ВАТ “Головний спеціалізований

конструкторсько-технологічний інститут”

Головченко Володимир Іванович

УДК 621:539.3:624.014

Проектування

великогабаритних зварних силових конструкцій

на основі Параметричного аналізу та синтезу

на прикладі рам вітроенергетичних установок

Спеціальність 05.02.02 – машинознавство

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Маріуполь – 2006

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у ВАТ “Головний спеціалізований конструкторсько- технологічний інститут” Міністерства промислової політики України

Науковий керівник: | доктор технічних наук, с.н.с.

Ткачук Микола Анатолійович,

Національний технічний університет “Харківський

політехнічний інститут”, завідувач кафедри “Теорія і системи автоматизованого проектування механізмів і машин”

Офіційні опоненти: | доктор технічних наук, професор

Шишов Валентин Павлович,

Східноукраїнський національний університет

ім. В. Даля Міністерства освіти і науки України,

м. Луганськ, професор кафедри “Машинознавство”

кандидат технічних наук

Нечепуренко Олександр Васильович,

ВАТ “Металургійний комбінат “Азовсталь”

Міністерства промислової політики України,

м. Маріуполь, начальник лабораторії ЦЛТВ

Провідна установа: | Інститут машин і систем

Національної Академії Наук України, м. Харків

Захист відбудеться “_27__” ___червня___ 2006 р. о ___1400 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради K 26.873.01 у ВАТ “Головний спеціалізований конструкторсько-технологічний інститут” за адресою: 87535, м. Маріуполь, пл. Машинобудівельників, 1

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці ВАТ “Азовмаш” за адресою: 87535, м. Маріуполь, пл. Машинобудівельників, 1

Автореферат розісланий “ 19 ” _травня_ 2006 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради к. т. н. Малинов В.Л.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Значна кількість металоконструкцій, що виготовляються в машинобудуванні, є силовими. Запаси міцності елементів силових конструкцій, по можливості, повинні бути оптимальними. Вони повинні бути достатніми, щоб забезпечити їх нормальну роботу протягом заданого терміну і в той же час повинні бути мінімальними, щоб не призводити до невиправдано великих розмірів поперечних перерізів елементів і катетів зварних швів, до необгрунтовано трудомістких форм підготовки кромок під зварку і надто жорстких вимог до якості зварних з’єднань. Таким чином, питання, пов’язані з оптимальним проектуванням і розрахунками міцності великогабаритних силових конструкцій, є достатньо актуальними і важливими. Прикладом великогабаритних силових металоконструкцій може служити значна частина традиційної продукції заводів важкого машинобудування, зокрема ВАТ “Азовмаш”. До нетрадиційного, але не менш відповідального виду продукції “Азовмаш” слід віднести рами вітроенергетичних установок (ВЕУ) великої потужності, що є об’єктом даної роботи. В даний час на передових машинобудівних підприємствах процеси проектування, технологічної підготовки і виготовлення продукції інтегруються в єдиному середовищі автоматизованого проектування, дослідження, виготовлення CAD/CAE/CAM. Однак часто виявляється, що використання універсальних САПР не завжди може бути ефективним, оскільки вони не орієнтовані на автоматизацію проектування конкретних типів металоконструкцій. В той же час використання створених свого часу спеціальних САПР також не є ефективним, оскільки функціональні властивості цих систем не відповідають сучасним вимогам. У зв’язку з цим задача створення спеціалізованих систем автоматизованого проектування великогабаритних просторових конструкцій, інтегрованих в єдине середовище CAD/CAE/CAM, є дуже актуальною як для підприємств важкого машинобудування, так і для машинознавства.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалася у ВАТ “Головний спеціалізований конструкторсько-технологічний інститут“ (ВАТ “ГСКТІ”) згідно з тематичним планом досліджень. Крім того, дослідження проводилися в рамках науково-технічної співпраці з Національним технічним університетом “Харківський політехнічний інститут” (НТУ “ХПІ”) згідно з планом фундаментальних науково-дослідних робіт Міністерства освіти і науки України М1202 “Шторм” № д.р.0105U000004т (2005-2006рр.), а також згідно з господарським договором № 88К/923 між НТУ “ХПІ” і ВАТ “ ГСКТІ” (2005-2006рр.), де здобувач був виконавцем окремих розділів.

Мета і завдання досліджень. Метою досліджень є розробка спеціалізованої інтегрованої системи автоматизованого проектування великогабаритних просторових конструкцій (ВПК) на основі аналізу напружено-деформованого стану (НДС), яка дає можливість обґрунтувати раціональні основні параметри та забезпечити працездатність і довговічність конструкцій, що проектуються.

Для досягнення цієї мети вирішені такі завдання:

· розробка математичної моделі великогабаритних просторових зварних конструкцій, яка дозволяє на основі узагальненого параметричного опису геометрії, навантажень, граничних умов забезпечувати проведення багатоваріантного аналізу НДС і параметричного синтезу їх елементів;

· розробка структури спеціалізованої інтегрованої системи автоматизованого проектування великогабаритних просторових зварних конструкцій на базі сучасних CAD/CAЕ/CAМ–систем і проведення її програмно-алгоритмічної реалізації на прикладі рами ВЕУ великої потужності;

· розробка параметричних геометричних та скінченно-елементних моделей рам ВЕУ великої потужності для можливості проведення багатоваріантного аналізу НДС і параметричного синтезу їх елементів;

· проведення за допомогою розробленої системи дослідження НДС основних силових елементів рами для ВЕУ потужністю 1,5 МВт для фірми “Nordex” і виконання аналізу їх працездатності протягом заданого терміну за критеріями, встановленими Правилами Німецького Ллойда з сертифікації вітроенергетичних установок;

· розробка рекомендацій для визначення раціональних параметрів силових елементів рам ВЕУ і впровадження їх у виробництво.

