автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Обоснование основных параметров строительных металлоконструкций козловых кранов больших пролетов и высокой грузоподъемности

Введение А

1. Состояние вопроса и задачи исследования. И

1.1. Научные разработки и результаты, положенные в основу данного исследования.W

1.2. Анализ существующих конструкций козловых кранов

1.3. Анализ патентной информации.

1.4. Постановка задач и принятые допущения.

2. Разработка методики оптимизации крупных козловых кранов

2.1. Общие положения методики, выбор параметров и наложение ограничений на них.«

2.2. Выводы зависимостей действующих на кран нагрузок от основных показателей козлового крана

2.3. Алгоритм расчета металлоконструкций козловых кранов

2.4. Алгоритм оптимизации.£

2.5. Описание оптимизационной программы "КРАН".

3. Выявление оптимальных показателей козловых кранов.

3.1. Получение оптимальных геометрических параметров

3.2. Определение областей эффективного применения сталей.

3.3. Выбор рациональных конструктивных схем.

3.4. Геометрические соотношения оптимальных по стоимости кранов

4. Исследование дополнительных резервов грузоподъемности мостов крупных козловых кранов

4.1. Основы методики пространственного упруго-пластического расчета коробчатых сплошностенчатых конструкций

4.2. Укрупнение конечных элементов . /

4.3. Учет упруго-пластических деформаций . МО

4.4. Программа для расчета пластинчато-стержневых систем на ЭВМ. ЦМ

4.5. Оценка резервов грузоподъемности крановых мостов по критерию предельных пластических деформаций.

Выводы. ПЬ

зоне грузоподъемностей и пролетов кранов. Разработанная в ходе изысканий методика вычислительных исследований упруго-пластической работы крановых мостов позволила решить задачу по выявлению резервов увеличения одного из исходных параметров оптимизации грузоподъемности козловых кранов, рассчитанных по фибровой текучести. Задача по определению основных оптимальных геометрических параметров металлоконструкций козловых кранов решена на основе разработанной оптимизационной программы для ЭВМ, реализующей метод случайного поиска. Критерием качества при оптимизации принята масса металлоконструкций, оптимизируемые параметры основные длины и толщины элементов в главных сечениях кранового моста и опор. Программа предусматривает оптимизацию кранов основных конструктивных схем с применением различных по прочности сталей. По разработанной программе были решены задачи оптимизации для кранов в полном объеме исследуемых грузоподъемностей и пролетов. В первую очередь было проведено сравнение полученных при оптимизации на ЭВМ вариантов с применением различных сталей по стоимости для каждой из исследуемых конструктивных схем кранов. В сравнении участвовали наиболее применимые в краностроении стали с пределом текучести от 230 до 590 МПа. В результате получены диаграммы, определяющие области эффективного применения сталей по критерию минимальной стоимости металлоконструкций крана в зависимости от его грузоподъемности и пролета. Однако критерий стоимости металлоконструкций не всегда применим в определении эффективных сталей для кранов. Снижение массы металлоконструкций при переходе к сталям более высокой прочности дает возможность снизить расходы на подкрановую эстакаду и в итоге уменьшить стоимость всего сооружения. Сложность задачи в том, что выбор оптимальных сталей по полной стоимости сооружения возможен лишь

ВЫВОДЫ

1. Конструктивную форму козловых кранов определяет комплекс факторов, важнейшими из которых являются: стоимость металлоконструкций и оснастки изготовления, стоимость подкраново:й эстакады, удобство эксплуатации, мобильность, особенности перевозки и монтажа. Разработанная программа "КРАН" позволяет находить оптимальные решения с учетом этих факторов в каждом конкретном случае проектирования.

2. Отечественными и зарубежными предприятиями при изготовлении крупных козловых кранов применяются схемы с однобалочными и двухбалочными мостами. Результаты исследования показали преимущество, с точки зрения металлоемкости и стоимости несущих металлоконструкций, однобалочных кранов над двухбалочными.

