Введение
СОДЕРЖАНИЕ
4
ГЛАВА 1. Грузоподъемные машины наземных комплексов как объект диссертационных исследований
1.1., Разновидности ГПМ НК и их основные параметры
1.2. Анализ особенностей конструкции и процессов функционирования различных видов ГПМ НК
1.3; Основные требования, предъявляемые к ГПМ НК при проектировании-
1.4. Постановка задач и разработка методологической схемы дис-' сертационных исследований •
1.5. Выводы по первой главе *
•» •* ■» ■ . • - ■ .
ГЛАВА 2. Математическое моделирование поведения П1М
НК и их несущих. элементов при статических и динамических:
воздействиях ' • . •
2.1. Применение при математическом ■ моделировании метода конечных элементов - формирование матриц прочности силовых элементов металлоконструкции ГПМ НК '
2.2. Математическое моделирование'прочности металлоконструкций ГПМ НК при статических воздействиях •
2.3. Математическое моделирование для исследования работы ГПМ НК при динамических воздействиях (на примере мостовых кранов наземных комплексов)
2;4. Выводы по второй главе
ГЛАВА-3. Разработка алгоритмов и пршрамм для экспериментального исследования динамики и прочности ГПМ НК с учетом особенностей механического нагружения
3; 1. Создание программы экспериментального исследования прочности металлоконструкций ГПМ с учетом особенностей функционирования наземных комплексов
8
8
17
25
29
33
34
34
41
56
72
73
73
2
3.2. Разработка компьютерных моделей для анализа динамики и прочности мостовых ГПМ НК средствами программного комплекса ANSYS
3.3. Создание параметрических и имитационных моделей в среде T-Flex CAD для экспериментальной оценки показателей эффективности, отработки технологичности ГПМ НК и оформления результатов проектирования
3.4. Выводы по третьей главе
ГЛАВА 4. Разработка методики поиска рациональных конструктивных решений при создании ГПМ НК
4.1. Математическая постановка задачи поиска рациональных вариантов и анализ методов ее решения
4.2. Разработка программы выбора рациональных решений но силовым схемам, размерам и компоновочным задачам при проектировании ГПМ НК
4.3. Создание программы для многокритериальной параметрической оценки при поиске рациональных конструктивных решений по ГПМ НК на основе применения комплексных критери-ев эффективности
4.4. Разработка методики поиска рациональных проектноконструкторских решений по ГПМ НК, основанной на применении предлагаемых в диссертации математических моделей, алгоритмов и программ
4.5. Выводы по четвертой главе
Заключение
Библиографический список
Приложения
87
100
108
109
109
120
131
140
147
148
149 158
3
%
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы диссертации
На современном уровне развития аэрокосмической техники эффективность разрабатываемых изделий в значительной мере зависит от степени совершенства процессов их подготовки к применению. Эта зависимость особенно существенна при реализации современной стратегии параллельного проектирования, когда компоновочные, конструктивно-силовые схемы и расчет характеристик изделий и технологического оборудования наземного комплекса должны выполняться одновременно, причем па ранних стадиях проектирования. Только такой подход может обеспечить принятие рациональных проектно-конструкторских решений при создании универсальных наземных комплексов (ПК), обеспечивающих подготовку к применению целых семейств изделий различной конфигурации, когда требуется учет заданных ограничений, индивидуальных особенностей по каждому варианту, а сам процесс проектирования носит компромиссный характер.
Перечисленные выше особенности в полной мере относятся к грузоподъемным машинам наземных комплексов (ГПМ НК), которые обеспечивают выполнение всех видов подъемно-перегрузочных и монтажностыковочных работ при подготовке изделий к применению. Однако в многочисленной научно-технической литературе отсутствуют результаты разработки математических моделей для статического и динамического анализа ГПМ НК и их элементов, а также алгоритмов и программ исследования динамики и прочности ГПМ НК с учетом особенностей механического нагружения, которые необходимы для принятия рациональных конструктивных решений при создании перспективных ГПМ НК на основе комплексных критериев, охватывающих такие характеристики, как значения наибольших напряжений, величины динамической жесткости металлоконструкций ГПМ НК, их массогабаритные характеристики, себестоимость и трудоемкость изготовления металлоконструкций, а также другие критерии.
4
Поэтому исследования, направленные на изучение методами механики и вычислительной математики поведения грузоподъемных машин перспективных наземных комплексов и закономерностей механических процессов, имеющих место в их конструкциях и элементах, являются актуальной научно-технической задачей для аэрокосмической отрасли промышленности.
Цель работы
Целыо выполнения диссертации является разработка научных подходов и инструментальных средств рационального проектирования новых поколений грузоподъемных машин наземных комплексов.
