MODELIROVANIE NAPRYaZhENNO-DEFORMIROVANNOGO SOSTOYaNIYa KONSOL'NOGO KABELEDERZhATELYa S ISPOL'ZOVANIEM METODA KONEChNYKh ELEMENTOV

Abstract

The results of calculations of the stress-strain state of iron Cable holder (console) type of CCHI used in the cabling to pass wells with the use of a complex of programs «Ansys». Theo- retically, the possibility of reducing the number of characteristic size (thickness of the bed, the thickness and shape of ribs) while retaining the strength characteristics of standard parts, which can significantly reduce the weight of the product, and therefore the cost of manufac- ture is confirmed.

С использованием комплекса программ «Ansys» рассматриваются результаты расчетов напряженно-деформированного состояния чугунных кабеледержателей (кон- солей) типа ККЧ, применяемых при прокладке кабелей в проходящих колодцах. Теоре- тически подтверждена возможность уменьшения ряда характерных размеров (тол- щина ложа, толщина и форма ребра жесткости) при сохранении стандартных проч- ностных характеристик детали, что позволяет существенно уменьшить массу изде- лия, а, следовательно, и себестоимость их изготовления. КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: кабеледержатель; метод конечных элементов; конечно- эле- ментная сетка; программный комплекс МКЭ; оптимизация размеров. В работе [1], посвященной экспериментальному исследованию нагружен- ности кабеледержателей (консолей) типа ККЧ, используемых в качестве опор при прокладке кабелей в проходящих колодцах, было получено, что применяе- мые в настоящее время чугунные консоли имеют чрезмерно большие размеры (толщину ребра и ложа, а также форму ребра жесткости). Все это приводит к излишним затратам материала и, как следствие, завышенной стоимости изде- лий. Было отмечено, что с использованием теоретических методов расчета на- гружения консоли имеется возможность подобрать указанные выше размеры сечений, позволяющие существенно уменьшить их массу при сохранении проч- ностных параметров, оговоренных в нормативных документах. Для пояснения сути проблемы коротко напомним схему нагружения и условия эксплуатации рассматриваемых деталей. Рис. 1. Общий вид одно-, двух- и трехручьевых консолей При прокладке кабелей в типовых проходящих колодцах их внутренние стенки оснащаются кронштейнами. К кронштейнам при помощи специальных консольных болтов крепятся чугунные (СЧ-20) кабеледержатели, имеющие в зависимости от необходимости от 1-го до 6-ти ручьев - лож (на рис. 1 показан общий вид одно-, двух- и трехручьевой консолей, а на рис. 2 - крепление кон- соли к кронштейну с помощью специального консольного болта). Консоли с одной стороны имеют ребро жесткости, позволяющее существенно снизить риск разрушения при приложении вертикальных нагрузок [2-5]. Рис. 2. Крепление консоли к кронштейну: 1 - консоль; 2 - консольный болт; 3 - кронштейн КПП При приемных испытаниях, закрепленная на кронштейне консоль, согласно действующим нормативам, должна выдерживать нагрузку в 1570 Н (160 кг), приложенную к крайнему ручью. Эксперименты показали, что даже самые на- груженные шестиручьевые консоли (они имеют наибольшие напряжения в опасных сечениях), не разрушаются и имеют большой запас по прикладывае- мой нагрузке. Таким образом, имеется возможность уменьшить основные пара- метры, влияющие на прочность детали, а именно: толщину ребра жесткости и ложа, а также изменить форму ребра жесткости. Решение этой задачи было проведено с использованием программного комплекса по методу конечных элементов [6]. В качестве базовой детали использовалась двухручьевая консоль, как наи- более применяемая. Ее конфигурация была смоделирована с помощью про- граммы Siemens NX9 Unigraphics. Прежде всего, была упрощена геометриче- ская форма консоли за счет устранения некоторых элементов конструкции, ко- торые, с нашей точки зрения, не влияют на полученные далее результаты, а именно, из модели были исключены все технологические фаски, скругления, литейные уклоны и т.