3. Ведущие зарубежные фирмы Kiupp (ФРГ), РНВ (ФРГ), K0NE (Финляндия) для рассматриваемых козловых кранов применяют конструктивные схемы с шарнирной опорой. В нашей стране для таких кранов применяются схемы с равножесткими опорами или с гибкой опорой. В результате проделанной работы установлено, что в зависимости от отношения высоты крана к пролету, характеристик под крановой эстакады и ее оснований, наиболее эффективны схемы с равножесткими опорами или с шарнирной опорой. Применение схем с гибкой опорой экономически менее выгодно.

4. В исследовании определены области эффективного применения сталей по критерию минимальной стоимости металлоконструкций. В зависимости от грузоподъемности и пролета это области применения сталей ВСтЗспб, 09Г2С, 16Г2АФ. Применение стали 12ГН2МФАЮ неэффективно во всех несущих элементах по критерию стоимости металлоконструкций. Однако при применении этой высокопрочной стали можно добиться снижения массы металлоконструкций и опорных реакций, что влечет за собой уменьшение расходов на подкрановую эстакаду. В выборе стали необходим также учет большей мобильности и удобств в эксплуатации кранов с меньшей массой. Для ориентации в целесообразности перехода к стали более высокой прочности получены в зависимости от грузоподъемности и пролета зоны, характеризующие заметное нарастание эффективности (по критерию массы металла) перехода к стали более высокой прочности.

Наибольший эффект можно получить при применении стали большей прочности, властности стали 12ГН2МФАЮ, фрагментарно, в наиболее напряженных зонах металлоконструкций.

5. Разработка надежных в работе и недорогих шарнирных опорных узлов для воспринятая тяжелых нагрузок - одна из важнейших задач отечественного краностроения. Возможная конструкция шарнирного опорного узла и устройства для автоматической сварки его элементов разработаны автором в процессе исследования.

6. Для крупных козловых кранов с высотой до 50 м эффективно применение коробчатых одностоечных опор. При большей высоте наиболее эффективна схема коробчатых опор одностоечных в верхней и двухстоечных в нижней части.

7. Для рассматриваемых кранов шарнирной схемы эффективны двухстоечные шарнирные опоры коробчатого или трубчатого поперечного сечения. Применение трубчатых стоек особенно эффективно при высоте опор до 35 метров.

8. Снижение металлоемкости до 12% можно получить при использовании резервов работы металлоконструкций крановых мостов в упруго-пластической стадии. Разработанная программа для ЭВМ по расчету пластинчато-стержневых систем методом конечного элемента позволяет выполнять упруго-пластические расчеты крановых мостов, в том числе бистальных.

1. Абрамович И.И., Котельников Г.А. Козловые краны общего назначения. М., "Машиностроение", 1971.

2. Аргирис Дж. Современные достижения в методах расчета конструкций с применением матриц.М., Стройиздат, 1968.

3. Балдин В.А., Трофимов В.И. Исследование развития пластических деформаций строительной стали при плоском напряженном состоянии в сложных видах нагружения. В сб. "Исследования по стальным конструкциям". Госстройиздат, М., 1962.

4. Балдин В.А., Ильясевич С.А., Броуде Б.М., Вельский П.Е. Некоторые вопросы расчета стальных конструкций по предельным состояниям первой группы. "Строительная механика и расчет сооружений", № I, 1976.

5. Безухов Н.И. Основы теории упругости, пластичности и ползучести. М., "Высшая школа", 1968.

6. Безухов Н.И., Лужин О.В. Приложение методов теории упругости и пластичности к решению инженерных задач. М., "Высшая школа", 1974.

7. Богуславский П.Е. Металлические конструкции грузоподъемных машин и сооружений. М., Машгиз, 1961.