Об’єкт дослідження – напружено-деформований стан елементів великогабаритних просторових конструкцій при дії просторової системи зовнішніх сил.

Предмет дослідження – раціональні параметри елементів рам ВЕУ великої потужності, визначувані на основі аналізу їх НДС.

Методи дослідження включають узагальнений параметричний опис складних механічних систем, методи тривимірного твердотільного геометричного моделювання просторових конструкцій, числові методи визначення напружено-деформованого стану пружних тіл, а також методи теорії пружності і втомної міцності зварних конструкцій.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в наступному:

· отримали подальший розвиток підходи до параметричного опису просторових конструкцій, що забезпечують, на відміну від існуючих технологій, наскрізну параметричність моделей на етапах геометричного і скінченно-елементного моделювання;

· вдосконалено математичні моделі і розрахункові схеми, що описують конструктивні, технологічні та експлуатаційні особливості великогабаритних просторових зварних конструкцій на основі множини узагальнених параметрів;

· вперше розроблено методи створення спеціалізованих інтегрованих систем автоматизованого проектування елементів рам ВЕУ великої потужності на основі визначення їх НДС, а також методи створення “експрес–моделей” і “експрес–систем” для визначення НДС за допомогою спеціальних баз даних;

· надано подальшого розвитку методам прогнозування втомного опору зварних з’єднань рам ВЕУ, а також методам вирішення оберненої задачі – забезпечення втомної міцності зварних з’єднань шляхом вибору їх типів і конструктивних параметрів.

Достовірність отриманих в роботі результатів базується на коректному використанні методів математичної фізики, забезпечується застосуванням апробованого методу скінченних елементів та підтверджується відповідністю результатів числових та експериментальних досліджень напружено-деформованого стану елементів великогабаритних просторових конструкцій.

Практичне значення одержаних результатів. Створені в роботі методи, алгоритми і програмне забезпечення дозволили виконати ряд відповідальних розрахунків міцності і довговічності рам ВЕУ великої потужності, що проектуються ВАТ “ГСКТІ” і виготовляються ВАТ “Азовмаш“, з метою забезпечення їх технічних характеристик згідно з Технічними вимогами замовника – фірми “Nordex”. Основні результати досліджень у вигляді параметричних геометричних, скінченно-елементних, математичних моделей, спеціалізованої інтегрованої системи автоматизованого проектування, розрахункових моделей для визначення втомної міцності зварних з’єднань, рекомендацій по проектуванню та виготовленню впроваджені в практику проектування і виготовлення рам ВЕУ на ВАТ “ГСКТІ” і ВАТ “Азовмаш“, а також в навчальний процес в НТУ “ХПІ”.

Особистий внесок здобувача в роботи, виконані в співавторстві. Всі положення дисертації, винесені на захист, здобувачем розроблені самостійно. У роботах, виконаних у співавторстві, авторові належать: в [1] – “експрес–моделі” і “експрес–системи” для дослідження фізико-механічних процесів у великогабаритних просторових зварних конструкціях; математична модель для дослідження НДС елементів просторових зварних конструкцій на основі МСЕ і узагальненого параметричного опису – в [3]; в [5, 7] – структура спеціалізованої інтегрованої системи автоматизованого проектування рам ВЕУ великої потужності; у [6] – технологія розрахунково-експериментального дослідження НДС елементів ВПК на прикладі траверси козлового крана.

Апробація результатів дисертації. Основні результати і положення роботи доповідалися на II міжнародному з’їзді по теорії механізмів і машин (Харків, 2005 р.), на 7-му міжнародному симпозіумі українських інженерів-механіків (Львів, 2005 р.), на міжнародній конференції “Інформаційні технології: наука, техніка, технологія, освіта, здоров’я” (Харків, 2005, 2006 рр.). У повному обсязі робота доповідалася на розширеному науковому семінарі кафедри “Теорія і системи автоматизованого проектування механізмів і машин” НТУ “ХПІ” і засіданні науково-технічної ради ВАТ “Головний спеціалізований конструкторсько-технологічний інститут” (2006 р.).

Публікації. За темою дисертації опубліковано 7 статей в спеціалізованих журналах, з них 2 – без співавторів.

Структура й обсяг роботи.

Дисертація викладена на 288 сторінках, складається зі вступу, п’яти розділів, висновків і рекомендацій, списку використаних джерел, що містить 121 найменування на 11 сторінках, 10 додатків на 115 сторінках. Дисертація містить 97 рисунків, з них на повних сторінках – 9, 22 таблиці, з них на повних сторінках – 10. Обсяг основного тексту - 138 сторінок.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації, її наукову і практичну цінність, сформульовано мету та визначено задачі роботи.

