясения;

6) нелинейный динамический анализ сейсмических колеб; передвижных конструкций с учетом ограничителей перемещения и сил су трения в парах "ХК-рельс".

Модульный принцип построения программ дает возможность расширь наращивать их вычислительные и сервисные возможне

,iypa выходных данных позволяет широко использовать для их ейшей обработки и наглядного представления распространенные пакеты амм, такие, как Excel, MathCAD, TableCurve и др.

6. Проведены расчетные исследования динамических характерней',; чных типов ПТМ - машины перегрузочной, мостового и портального кранов ом вычислительного эксперимента, подтвердившие адекватность эенных математических моделей и алгоритмов, а также широкие жности разработанного автором программного комплекса.

Полученные результаты позволяют сделать вывод, что цели этационного исследования достигнуты.

РАБОТЫ, В КОТОРЫХ ОТРАЖЕНО ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ

ДИССЕРТАЦИИ

пжов Ю.Н., Панасенко H.H. Математическая модель нелинейных нческих колебаний передвижного транспортно-технологического цования АЭС. Безопасность жизнедеятельности человека: Тез. докл. VI :.науч.-метод.конф., Новочеркасск, 12-16 сенг. 1994 г.- Спб, 1994,- С.46-47. часенко H.H., Елжов Ю.Н. Проблема обеспечения сейсмостойкости кранов о назначения. Новое в подъемно-транспортной технике: Тез. докл. науч.-■сонф. с междунар.участием/МВТУ им. Баумана.- М.,1994,- С.39. гседин A.M., Панасенко H.H., Елжов Ю.Н., Синелъщиков A.B. гатическая модель сейсмических колебаний кранов мостового типа , ющихся на независимые опорные конструкции. Прогрессивная техника и югии машиностроения: Тез. докл. междунар.науч.-техн. конф., Севастополь, сент. 1995 г.-Донецк, 1995,- С.20-21.

'лжов Ю.Н., Синелъщиков A.B., Левин А.И. Комплекс программного ¡чения TONST на ПЭВМ. Проблемы технической безопасности подъемных кений: Тез. докл. Рос.науч.- практ. конф., Новочеркасск, 19-22 сент. 1995 г,-еркасск, 1995,- С.22-23.

насенко H.H., Нарыжный В.А., Елжов Ю.Н. Математические модели 1ижных подъемных сооружений на основе уравнений Больцмана-Гамеля. емы технической безопасности подъемных сооружений: Тез. докл. уч.-практ. конф., Новочеркасск, 19-22 сент. 1995 г.- Новочеркасск, 1995,9.

мук Э.В., Коновальчук B.C., Левин А.И., Веселое В.Н., Дудченко А.Н., >в С.Ф., Елжов Ю.Н. Экспериментальная установка для верификации ммных средств расчетов на сейсмостойкость грузоподъемных кранов, гмы технической безопасности подъемных сооружений: Тез. докл. уч--пракг- конф., Новочеркасск, 19-22 сент. 1995 г.- Новочеркасск, 1995,9.

елов В.Н., Дудченко А.Н., Елжов Ю.Н., Коновальчук B.C., Левин А.И., шов В.А., Пинчук Э.В., Синелъщиков A.B., Шестакова И.А. Новые задачи грузоподъемных кранов. Современные проблемы

машиностроения и технический прогресс: Тез.докл.междунар. науч.-техн.в Севастополь, 10-13 сент. 1996 г. - Донецк:ДГТУ, 1996,- С.287.

8. Елжов Ю.Н., Левин А.И., Юзиков В.П. Математическая модель жесткое характеристик стержневых конструкций. Современные проблемы мапшностр» и технический прогресс: Тез.докл.междунар. науч.-техн.конф., Севастополь, сент. 1996 г. - Донецк:ДГТУ, 1996,- С.291-292.

9. Елжов Ю.Н., Нарыжный В.А. Учет влияния опорных связей на о: действительной работы грузоподъемных кранов при землетрясе Современные проблемы машиностроения и технический npoi Тез.докл.междунар. науч.-техн.конф., Севастополь, 10-13 сенг. 1996 Донецк:ДГТУ, 1996,-С.292-293.