8. Броуде Б.М. Предельные состояния стальных балок. М., Стройиздат, 1953.9.,Броуде Б.М. Устойчивость стенок и поясов металлических балок при значительном развитии пластических деформаций. В сб. "Металлические конструкции", М., Стройиздат, 1966.

9. Вазов В., Форсайт Дж. Разностные методы решения дифференциальных уравнений в частных производных. М., И.Л., 1963.

10. Вино1$фов В.А. Сварочные деформации и напряжения. М., "Машиностроение", 1968.

11. Винокуров В.А. Отцуск сварных конструкций для снижения напряжений. М., "Машиностроение", 1973.

12. Винокурский Х.А. Расчет пространственных крановых мостов. Свердловск-Москва, Машгиз, 1948.

13. Винокурский Х.А. Стальные конструкции в тяжелом машиностроении. Свердловск-Москва, Машгиз, I960.

14. Гарбуз B.C. Концентрация напряжений в прерывистых связях судового корцуса. Л., "Судостроение", 1967.

15. Гохберг М.М. Металлические конструкции кранов. Расчет с учетом явлений усталости. M.-JL, Машгиз, 1959.

16. Гохберг М.М. Металлические конструкции подъемно-транспортных машин. Л., "Машиностроение", 1976.

17. Гладштейн Л.И., Бобылева Л.А., Емелин Е.И. Перспективы применения стали высокой прочности в сварных конструкциях крановых сооружений. Труды ЦНИИпроектстальконструкция, М., 1982.

18. Даниелов Э.Р., Киселев В.Е. Оптимальное проектирование нелинейно-упругих систем в случае нескольких загружений. "Строительная механика и расчет сооружений", № 4, 1974.

19. Джонс У.М., Маклей Р.У. Сходимость метода конечных элементов в теории упругости. Труды Американского общества инженеров-механиков. "Прикладная механика", 35, сер. Е, № 2, 1968.

20. Емелин Е.И. Исследование работы на кручение коробчатого моста судостроительного козлового крана. В сб. "Проектирование металлических конструкций". Серия 7, выпуск 4 (45), М., 1973.

21. Емелин Е.И. Определение области эффективного применения сталей различных классов и рациональных конструктивных схем козловых кранов высокой грузоподъемности. В сб. "Проектирование металлических конструкций". Серия 17, выцуск 12, М, 1979.

22. Емелин Е.И. Определение основных оптимальных параметров конструктивной формы козловых кранов с коробчатыми мостами. Всб. "Проектирование металлических конструкций". Серия 17, выпуск 3, М., 1980.

23. Емелин Е.И. О резервах упруго-пластической работы мостов крупных козловых кранов. Депонированная рукопись во ВНИИИС Госстроя СССР, выпуск 9, М., 1981.

24. Емелин Е.И. Анализ конструктивной формы металлоконструкций козловых кранов грузоподъемностью 200-2000 т с пролетами 25-200 м. Труды ЦНИИпроектстальконструкция, М., 1982.

25. Еремин И.И., Астафьев Н.Н. Введение в теорию линейного и выпуклого программирования. М., 1976.

26. Зенкевич 0. Метод конечных элементов в технике. М., "Мир", 1975.

27. Зенкевич 0.,Чанг И. Метод конечных элементов в теории сооружений и в механике сплошных сред. М., "Недра", 1974.

28. Зойтендейк Г. Методы возможных направлений. М., И.Л., 1963.

29. Ильюшин А.А. Пластичность. М., Гостехиздат, 1948.

30. Ильясевич С.А. Металлические коробчатые мосты. М., "Транспорт", 1970.

31. Качанов Л.М. Основы теории пластичности. М., "Наука11, 1969.

32. Качанов Л.М. Основы механики разрушения. М., "Наука",1974.

33. Киселев В.Е. Оптимальное проектирование нелинейно-упругих стержневых систем. "Прикладная механика", т.12, № 2, 1976.