Для достижения-поставленной цели в диссертации были решены следующие теоретические и практические задачи, результаты которых выносятся на защиту:
- математическое моделирование ГПМ НК и их несущих элементов при статических и динамических воздействиях;
- разработка алгоритмов и программ для исследования динамики и прочности ГПМ НК с учетом особенностей механического нагружения;
- разработка методики поиска рациональных проектноконструкторских решений при создании ГПМ НК, включая выбор силовых схем и материалов, расчет и оценку наибольших напряжений, динамической жесткости, массогабаритных и других характеристик ГПМ НК.
Научная новизна
%
1. Получены новые аналитические и численные решения в части оценки прочности металлоконструкций ГПМ НК при статических воздействиях, а также в аспектах исследования поведения и механических процессов в конструкциях и элементах мостовых ГПМ технических комплексов при динамических воздействиях.
2. Разработана новая методика поиска рациональных решений при конструировании ГПМ НК, включающая выбор силовых схем, размеров, реше-
ние компоновочных задач при проектировании ГПМ НК и обеспечивающая многокритериальную параметрическую оценку конструктивных решений.
3. Получены новые результаты анализа и рекомендации по численным исследованиям конструкторско-технологических решений для ГПМ НК.
Достоверность результатов и выводов
Полученные при выполнении диссертационной работы результаты строго обоснованы математическим аппаратом теории упругости, применением точных методов вычислительной математики, численных методов анализа на основе интегральных критериев эффективности, дискретных методов поиска рациональных конструктивных решений с учетом заданных ограничений.
Достоверность решения задач в диссертации подтверждена сравнением численных результатов с известными аналитическими решениями и сопоставлением полученных результатов с результатами других авторов.
Практическая значимость и реализация результатов
Созданы новые алгоритмы и программы, предназначенные для:
- исследования прочности металлоконструкций ГПМ с учетом особенностей функционирования наземных комплексов;
- анализа динамики и прочности мостовых ГПМ НК средствами программного комплекса АИЗУБ;
- оценки показателей эффективности, отработки технологичности ГПМ НК и оформления результатов проектирования.
Результаты диссертации предназначены к применению при создании ГПМ НК для получения рациональных конструктивных решений и характеристик с использованием полученных математических моделей, разработанных алгоритмов, программ исследования динамики и прочности ГПМ НК и методики поиска проектно-конструкторских решений.
6
Результаты диссертации внедрены в учебный процесс на кафедре «Стартовые комплексы» «МАТИ» — Российского государственного технологического университета им. К.Э. Циолковского при подготовке бакалавров и магистров по направлению «Авиа- и ракетостроение» в рамках дисциплин «Строительная механика конструкций и сооружений» и «Динамика конструкций и сооружений».
Апробация и опубликование результатов работы
Результаты выполненных исследований и практических разработок отражены в 8 публикациях (в том числе 3 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ для опубликования результатов диссертационных исследований).
Результаты работы докладывались и прошли публичное обсуждение на научно-технических конференциях и семинарах: ежегодных международных молодежных научных конференциях «Гагаринские чтения» 2005-2010 гг.; ежегодных всероссийских конференциях «Академические чтения но космонавтике памяти. С.П. Королева и других отечественных ученых-пионеров освоения космического пространства» 2008-2011 гг.; международной конференции «Российский образовательный форум» 2006 г.; открытых конференциях и семинарах молодых ученых и специалистов, проведенных КБ транспортного машиностроения в 2006-2009 гг. и др.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка (114 наименований), двух приложений; изложена на 164 страницах машинописного текста и содержит 68 рисунков и 12 таблиц.
7
ГЛАВА 1. Грузоподъемные машины наземных комплексов как объект диссертационных исследований
ГЛ. Разновидности ГПМ НК и их основные параметры
1.1.1. Основные виды ГПМ НК
В настоящее время в строительных организациях, на промышленных и транспортных предприятиях с помощью ГПМ производятся работы на строительно-монтажных площадках по возведению зданий, сооружений, мостов, железных дорог, объектов гидротехнического строительства (морских и речных портов). ГПМ характеризуются периодическим действием и тем, что в рабочем цикле периоды действия отдельных механизмов перемежаются с паузами, при которых работают другие механизмы.
Наиболее распространенными ГПМ, применяемыми в наземных комплексах при подготовке аэрокосмических изделий к пуску, являются грузоподъемные крапы, состоящие из остова в виде металлоконструкции и нескольких механизмов, установленных на нем. Краны представляют наиболее распространенную группу машин разнообразного назначения и конструктивного исполнения. Они квалифицируются по различным признакам [1, 4, 7].