Проведений в розділі 1 аналіз великогабаритних силових конструкцій і методів розрахунку їх напружено-деформованого стану дозволяє зробити такі висновки. Завдання забезпечення міцності, жорсткості, надійності, довговічності є ключовими при проектуванні великогабаритних силових конструкцій. Це вимагає виконання як одного з найважливіших етапів дослідження їх напружено-деформованого стану, причому в стислі терміни, з використанням сучасних методів і найбільш потужних комп’ютерних систем. На підприємствах вітчизняного машинобудування розв’язання цієї задачі здійснюється частково, розрізнено і неузгоджено, із залученням універсальних CAD/CAЕ/CAМ-систем. Єдиного інструменту автоматизованого проектування таких конструкцій, що враховує їх специфіку, з аналізом їх міцності, жорсткості, надійності не існує, хоча вимоги до технічних характеристик конструкцій постійно зростають. Це визначає актуальність і важливість науково-технічного завдання розробки інтегрованих спеціалізованих систем автоматизованого проектування і дослідження напружено-деформованого стану великогабаритних просторових конструкцій в умовах реального виробництва з використанням високих можливостей сучасних комп’ютерних методів і систем.

Розділ 2 містить теоретичні основи параметричного аналізу і синтезу елементів ВПК. При розгляді проблеми автоматизації процесу їх проектування, дослідження і виготовлення плідно використовувати системний підхід. Як методологічна основа досліджень був вибраний метод узагальненого параметричного опису елементів ВПК. Основне завдання, яке вирішується при проектуванні нової конструкції, полягає в одержанні її необхідних технічних характеристик . Множину характеристик складають характеристики міцності, жорсткості, а також технологічні, експлуатаційні та економічні характеристики. Існує певний зв’язок між характеристиками і множиною параметрів :

Т=Т(Р), (1)

де – множина, яка містить геометричні, технологічні параметри, умови експлуатації тощо. Однозначне оптимальне розв’язання оберненої задачі

Р=Р(Т). (2)

у більшості випадків відсутнє.

Рис.1. Узагальнений параметричний підхід

в процесі проектування, дослідження і виготовлення КПК

Основна ідея розширеного параметричного підходу до аналізу та синтезу конструкцій полягає в тому, щоб реалізований в системах CAD/CAЕ/CAМ традиційний параметричний підхід розширити шляхом використання спеціалізованих модулів. В цих модулях можливо організувати не тільки традиційну параметризацію, але й додатково прийняти як узагальнені параметри такі параметри, як структура розрахункової моделі, конструктивне рішення, тип скінченно-елементного розбиття, способи реалізації з’єднання елементів конструкцій тощо. При цьому створення спеціальної метамови, яка формалізує вказаний опис моделі, не вимагається. Для того або іншого класу конструкцій, виходячи з досвіду проектування і дослідження, будується внутрішній алгоритм, який за простим набором вхідних даних здійснює побудову набору інструкцій на мові команд систем CAD/CAЕ/CAМ високого рівня для створення відповідної моделі конструкції, що проектується (рис. 1). Це дозволяє організувати процедуру цілеспрямованого перебору варіантів конструкцій. Найважливішою особливістю і перевагою запропонованого підходу є нечутливість до типу, виду і складу множини .

Для математичного моделювання НДС складні просторові конструкції розглядаються як механічні системи взаємодіючих тіл, поведінка яких (математична модель) описується у загальному вигляді в операторній формі рівнянням

(uM, pM, fM, t), (3)

де – деякий оператор, структура і параметри якого залежать від типу досліджуваного явища, складу системи, граничних умов, навантаження і умов з’єднання; – масив змінних стану, щодо яких сформульовано завдання; рМ– масив параметрів (характеристики фізико-механічних властивостей, геометричні розміри, маси, жорсткості), які складають узагальнений параметричний простір РМ (див. рис. 1); fM – масив, який характеризує діючі на систему зовнішні навантаження; t – час або інший параметр, якщо досліджується процес. Для більшості випадків формулювати НДС зручніше в переміщеннях. В цьому випадку загальне рівняння (3) розписується у вигляді системи рівнянь в області ?, що займає конструкція:

2?ij=ui,j+uj,i; ?ij=Cijkl ?ij ?kl; ?ij, j+=0, (4)

де ?ij, ?ij – компоненти тензорів напружень і деформацій, зв’язок між якими задається тензором пружних постійних Cijkl; – складова об’ємного навантаження.

Співвідношення (4) доповнюються граничними умовами

, , (5)

де Su, S? – частини поверхні тіла, на яких задані геометричні і силові умови.

Як відомо, вихідні рівняння (3) – (5) приводиться до варіаційної задачі:

(6)

де – оператор; (*,*) – відповідна білінійна форма.

Варіаційна задача (6) зводиться до проблеми мінімізації квадратичного функціонала:

I(uM)=1/2(uM, uM)-(fM, uM)>min. (7)

Даний квадратичний функціонал складається з таких форм:

a(uM, ?M) (8)

b(uM) (9)

Співвідношення (3) – (9) складають розроблену в середовищі узагальненого параметричного опису математичну модель ВПК для визначення НДС її елементів.

Для числового розв’язання задачі мінімізації функціонала (7) часто застосовується метод Рітца з базисними кусочно-поліноміальними функціями – МСЕ:

In(qn) = 1/2Kijqiqj-biqi, i, j = 1,…n, (10)

де Kij = (L?i, ?j) – коефіцієнти матриці жорсткості конструкції K; ?i – базисна функція МСЕ; – елементи масиву вузлових навантажень; qi.– елементи вектора вузлових невідомих в розкладанні шуканої функції uN = qi·?i, i = 1,2,…,n.

Умови мінімальності (10) дають систему лінійних алгебраїчних рівнянь

K·q = b. (11)

Система (11) є канонічною системою рівнянь МСЕ.