34. Койтер У.Т. Соотношения между напряжениями и деформациями, вариационные теоремы и теорема единственности для упруго-пластических материалов с сингулярной поверхностью текучести. "Механика", 2, № 60, I960.

35. Кох П.И. Нещеретный П.М., Чекулаев В.А. Козловые краны для гидроэлектростанций. М., "Машиностроение", 1972.

36. Крановые металлические конструкции (Сборник докладов на П совещании по крановым металлоконструкциям). Под ред. Николаевского Г.М., Концевого Е.М., ВНШПТмаш, 1969.

37. Лазарев И.Б., Круглов А.И. Об одном алгоритме поиска оптимальных параметров высоких опор виадуков. В сб. "Исследование работы искусственных сооружений". Труды НИИЖТа, вып.150, Ново -сибирск, 1973.

38. Лившиц В.Л., Невзоров Л.А., Смородинский И.М. Оптималь -ное проектирование крановых металлоконструкций. Обзор. М., ЦНИИТЭ-строймаш, 1974.

39. Пихтарников Я.М. Металлические конструкции. Методы технико-экономического анализа при проектировании. М., Стройиздат, 1968.

40. Малков В.П., Торопов В.В. Алгоритм поэтапного поиска условного минимума. В сб. "Автоматизированное оптимальное проектирование конструкций". Хабаровск, 1977.

41. Мозговая Э.А. Об одном методе поиска минимума функции при наличии ограничений. "Автоматика и телемеханика", № 12, 1962.

42. Николаев Г.А., Куркин С.А., Винохсуров В.А. Расчет,проектирование и изготовление сварных конструкций. М., "Высшая школа", 1971.

43. Оден Дж. Конечные элементы в нелинейной механике сплошных сред. М., "Мир", 1976.

44. Один И.М. Инженерные задачи расчета крановых металлоконструкций. М., "Машиностроение", 1972.

45. Окерблом Н.О. Конструктивно-технологическое проектирование сварных конструкций. Л. М., "Машиностроение", 1964.

46. Окулов Д.П. Надежность крановых металлоконструкций. В сб. "Крановые металлоконструкции". Под редакцией Николаевского Г.М., Концевого Е.М., М., ВНИИПТмаш, 1969.

47. Охоглов Д.П. Вопросы исследования и проектирования мостовых перегружателей и козловых кранов большой грузоподъемности. Труды ЦНИИпроектстальконструкция, М., 1982.

48. Пакет прикладных программ оптимизации. (Фонд алгоритмов и программ для ЭВМ в отрасли "Строительство", вып.1У-83). М., ЦНИИПИАСС, 1978.

49. Пиан Т. Вывод соотношений для матриц жесткости элемента, основанный на выборе закона распределения напряжений. "Ракетная техника и космонавтика" 2, № 7, 1964.

50. Потапкин А.А. Теория и расчет стальных и сталежелезобе-тонных мостов на прочность с учетом нелинейных и пластических деформаций. Труды ЦНИИС, вып.84, "Транспорт", 1972.

51. Потапкин А.А. Вопросы расчета стальных конструкций мо -стов в упруго-пластической стадии работы. "Исследование совре -менных конструкций стальных мостов". Сб.статей. Труды ЦНИИС, вып.94 "Транспорт", 1975.

52. Почтман Ю.М., Филатов Г.В. Расчет ребристых пластин минимального веса при осевом сжатии методом случайного поиска. "Прикладная механика", т. УШ, вып.1, 1972.

53. Правила расчета подъемных устройств. (Составлены секцией I Европейской Федерации ФЕМ по подъемно-транспортному оборудованию). Перевод со второго французского издания ЦНИИстройдормаша, М., 1972.

54. Правила устройства и безопасной эксплуатации грузоподъемных кранов. М., "Металлургия", 1970.

55. Прочность при малом числе циклов нагружения. Сб.статей.

56. Под ред. Серенсена С.В. М., "Наука", 1969.