По конструкции (рис. 1.1) крановые ГПМ подразделяются-на:
• краны мостового типа, у которых грузозахватные средства подвешены к грузовой тележке, тали или крану стрелового типа, передвигающемуся по мосту;
• краны стрелового типа, у которых грузозахватные средства подвешены к стреле или тележке, перемещающейся по стреле;
• краны кабельного тина, у которых фузозахватные средства подвешиваются к фузовой тележке, перемещающейся по несущим канатам.
К- ГПМ НК мостового типа относятся мостовые, козловые и полукоз-ловые краны и кран-балки, мостовые перегружатели, настенные передвижные консольные краны, мостовые краны-штабелеры.
8
Ш7У//ШУ/Ш
г
д
€
Ж
3
§
Ш.
Рис. 1.1. Классификация крановых ГГІМ НК по конструктивному исполнению: а - кран мостовой опорный; б - кран-штабелер мостовой; в - кран козловой; г - кран кабельного типа; д - кран портальный; е - кран стрелового типа железнодорожный; ж - кран башенный; з - кран мачтовый вантовый.
В группу кранов стрелового типа из состава ГПМ НК входят:
• поворотные краны на портале или полупортале, предназначенном для пропуска железнодорожного или автомобильного транспорта;
• стреловые поворотные краны, у которых стрела или башенностреловое оборудование закреплены на поворотной платформе, размещенной непосредственно на ходовом устройстве (автомобильный, пневмоколесиый, на специальном шасси, гусеничный, тракторный);
• железнодорожные краны, смонтированные на платформе, передвигающейся по железнодорожному пути;
• башенные краны поворотные со стрелой, закрепленной в верхней части вертикально расположенной башни;
• мачтовые краны вантовые с закреплением верха мачты посредством канатных оттяжек-вантов;
• консольные краны стрелового типа, грузозахватное устройство которого подвешено к жестко закрепленной консоли (стреле) или к тележке, перемещающейся по консоли (стреле).
Несущими элементами кабельного крана являются канаты, закрепленные в верхней части опорных мачт (башен), либо канаты, закрепленные на концах моста (кран кабельный мостовой).
Общая классификация мостовых и стреловых кранов, применяемых в составе ГПМ НК, показана на рис. 1.2 и рис. 1.3 соответственно.
По виду грузозахватного устройства краны подразделяют на.крюковые, грейферные, магнитные, клещевые и др. Краны общего назначения снабжаются крюком и предназначены для перегрузки широкой номенклатуры гру-
I
зов. Краны из состава ГПМ НК, предназначенные для выполнения подъемно-транспортных и монтажно-стыковочных работ с подго тавливаемыми к пуску изделиями и их составными частями, оборудуются грейферами, подъемными магнитами, штырями с поворотными головками и т.п. [26].
Краны мостового типа
Рис. 1.2. Схема классификации мостовых ГПМ НК
10
Рис. 1.3. Схема классификации стреловых кранов из состава ГПМ НК
По роду привода ГПМ НК подразделяют на краны с ручными и механическими (электрическими, гидравлическими, пневматическими и др.) приводами. По степени поворота стрелы относительно опорной части краны НК могут быть неповоротными, полноповоротными и неполноповоротными. По способу контакта ходовой части с рельсовыми путями ГПМ НК могут быть опорного типа - опирающиеся на путь сверху, и подвесного типа - перемещающиеся по нижним полкам рельсов подвесного кранового пути.
1.1.2. Основные параметры ГПМ НК
Основой характеристикой ГПМ НК является максимальная грузоподъемность О. (тонн), величина которой назначается по справочникам и нормативной документации:
0,01; 0,0125;...; 10; 12,5; 16; 20; 25; 32;...; 250; 280; 320;...
ГПМ НК характеризуют также вылет Я (м) - для стреловых кранов (рис. 1.4, а), пролет Ь и вылет консоли Ц (м) - для кранов пролетного типа (рис. 1.4, б), высота подъема крюка Н (м), являющаяся суммой высоты подъема крюка Нх над уровнем расположения ГПМ и глубины опускания крюка
#2 ниже уровня расположения крана, колея крана К (м) и база В (м).
Базовыми функциональными параметрами ГПМ НК являются скорости подъема, передвижения, поворота крана и его отдельных частей. Эти параметры рассчитываются для каждого вида подъемно-транспортных и монтажно-стыковочных работ с подготавливаемыми к пуску изделиями и их составными частями в НК и задаются в техническом задании на разработку и изготовление ГПМ.
а - для стреловых кранов; б - для кранов пролетного типа.
1.1.3. Классификация по режимам работы ГПМ НК и их механизмов
ГПМ НК и их механизмы работают в различных условиях и при действии разнообразных натрузок, которые учитываются режимами работы. Благодаря классификации ГПМ и крановых механизмов по режимам работы возможно выбрать кран с учетом конкретных условий эксплуатации и устано-
вить исходные данные для проектирования элементов ГПМ с учетом условий «
эксплуатации в составе НК, чтобы обеспечить требуемый уровень безопасности и долговечности [4, 5, 39].