Розділ 3 містить опис запропонованої спеціалізованої інтегрованої системи автоматизованого проектування та дослідження НДС елементів великогабаритних просторових конструкцій. Структурна схема системи зображена на рис. 2.

Рис. 2. Структурна схема спеціалізованої інтегрованої системи автоматизованого проектування та дослідження НДС елементів великогабаритних просторових конструкцій

Як видно із схеми, запропонована система поєднує великі потужності сучасних універсальних CAD/CAЕ/CAМ-систем з оперативністю та невисокою затратністю спеціалізованих модулів. Параметричний опис проектованої або досліджуваної конструкції, на основі якого створюється її вихідна геометрична модель, дозволяє в напівавтоматичному режимі створювати сімейства поточних геометричних та скінченно-елементних моделей і проводити багатоваріантні дослідження напружено-деформованого стану їх елементів та вирішувати задачі параметричного та структурного синтезу. Така система може бути застосована для аналізу та синтезу конструкцій різноманітної форми, для дослідження фізичних процесів різної природи, з різними граничними умовами. За допомогою запропонованої системи можуть створюватись і в подальшому використовуватись “експрес–моделі” і “експрес–системи” з метою прискорення розв’язання завдань аналізу та синтезу конструкцій. Створена для проектування рам ВЕУ великої потужності “експрес–система” організована за принципом наповнення і оперативного використання спеціальної бази даних (рис. ). По достовірній скінченно-елементній моделі рами проводяться розрахунки НДС від окремих одиничних та гравітаційного навантажень, а результати записуються в базу даних. Далі ця база даних використовується як “експрес–система”, оскільки дає можливість практично миттєво одержати параметри НДС від довільного навантаження на раму як лінійну комбінацію НДС від одиничних навантажень. Запропонований підхід до створення спеціалізованої інтегрованої системи може служити методологічною основою автоматизованого проектування конструкцій різноманітного призначення.

Рис. 3. Формування та використання бази даних для експрес–оцінки НДС рам ВЕУ

Далі в розділі дається опис геометричної та скінченно-елементної моделей рами ВЕУ великої потужності. Рама є просторовою зварною сталевою листовою конструкцією, призначеною для установки на ній генеруючих агрегатів ВЕУ. На головній частині рами встановлюються ротор і привід, на хвостовій – генератор та інше устаткування, призначене для перетворення механічної енергії вітру в електроенергію. Загальний вигляд рами ВЕУ великої потужності представлений на рис. 4.

Рис. 4. Загальний вигляд рами ВЕУ великої потужності

Геометрична модель рами має специфічну структуру. Це обумовлено завданням дослідження НДС не тільки стуктурних елементів рами, але й їх зварних з’єднань. З цією метою в моделях пластин рами, що приварюються, були виділені як окремі області об’єми висотою 2-4 товщини, а в пластинах, до яких вони приварюються, – об’єми скрізь всю товщину, немов продовження пластин, які приварюються. Таким чином, область простору ?, що займається рамою ВЕУ, представляється у вигляді сукупності підобластей ?j: (рис. 5, 6). Ця сукупність підобластей будується з міркувань якомога меншої їх кількості, можливості незалежного варіювання геометричних параметрів кожної з підобластей (при збереженні цілісності і зв’язності області ?), а також можливості надалі варіювати параметри скінченно-елементної сітки.

Рис. 5. Геометрична модель головної частини рами

Геометрична модель рами в цілому включає в себе власно раму, опори валу ротора та верхню частину башти ВЕУ. вона створена в середовищі Pro/engineer. Скінченно-елементна модель створена в системі ANSYS по імпортованій в неї геометричній моделі. Вона теж має свої специфічні особливості: всі “частинки” (підобласті ?j) області ? по можливості моделюються призматичними скінченними елементами, а всі зварні з’єднання розбиваються на топологічно регулярні сітки скінченних елементів; кількість шарів скінченних елементів по товщині пластин є величиною варійованою; для сполучення регулярних і нерегулярних скінченно-елементних сіток, сіток з різними типами елементів (наприклад, тетраедричних, що моделюють опори ротора ВЕУ, з призматичними, що моделюють раму) застосовуються рекомендовані в системі ANSYS процедури “склеювання”. Скінченно-елементна модель рами зображена на рис. .

Рис. 6. Геометрична модель областей зварних з’єднань головної частини рами

Рис. 7. Скінченно-елементна модель рами

У розділі 4 містяться результати багатоваріантних досліджень напружено-деформованого стану зон зварних з’єднань головної частини рами ВЕУ. Головна частина рами зварена з листового прокату товщиною 25-80 мм, хвостова – з листів товщиною 12-30 мм. Матеріал рами – сталь S235J2G3 DIN EN 10025/10164:1993/ EN10029:1991, клас А. Механічні властивості сталі: межа текучості ?T МПа; межа міцності ?В = 340-470 МПа; відносне подовження ? = 27Зварка виконана дротом BOHLER EMK-6 / ER70S-6 AWS A5.18-93 / G 38 4 M G3Si1, G 38 4 C G3Si1 EN 440 в середовищі вуглекислого газу. Згідно з технічними вимогами замовника зварні з’єднання головної частини рами повинні виконуватись з двостороннім симетричним скосом кромок і повним проплавленням. Зважаючи на велику трудомісткість виконання таких з’єднань, в даній роботі перевіряється обґрунтованість цих вимог і досліджується допустимість застосування менш трудомістких типів зварних з’єднань – з’єднань з неповним скосом кромок (з конструктивним непровлавленням) або взагалі без скосу кромок (таврові кутові шви). В процесі експлуатації рама зазнає дії навантажень, які розділяються на дві основні групи: навантаження, що діють в нормальних робочих умовах (виникають при обертанні ротора від тиску вітру; за своїм характером вони є циклічними і можуть викликати втомні руйнування елементів рами, розрахункова кількість циклів дії робочих навантажень складає 2?108); навантаження, що діють в екстремальних умовах (вважаються такими, що діють статично одноразово). Для перевірки міцності зварних з’єднань рами в екстремальних умовах задано чотири варіанти навантаження (табл. ). Для перевірки міцності зварних з’єднань в робочих умовах навантаження задані для одного циклу їх зміни залежно від величини кута обертання валу ротора (рис. 8, табл. 2).