д. Данная аппроксимация позволила построить качествен- ную конечно-элементную (КЭ) сетку, а также упростить и минимизировать время расчета в дальнейшем [7, 8]. Для генерации сетки были использованы методы протяжки и Body Sizing [9-11]. С помощью метода протяжки на одной из граней была сформирована 2D сетка, протянутая затем вдоль тела с помощью шага, тем самым формируя 3D сетку. Body Sizing формирует сетку, калибруя рассматриваемое тело консоли. Благодаря этим методам построения была сгенерированна упорядоченная структурированная КЭ сетка с регулярным расположением элементов, с минимальным количеством диспропорциональных включений и размером элемента 5 мм, что позволило провести в дальнейшем достаточно точный расчет (рис. 3). Расчеты напряженно-деформированного состояния детали под действием приложенной изгибающей нагрузки проводились с применением конечно- элементного пакета ANSYS 16.1. При этом были заданы граничные условия и ограничения (жесткая заделка на торцевой крепежной поверхности и сосредо- точенная на первом ручье нагрузка 1570 Н (160 кг). В качестве материала зада- вались свойства серого чугун марки СЧ-20 (предел прочности 200 МПа соглас- но ГОСТ 1412-85). На следующем этапе были проведены расчеты напряженно- деформиро- ванного состояния консоли, при этом варьировались значения двух параметров (толщины ребра жесткости и толщины ложа) в соответствии с приведенными в табл.1 данными, форма ребра жесткости сохранялась неизменной и соответст- вующей исходному состоянию. Рис. 3. Вид консоли и сгенерированная на ней конечно-элементная сетка Таблица 1. Значения параметров для проведения расчетов напряженно-деформированного состояния консоли № расчета Материал консоли Нагрузка, Н Толщина ребро, мм ложе, мм 1 СЧ-20 1570 8,0 8,0 2 СЧ-20 1570 6,0 8,0 3 СЧ-20 1570 4,0 8,0 4 СЧ-20 1570 6,0 6,0 5 СЧ-20 1570 6,0 4,0 6 СЧ-20 1570 4,0 6,0 7 СЧ-20 1570 4,0 4,0 На рис. 4; 5 приведены картины напряженного и деформированного со- стояния для двух резко различающихся вариантов расчетов. Проведенные расчеты показали следующие основные тенденции. 1. Минимальные значения деформаций находятся в зоне у заделки, затем они постепенно возрастают и максимальных значений достигают в зоне край- него ручья со стороны, противоположной ребру жесткости. 2. Напряжения имеют минимальные значения в крайнем ручье, затем по- степенно возрастают и достигают максимальных значений в центральной зоне внутреннего ручья, а затем по мере приближения к заделке они снова умень- шаются. 3. Численные значения деформаций малы и как ограничивающий фактор в дальнейшем могут не рассматриваться. 4. С точки зрения прочности, а это - основной параметр по которому оп- ределяется пригодность консоли, наиболее опасными являются центральные сечения ручья, расположенного у заделки. Рис. 4. Напряженно-деформированное состояние двухручьевой консоли (P =1570 Н, ? = 8 мм, ? = 8 мм) В табл. 2 приведены основные результаты проведенных расчетов, по кото- рым можно сделать следующие выводы. 1. Для двухручьевой консоли найдены минимально возможные значения толщин ребра жесткости и ложа (? = 4 мм, ? = 4 мм), при которых напряжения в опасном сечении консоли достигают предела прочности для чугуна марки СЧ- 20, равного 200 МПа. 2. Очевидно, что дальнейшее уменьшение толщин ребра жесткости и ложа нежелательно, так как это может привести к превышению действующих напря- жений над прочностными свойствами чугуна СЧ-20. 3. Уменьшение массы двухручьевой консоли в лучшем из просчитанных вариантов составляет 0,3 кг или 23,4%. 4. По нашей оценке уменьшение массы для трех-, четырех- и шестиручье- вых консолей будет еще более значительным, что однако требует проведения дополнительных расчетов [12]. Рис. 5. Напряженно-деформированное состояние двухручьевой консоли (P = 1570 Н, ? = 4 мм, ? = 4 мм) Таблица 2. Результаты расчетов двухместной консоли (чугун марки СЧ-20, нагрузка 1570 Н) № расч. Нагрузка, Н Особенность конструкции ?мах, мм ?max, МПа m, кг ?m, кг ребро, мм ложе, мм 1 1570 8,0 8,0 0,91 132 1,3075 0 2 1570 6,0 8,0 1,17 148 1,2689 0,0386 3 1570 4,0 8,0 1,37 179 1,2324 0,0751 4 1570 6,0 6,0 1,37 152 1,1558 0,1517 5 1570 6,0 4,0 1,66 171 1,0378 0,2697 6 1570 4,0 6,0 1,61 186 1,1194 0,1881 7 1570 4,0 4,0 1,94 202 1,0013 0,3062 В заключении укажем, что основные направления дальнейших исследова- ний по данной тематике с нашей точки зрения должны заключаться в следую- щем. 1. Проведение аналогичных расчетов с целью определения возможностей уменьшения массы для трех-, четырех- и шестиручьевых консолей. 2. Проведение подтверждающих экспериментальных исследований, анало- гичных опубликованным в работе [1] для консолей с измененными геометриче- скими параметрами. 3. Учитывая, что применяемые в настоящее время кабели имеют значи- тельно меньшую массу, чем ранее - внесение обоснованных изменений в тех- нические условия на консоли в сторону уменьшения предельных нагрузок при их приемке. 4. На основе полученных результатов переход при изготовлении консолей к новым материалам (пластикам, композитам) с целью повышения их эксплуа- тационных свойств, существенного снижения массы и уменьшении стоимости.