В отечественной нормативной технической документации введена классификация по режимам работы ГПМ (ГОСТ 25546) и их механизмов
б)
Рис. 1.4. Основные параметры ГПМ НК:
12
(ГОСТ 25835-83). Указанные стандарты разработаны в соответствии с рекомендациями Международной организации по стандартам (МС ИСО), Международными стандартами ИСО 4301/1 (Краны и подъемные устройства. Классификация. Часть 1. Общие положения), ИСО 4301/2 (Устройства подъемные. Классификация. Часть 2. Стреловые самоходные краны).
Следует отметить, что в указанных отечественных стандартах и в стандарте ИСО 4301/1 имеются различия в буквенных обозначениях отдельных показателей и в пределах их обозначений. Поэтому в таблице 1.1 приведены группы классификации (режимов работы) ГПМ НК в соответствии с ИСО 4301/1 и ГОСТ 25546, а в таблице 1.2 - группы классификации (режимы работы) механизмов ГПМ НК в соответствии с ИСО 4301/1 и ГОСТ 25835.
Режим работы ГПМ НК в целом устанавливают по режиму работы главного механизма подъема. С учетом этого режима рассчитывают металлоконструкцию ГПМ. За основу классификации приняты два показателя:
1) класс использования - характеризуется числом циклов подъемнотранспортных и монтажно-стыковочных работ ГПМ НК с подготавливаемыми к пуску изделиями и их составными частями за срок их службы;
2) класс нагружения — характеризуется коэффициентом нагружения, определяемым с учетом спектра нагрузок, действующих в течение срока службы ГПМ в составе НК.
В зависимости от сочетания классов устанавливается группа режима работы. Термин «группа режима работы» отражает ту особенность класифи-кации ГПМ НК, что каждой группе режима соответствуют несколько сочетаний классов использования и классов нагружения [70].
Режим работы ГПМ ПК. Класс использования определяют в зависимости от общего числа рабочих циклов подготовки изделий к пуску СТ за срок службы ГПМ НК(см. таблицу 1.1):
Су = Сспдн(к у
где Сс - среднесуточное число циклов работы ГПМ НК; пд„ - число рабочих дней в году (250 - при двух выходных днях в неделю и 300 - при одном
13
еженедельном выходном дне; 360 - при непрерывном производственном цикле); ^ — срок службы ГПМ до списания согласно стандартам (лет).
Ориентировочное соотношение между режимами работы ГПМ НК по действовавшим ранее правилам и группам классификации (режима) согласно международными стандартами ИСО 4301/1: Л - (А1, А2, АЗ); С - (А4, А5); Т - (А6, А7); ВТ - (А8).
Таблица 1.1. Классификация ГПМ НК по режимам работы
Класс использования Максимальное (общее) число рабочих циклов подготовки изделий к пуску, выполняемых ГПМ НК за срок-службы сг Режим нагружения (классы нагружения)
ИСО гост Весьма легкий Легкий Умеренный Тяжелый Весьма тяжелый
ИСО гост ИСО гост ИСО ГОСТ ИСО ГОСТ ИСО гост
— Qo Q. q2 Q3 Q4
Коэффициент распределения нагрузок (коэффициент нагружения) Кр
— 0,063 0,125 0,250 0,500 1,0
Группа классификации (группа режима работы)
и0 Со 1,6-1 о4 — — — — — 1К А1 1К А2 2К
и, С, 3,2-104 - - - 1К А1 IK А2 2К АЗ ЗК
и2 С2 6,3-Ю4 — 1К А1 1К А2 2К АЗ ЗК А4 4К
Сз 1,25-105 — 1К А2 2К АЗ ЗК А4 4К А5 5К
и4 с4 2,5-Ю5 - 2К АЗ ЗК А4 4К А5 5К А6 6К
и. С5 5-Ю5 - ЗК А4 4К А5 5К А6 6К А7 7К
и6 Сб 1-Ю6 — 4К А5 5К А6 6К А7 7К А8 8К
и7 с7 2-Ю6 — 5К Аб 6К А7 7К А8' 8К - 8К
и8 с8 4-Ю6 - 6К А7 7К А8 8К - 8К - -
и9 С9 Свыше 4-Ю6 — 7К А8 8К - и. оо - - - —
Режим нагружения ГПМ НК характеризуется коэффициентом распределения нагрузок
п
£l(JL)3 Ст р. '
“шах
где Сх •- среднее число рабочих циклов подъемно-транспортных и монтажностыковочных технологических операций ГПМ НК с подготавливаемыми к пуску изделиями и их составными частями с частным уровнем массы Рх\
14
- Київ+380960830922