Рис. 8. Графіки зміни компонентів навантажень за одне обертання валу ротора (один цикл)

Таблиця 1

Варіант

навантаження | Fxr,

кН | Fyr,

кН | Fzr,

кН | Mxr,

кН•м | Myr,

кН•м | Mzr,

кН•м

E1.1d1 | 441,0 | 185,4 | 102,2 | 2188,0 | -4689,0 | 1374,0

S1.1a1 | 307,4 | 16,0 | 84,8 | -34,4 | -179,3 | 2136,0

E1.1d1.1 | 413,2 | 155,4 | 52,2 | 3748,0 | -2911,0 | 1272,0

E1.1e | 374,0 | 134,0 | 123,0 | 1480,0 | -3860,0 | 1180,0

Таблиця 2

Кут

обертання

валу ротора | Fxr,

кН | Fyr,

кН | Fzr,

кН | Mxr,

кН•м | Myr,

кН•м | Mzr,

кН•м

0? | 44,4 | 0 | 41,3 | 0 | 631,0 | 97,0

90? | 77,7 | 32,5 | 75,1 | 633,5 | 0 | 291,0

180? | 111,0 | 0 | 41,3 | 0 | -631,0 | 485,0

270? | 77,7 | -32,5 | 7,5 | -633,5 | 0 | 291,0

Оскільки екстремальні навантаження рами вважаються статичними, перевірка міцності зварних з’єднань проводиться по умові: ?экв?R, де ?экв – еквівалентне за Мізесом номінальне напруження в зварному з’єднанні від екстремальних навантажень; R=?T /1,1=195 МПа – розрахунковий опір. На відміну від екстремальних, робочі навантаження є змінними, тому зварні з’єднання повинні бути перевірені на втомну міцність: ??max???V/?V; ??max???V/?V, де ??max, ??max – розмахи номінальних нормальних та дотичних напружень циклу; ??V, ??V – допустимі розмахи номінальних нормальних та дотичних напружень. Згідно з Правилами Німецького Ллойда з сертифікації ВЕУ та Єврокодом-3 для з’єднань з повним проплавленням при кількості циклів навантаження N=2·108 ??V=25 МПа, для з’єднань з неповним проплавленням ??V=12,7 МПа; ??V=30 МПа; ?V – коефіцієнт запасу міцності при розрахунку на втому, що приймається рівним ?V=1,25.

Міцність зварних з’єднань з повним проплавленням визначається по напруженнях в зоні переходу від основного металу до металу шва (перезіз 1–1 на рис. 9, а), а з’єднань з неповним проплавленням – по напруженнях як в зоні переходу від основного металу до металу шва, так і в критичному перерізі (переріз 2–2).

Рис. 9. Зварне з’єднання: а – реальна форма; б – геометрична модель

Оскільки в моделях зварних з’єднань рами (рис. 9, б) реальна форма шва не врахована (точне моделювання потребує надто великих витрат часу та комп’ютерних ресурсів), статична міцність зварних з’єднань перевірялась по еквівалентних напруженнях в точках А і В, а втомова – по розмахах номінальних напружень у з’єднаннях (тобто по розмахах напружень в перерізах 3–3) та по розмахах номінальних напружень в критичних перерізах 2–2, які обчислювались шляхом перерахунку через розмахи номінальних напружень у з’єднаннях (в перерізах 3–3).

Таблиця 3

Величини максимальних еквівалентних напружень при екстремальному навантаженні рами

№ шва | ?экв, МПа | № шва | ?экв, МПа | № шва | ?экв, МПа | № шва | ?экв, МПа | № шва | ?экв, МПа | № шва | ?экв, МПа