10. Панасенко H.H., Синелыциков A.B., Дементьева Н.М., Елжов Информационная база данных для расчета грузоподъемных крано! сейсмостойкость. Проблемы надежности и безопасной эксплуатации подъе: сооружений: Тез.докл.науч.-практ. конф., Сочи, 1-8 окт. 1996 г.- Новочер! 1996,- С.37-38.

11. Панасенко H.H., Левин А.И., Елжов Ю.Н., Веселое В.Н. Свободные коле( башенного крана КБ-403. Проблемы надежности и безопасной эксплуат подъемных сооружений: Тез.докл.науч.-практ. конф., Сочи, 1-8 окт. 199 Новочеркасск, 1996.-С.64-65.

12. Панасенко H.H., Елжов Ю.Н., Нарыжный В.А. Нелинейные колес передвижных конструкций на ходовых колесах при землетрясениях. Те докладов IX научной конференции Волгодонского института НГТУ, г.Волгод май 1996 г.- Новочеркасск: Набла, 1996,- Вып.1.-С.13-14.

13. Синелъщиков A.B., Елжов Ю.Н. Сейсмические воздействия в задачах ра сооружений на сейсмостойкость. Новые материалы и технологии. HanpaBj "Промышленная экология и безопасность в современных технологиче процессах: Тез докл.Рос.науч.-техн. конф., 4-5 февр. 1997г./ МАТИ-РГ М.Д997.-С.59.

14. Панасенко H.H., Великанов В.И., Веселое В.Н., Дементьева Н.М.,Дуд1 А.Н., Елжов Ю.Н., Коновальчук B.C., Левин А.И., Нарыжный В.А., Синельи A.B., Шестакова И.А., Юзиков В.П. Научная школа ВиНГТУ по те сейсмостойкости транспортно-технологических систем ядерных технол Прогрессивные технологии машиностроения и современность :С междунар.науч.-техн. конф., Севастополь , 9-12 сент. 1997г.-Донецк, 1997.- С 187.

15. Панасенко H.H. , Нарыжный В.А, Елжов Ю.Н. Проблема динамиче< анализа действительной работы грузоподъемных кранов при землетрясе] Прогрессивные технологии машиностроения и современность :С междулар.науч. -техн. конф., Севастополь, 9-12 сент. 1997г. -Донецк, 1997.- С

18'Л

16. Елжов Ю.Н. Расчетное обоснование сейсмостойкости грузоподъемных кр ic.'ü; нелинейных систем. Прогрессивная техника и технологии:

(окл. X науч.конф. Волгодон. ин-та НГТУ.- Новочеркасск: Набла, г.- Вып.2.-С.22-23.

Елжов Ю.Н. Развитие метода динамического анализа в теории лостойкости. Прогрессивная техника и технологии: Тез.докл. X науч.конф. одон. ин-та НГТУ,- Новочеркасск: Набла, 1997 г.- Вып.2.-С.20-21. "инелъщиков A.B., Елжов Ю.Н., Веселое В.Н. Банк данных сейсмологической рмации для обоснования сейсмостойкости кранов. Прогрессивная техника и гаогии: Тез.докл. X науч.конф. Волгодон. ин-та НГТУ,- Новочеркасск: Набла, г.-Вып.2.-С.31.

7лжов Ю.Н., Веселое В.Н., Синелъщиков A.B. Расчет на сейсмостойкость шьных кранов JICM. Сборник статей и сообщений научно-практической еренции по безопасности подъемных сооружений, 1-8 октября 1997 г.,г. .- НовочеркасскД998.-С.73.

!анасенко H.H., Елжов Ю.Н., Синелъщиков A.B., Веселое В.Н. Нелинейная ть сейсмических колебаний портального крана. Сборник статей и сообщений ю-практической конференции по безопасности подъемных сооружений, 1-8 ря 1997 г.,г. Сочи.-Новочеркасск, 1998.-С.78-79.

'лжов Ю.Н. Спектры ответа на акселерограмму СА-482. Сборник статей и цений научно-практической конференции по безопасности подъемных жений, 1-8 октября 1997 г.,г. Сочи,- Новочеркасск, 1998.-С.79-80.