57. Прочность при нестационарных режимах нагрузки. Сб. статей под ред. Серенсена С.В. Киев, АН СССР, 1961.

58. Пути технического развития крановых металлоконструкций (Сборник докладов на совещании по крановым металлоконструкциям). Под ред. Богуславского П.Е. М., ВНИИПТмаш, 1966.

59. Растригин Л.А. Статистические методы поиска. М., "Наука",1968.

60. Рекомендации по расчёту элементов стальных конструкций на прочность по критерию предельных пластических деформаций. М., ЦНИИПСК, 1980'.

61. Рябченко В.М. Алгоритм выбора оптимальных параметров тонкостенных систем. В сб. "Самолетостроение и техника воздушного флота", вып.5, Харьков, изд-гво, Харьк. Гос. ун-та, 1966.

62. Савицкий Г.А. Ветровая нагрузка на сооружения. М., Строй-издат, 1972.

63. Сахновский М.М., Титов A.M. Уроки аварий стальных конструкций. Киев, "Будивельник", 1969.

64. Сахновский М.М. Технологичность строительных сварных конструкций. Киев, "Будивельник", 1980.

65. Стрелецкий Н.С., Беленя Е.И., Ведеников Г.С.и др. Металлические конструкции. Специальный курс. М., Стройиздат, 1965.

66. Стрелецкий Н.С. К вопросу развития методики расчёта по предельным состояниям. "Развитие методики расчёта по предельным состояниям". В сб. статей под ред. Беленя Е.И. Стройиздат, M.I97I.

67. Стрелецкий Н.Н., Бельский Г.Е., Любаров Б.И., Чернов Н.Л. Расчёт элементов стальных конструкций по критерию предельных пластических деформаций. "Промышленное строительство", № 6, 1978.

68. Стрелецкий Н.Н. Первоочередные вопросы развития методики предельных состояний. "Развитие методики расчета по предельным состояниям". Сб.статей под ред. Беленя Е.И., Стройиздат, М., 1971.

69. Стриклин Д.А., Хайслер У.Е., Тисдейл П.Р., Г^ндерсон Р. Элемент в форме резко сужающейся треугольной пластины. "Ракетная техника и космонавтика", № I, 1969.

70. Тарасенко В.Л., Струканов В.И. Расчет стальных балок коробчатого сечения на подвижную нагрузи за пределами упругости. В сб. "Повышение эффективности металлических и деревопластмассо-вых конструкций" под редакцией Жербина М.М. Киев "Буд1вельник", 1978.

71. Труды ВШИПТмаша. М., ОТИ, 1970-1982.

72. Труды Воронежского политехнического института. Воронеж, 1970-19821

73. Труды Ленинградского политехнического института им. М.И.Калинина. Л., "Машиностроение", 1970-1982.

74. Труфяков В.И. Усталость сварных соединений. Киев, "Нцуко-ва думка", 1973.

75. Уманский А.А. Строительная механика самолета. М., Оборон-гиз, 196I.

76. Фаддеев Д.К., Фаддеева В.Н. Вычислительные методы ли -нейной алгебры. М., Физматгиз, 1964.

77. Фокс Р.Л., Стэнтон Е.Л. Достижения в области расчетов на прочность прямыми методами минимизации энергии. "Ракетная техника и космонавтика", 6, № 6, 1968.

78. Хэйвуд Р.Б. Проектирование с учетом усталости. Пер. с англ. М., "Машиностроение", 1969.

79. Шапошников Н.Н. Решение плоской задачи теории упругости при помощи дискретной модели. Труды МИИТ, вып.274, М., 1968.

80. Шиманский Ю.А. Проектирование прерывистых связей судового корпуса. Л., Судпромгиз, 1949.

81. Шмит Л.А., Богнер Ф.К., Фокс Р.Л.

82. Расчет конструкций при конечных прогибах с использованием дискретных элементов пластин и оболочек. "Ракетная техника и космонавтика", № 5, 1968.