5 | 44,51 | 13 | 120,60 | 21 | 20,87 | 36 | 16,55 | 45 | 58,73 | 53 | 14,46

6 | 25,24 | 14 | 90,43 | 22 | 37,98 | 37 | 56,16 | 46 | 40,61 | 54 | 8,52

7 | 89,04 | 15 | 63,96 | 23 | 5,64 | 38 | 25,04 | 47 | 42,22 | 55 | 26,41

8 | 83,51 | 16 | 101,50 | 31 | 65,52 | 39 | 104,00 | 48 | 48,81 | 56 | 71,91

9 | 97,26 | 17 | 129,40 | 32 | 60,57 | 41 | 6,29 | 49 | 14,81 | 57 | 55,82

10 | 118,40 | 18 | 18,97 | 33 | 114,10 | 42 | 29,77 | 50 | 9,72 | 58 | 67,26

11 | 48,82 | 19 | 111,20 | 34 | 67,23 | 43 | 38,51 | 51 | 34,82 | 59 | 18,54

12 | 226,20 | 20 | 49,42 | 35 | 86,87 | 44 | 12,46 | 52 | 58,84 | 60 | 44,35

У табл. 3 наведені величини максимальних еквівалентних напружень за Мізесом в зварних з’єднаннях рами (в точках А і В) для найбільш важкого варіанту екстремального навантаження (варіанту Е1.1d.1.1), одержані в результаті розрахунків за допомогою запропонованої системи. Як видно з табл. , для всіх зварних швів, окрім шва № 12, величини еквівалентних напружень не перевищують розрахункового опору R= 195МПа, проте через локальність цих напружень (що підтверджено спеціальним аналізом) небезпеки втрати несучої здатності зварного шва №12 і рами в цілому немає. На рис.10 зображена картина еквівалентних напружень в рамі ВЕУ від дії екстремальних навантажень по варіанту Е1.1d.1.

Рис. 10. Картина еквівалентних напружень для варіанта навантаження Е1.1d.1

Розмахи напружень в зварних з’єднаннях від робочих навантажень знаходимо як напруження від розмаху навантажень (можливість застосування такої процедури виходить з лінійної залежності напружень від навантаження). Однак оскільки компоненти навантажень мають різні фази (див. рис. 8) і визначити безпосередньо розмах навантажень неможливо, діємо наступним чином. Цикл навантаження (одне обертання валу ротора ВЕУ) розбиваємо на інтервали (кратні 90? ) і для цих інтервалів знаходимо різницю кожного компоненту навантаження (табл. 4), далі для кожного інтервалу виконуємо розрахунок напруженого стану рами від комплексної дії різниць усіх відповідних компонентів навантаження. Максимальна різниця напружень, обчислених для кожного інтервалу (тобто для кожного рядка табл. ), становить розмах напружень циклу. Картини розмахів напружень ??x, ??y та ??z від дії робочого навантаження №1 зображені на рис. 11.

Таблиця 4

Величини різниць компонентів навантажень

№ | Інтервал зміни

кута обертання валу ротора | ?Fxr,

кН | ?Fyr,

кН | ?Fzr,

кН | ?Mxr,

кН·м | ?Myr,

кН·м | ?Mzr,

кН·м

1 | 90? – 0? | 33,3 | 32,5 | 33,8 | 633,5 | -631,0 | 194,0

2 | 180? – 0? | 66,6 | 0 | 0 | 0 | -1262,0 | 388,0

3 | 270? – 0? | 33,3 | -32,5 | -33,8 | -633,5 | -631,0 | 194,0

4 | 180? – 90? | 33,3 | -32,5 | -33,8 | -633,5 | -631,0 | 194,0

5 | 270? – 90? | 0 | -65,0 | -67,6 | -1267,0 | 0 | 0

6 | 270? – 180? | -33,3 | -32,5 | -33,8 | -633,5 | 631,0 | -194,0

Рис. 11. картини розмахів нормальних напружень в рамі ВЕУ від дії робочого навантаження № 1

Результати розрахунків показали, що рівень розмахів номінальних напружень в усіх зварних з’єднаннях, окрім невеликих ділянок з’єднань №№ 17, 19, 32, значно менший допустимого для з’єднань з повним проплавленням (??V/?V=20 МПа). Це дає підставу для обчислення величин розмахів напружень в критичних перерізах зварних з’єднань з метою визначення можливості виконання зварних з’єднань без повного проплавлення. Максимальні розмахи напружень в критичних перерізах найбільш навантажених зварних з’єднань рами наведені в табл. 5. Як видно, допустимий для зварних з’єднань з неповним проплавленням розмах номінальних нормальних напружень ??V/?V ,2 МПа перевищується в трьох зварних з’єднаннях – таврових з’єднаннях №№ , , , а допустимий розмах номінальних дотичних напружень ??V/?V  МПа не перевищується в жодному зварному з’єднанні. Це означає, що зварні з’єднання №№ , , на ділянках, де розрахункові розмахи напружень перевищують допустиме значення для з'єднань з неповним проплавленням, повинні виконуватися з повним проплавленням. Для решти ділянок цих зварних з’єднань, а також великої більшості всіх зварних з’єднань, що досліджувалися (загальна їх кількість становить 52 з сумарною довжиною близько 27 м), повне проплавлення виявилося зайвим.

Таблиця 5

Максимальні розмахи напружень в швах рами при робочому навантаженні

№ шва | Товщина приварюваної пластини Т, мм | Максимальні

розмахи

напружень, МПа | № шва | Товщина приварюваної пластини Т, мм | Максимальні

розмахи

напружень, МПа

уздовж

осі шва | поперек

осі шва | уздовж

осі шва | поперек

осі шва

14 | 25 | 7,8 | 5,7 | 3,9 | 32 | 25 | 10,5 | 5,7 | 4,2

17 | 50 | 12,0 | 3,5 | 0,5 | 33 | 25 | 9,4 | 6,0 | 4,4

19 | 50 | 18,1 | 6,9 | 0,4 | 34 | 25 | 8,4 | 5,2 | 0,3

22 | 50 | 9,1 | 3,4 | 0,5 | 35 | 25 | 9,1 | 7,3 | 0,5

31 | 40 | 7,3 | 3,7 | 0,5 | 43 | 50 | 8,5 | 2,7 | 0,5

Але для того, щоб перейти до розробки рекомендацій по конкретних формах зварних з’єднань, які були б менш трудомісткими і в той же час мали б достатні запаси міцності, потрібно було підтвердити достовірність одержаних результатів. Виконані з цією метою додаткові розрахунково-експериментальні дослідження описані в розділі 5.

Об’єктом цих досліджень через неможливість проведення експерименту безпосередньо на рамі ВЕУ була використана просторова зварна сталева силова листова конструкція з аналогічними рамі структурними елементами – траверса підвіски крюка козлового крана вантажопідйомністю 630 тс конструкції ВАТ “ГСКТІ” (рис. 12).

Рис.12. Траверса підвіски крюка козлового крана вантажопідйомністю 630 тс

Для числового дослідження напружено-деформованого стану траверси був, як і для рами, застосований метод скінченних елементів, а для експериментального – метод тензометрії. Загальна схема досліджень наведена на рис. 13.

Рис.13. Схема розрахунково-експеримен-тальних досліджень НДС траверси

Геометрична модель траверси побудована в пакеті SolidWorks-2006. Наявність в конструкції траверси, окрім тонкостінних, також і товстостінних структурних елементів вимагає використання для скінченно-елементної моделі просторових скінченних елементів. В данному випадку використовувався тетраедральний десятивузловий скінченний елемент, який забезпечує достатню точність опису НДС і апроксимації геометрії моделі, а також можливість генерації сітки в автоматизованому режимі. Скінченно-елементна модель траверси зображена на рис. . З метою дослідження залежності результатів розрахунків від якості скінченно-елементної сітки були проведені спеціальні розрахунки. Дослідження впливу розмірів скінченних елементів проводилося на трьох варіантах моделей траверси: з грубою сіткою, сіткою зі згущенням та дрібною (табл. 6).

Рис.14. Скінченно-елемент-на модель траверси

Епюри нормальних напружень по ширині нижнього поясу траверси при навантаженні 395 кН для трьох моделей наведені на рис. (по осі абсцис відкладена відстань від середини поясу у напряму кромки в мм). На рис.16 представлені картини компонент НДС траверси.

Таблиця 6

Якість сітки | Розмір

СЕ, мм | Похибка

апроксимації

геометрії, мм | Кількість

СЕ | Кількість

вузлів

груба | 60 | 1,25 | 28767 | 56728

зі згущенням | 50 | 1 | 49305 | 96562

дрібна | 25 | 1 | 180420 | 336145

Рис.15. Епюри нормальних напружень по ширині нижнього поясу в середньому перерізі траверси, МПа

Рис. 16. Картини еквівалентних за Мізесом напружень та переміщень

Порівняння результатів розрахунків показує, що прийняті в моделях розміри скінченних елементів на величини напружень і деформацій істотно не впливають, тобто істотного поліпшення результатів при використанні густої сітки не спостерігається. З цього виходить, що задовільні результати можна отримувати на моделях таких конструкцій при середніх розмірах скінченних елементів (близько 2-3 товщин елементу конструкції).

Для визначення потрібної кількості шарів скінченних елементів у товщині пластин конструкції були виконані розрахунки на моделях з одним, двома та чотирма шарами скінченних елементів.

Результати розрахунків показали, що кількість шарів скінченних елементів істотно не впливає на точність результатів розрахунку НДС. Можна стверджувати, що при такому характері НДС два шари квадратичних скінченних елементів забезпечують задовільну точність результатів. При експериментальному дослідженні НДС траверси проводилися виміри напружень на її верхньому та нижньому поясах за допомогою тензорезисторів КФ-5 з базою 20 мм. Схема розміщення тензорезисторів показана на рис. .

Рис.17. Схема розміщення тензорезисторів на поясах траверси

Величини напружень в досліджуваних точках, одержані шляхом розрахунку та експерименту, наведені в табл. 7. Там же даний і порівняльний аналіз результатів.

Таблиця 7

№

датчика | Напруження при навантаженні 3,15 МН

Експеримент, МПа | Розрахунок, МПа | Відносна різниця результатів, %

300 | -150,0 | -162,0 | 8 | 301 | -150,0 | -160,0 | 7 | 302 | 101,0 | 107,0 | 6 | 303 | 99,0 | 107,0 | 8 |

Як видно, спостерігається задовільна відповідність результатів розрахунків і експерименту. Це свідчить про те, що методика створення скінченно-елементної моделі траверси і виконання розрахунку її НДС можуть вважатись достовірними і використовуватись для проектування та досліджень металоконструкцій аналогічної структури при аналогічному характері НДС. Інакше кажучи, можна стверджувати, що і результати розрахунків НДС рами ВЕУ, одержані в розділі 4, можуть вважатись достовірними. Даний висновок дає обґрунтування можливості проведення подальшого аналізу НДС областей зварних з’єднань рами ВЕУ з метою раціоналізувати їх форму для зменшення трудомісткості технологічного процесу підготовки кромок під зварювання та виконання зварювальних робіт. По розрахункових схемах номінальних напружень для стикових та таврових зварних з’єднань з неповним проплавленням у корені шва одержані рівняння для визначення максимальної ширини непроплавлення, при якій розмахи напружень в крайніх точках непроплавлення не перевищують допустимого рівня. Для кожного вузла середньої лінії з кроком в півтовщини пластин кожного з 52-х зварних з’єднань одержані значення ширини непроплавлення, при якій забезпечується втомова міцність з’єднань на протязі двадцяти років експлуатації ВЕУ. Повне проплавлення потрібне лише на окремих ділянках трьох з’єднань, 35 з’єднань можуть виконуватися кутовими швами без скосу кромок, решта з’єднань може виконуватися частково з неповним проплавленням (тобто з неповним скосом кромок), частково - кутовими швами без скосу кромок. Впровадження в виробництво раціональних варіантів зварних з’єднань дало змогу виключити покривлення рами внаслідок деформацій від зварювання, а також на 70% зменшити обсяг механічної обробки пластин перед зварюванням, на 60% зменшити потрібну масу зварювальних матеріалів, втричі прискорити процес зварювання головної частини рами.

Використовуючи запропоновану в роботі спеціалізовану систему автоматизованого проектування та аналізу НДС та параметричні моделі рами, можна ставити та вирішувати оптимізаційні задачі. Вирішення, наприклад, задачі мінімізації маси рами із збереженням рівня напружень в конструкції в цілому та в зварних швах на рівні допустимих дає змогу на 20-25% зменшити товщини стінок та діафрагм рами і зменшити загальну масу рами приблизно на 1000 кг. Створена основа для подальшої постановки та розв’язання задач структурної оптимізації великогабаритних просторових конструкцій різних типів.

ВИсновки

1. У роботі запропоновано розповсюдження узагальненого параметричного опису складних механічних систем на великогабаритні просторові конструкції. На цій основі запропоновано математичну модель та технологію створення параметричних геометричних та скінченно-елементних моделей великогабаритних просторових конструкцій (ВПК) для дослідження їх напружено-деформованого стану (НДС), а також створена спеціалізована інтегрована система автоматизованого проектування і засоби експрес–аналізу елементів великогабаритних просторових конструкцій на прикладі рам ВЕУ великої потужності для забезпечення їх працездатності і довговічності, що в сукупності є розв’язанням актуальної і важливої задачі розробки методів і засобів їх автоматизованого проектування.

2. Запропонована в роботі комплексна модель для забезпечення системи автоматизованого проектування ВПК на основі моделювання їх напружено-деформованого стану відрізняється від традиційних підходів наскрізною параметричністю.

3. Розроблено структуру спеціалізованої системи автоматизованого проектування великогабаритних просторових конструкцій на базі універсальних CAD/CAЕ/CAМ -систем, з якими інтегруються спеціальні модулі для побудови та коректування поточних геометричних та скінченно-елементних моделей конструкцій, що проектуються. Реалізована за цією структурою система має ту перевагу, що, на відміну від існуючих, універсальні системи залучаються лише для моделювання фізико-механічних процесів, які відбуваються в досліджуваних об’єктах. Наскрізна параметричність геометричних та скінченно-елементних моделей дозволяє в напівавтоматичному режимі виконувати розрахунки НДС та виконувати параметричний та структурний аналіз та синтез елементів конструкцій.

4. За запропонованою структурою розроблено якісно нову спеціалізовану систему автоматизованого проектування великогабаритних просторових зварних конструкцій на прикладі рам вітроенергетичних установок великої потужності.

5. Описана в дисертації технологія створення “експрес–моделей” та “ експрес–систем” через розділення вимогливих до обчислювальних ресурсів етапів досліджень і етапів, менш вимогливих до них, служить основою для створення спеціалізованих баз даних і баз знань для конкретних типів досліджуваних конструкцій.

6. Застосування спеціалізованої САПР дало змогу вирішити завдання проектування рам ВЕУ в стислі терміни (витрати часу зменшені на 30%), з меншими витратами (економія – до 25%), з високою якістю (методи, моделі та результати досліджень були визнані замовником – фірмою “Nordex”, експертами Німецького Ллойда з сертифікації вітроенергетичних установок та експертами фірми “TUV-Nord”).

7. Проведені за допомогою запропонованої системи дослідження НДС елементів рами для ВЕУ потужністю 1,5 МВт по Технічному завданню замовника дозволили обґрунтувати можливість запровадити більш раціональні, ніж передбачено Технічними вимогами, форми зварних з’єднань та технологію їх виконання та забезпечити правильну геометричну форму рами та точність її розмірів. Це також дало можливість виготовлення рам з меншими на 41 кг витратами зварювальних матеріалів та з меншими витратами часу на 32 години на механічну обробку та на 31 годину на зварювання у розрахунку на одну раму.

8. Проведені із застосуванням створеної системи автоматизованого проектування дослідження дали можливість обгрунтувати працездатні конструктивні схеми, раціональні конструктивні параметри, технологічні режими виготовлення рам, що забезпечують необхідну якість та нормальне функціювання ВЕУ при числі робочих циклів навантаження 200 млн. протягом 20 років експлуатації.

9. Розрахунково-експериментальне дослідження елементів тестових конструкцій показало, що числові і експериментальні результати знаходяться в повній якісній і задовільній кількісній відповідності (різниця не перевищує 10%), що підтверджує достовірність використовуваних в роботі методів, алгоритмів, моделей і одержаних результатів.

Розроблені в дисертації теоретичні підходи, математичні методи, спеціалізована інтегрована система автоматизованого проектування можуть бути використані при проектуванні великогабаритних просторових конструкцій різноманітних типів.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗДОБУВАЧА

1. Ткачук Н.А, Орлов е.А., Головченко В.И., Гоголь Н.А. Экспресс–модели и экспресс–сис-темы для оперативного решения задач анализа и