STRESS STATE OF A CANTILEVER CABLE HOLDER OF THE TYPE CCH-3; 4; 6

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Experimental studies of the loading of cable holders (console) type CCH, used as sup- ports for laying cables in passing wells, showed their excessively large dimensions (the thick- ness of the rib and bed), which leads to unnecessary material costs in the manufacture and, as a result, overestimation. Using the finite element analysis method in the software package Siemens NX via the NX NASTRAN solver, the intense state of cable holders (consoles) of the type CCH-3; 4; 6. As a geometric model, we used the solid solid model prepared in the Auto- Desk Inventor package. The possibility of reducing the size of the console, while maintaining load capacity, which can significantly reduce their materialoemkost without changing the strength parameters. The possible reduction in weight is approximately 22 ... 24% of the original value. Con- sidering that currently laid cables have a significantly lower mass, it is necessary to develop new GOSTs for the type of products to be considered. On the basis of the results obtained, it is also advisable to consider transition issues in the manufacture of consoles for new materials (plastics, composites, etc.) in order to increase their operational properties, further reducing the mass and possibly reducing costs

Full Text

Консоли, типа ККЧ (рис. 1) [1], согласно ГОСТ 8850-80, а также ТУ 45-87- 6е.413000, принятому в одном из основных поставщиков этой продукции ЗАО «Связьстройдеталь», Москва, должны изготавливаться литьем из серого чугуна марки не ниже СЧ-15 (ГОСТ 1412-85) [2]. Рис. 1. Форма и размеры поперечного сечения консоли ККЧ-2 Приемка готовой партии консолей осуществляется по многим параметрам, но одним из определяющих является их механическая прочность. Для этого консоль закрепляют болтовым соединением к несущей поверхности (полностью соответствует условиям эксплуатации), а с противоположной стороны в центре крайнего ручья прикладывается сила в 160 кг (1570 Н) с выдержкой под нагрузкой в течение 10 мин. После испытания производится внешний осмотр консоли на предмет появления трещин, механические повреждения не допускаются [3, 4]. Моделирование напряженно-деформированного состояния двухручьевой консоли ККЧ-2 (использовался комплекс программ «Ansys») показали возможность уменьшение массы детали на 23,4 % [5]. В настоящей работе проведены аналогичные расчеты других используемых типов консолей - трех-, четырех- и шестиручьевых с целью нахождения минимально возможных размеров ребра и ложа, а также массы изделий (рис. 2). Рис. 2. Геометрическая модель (вверху) и конечно-элементная сетка (внизу) 4-х ручьевой консоли ККЧ-4 Конечно-элементная сетка (программный пакет Siemens NX, решатель NX NASTRAN) создавалась в виде трехмерных тетраэдральных элементов с 10 узловыми точками на каждом элементе размером 5 мм [6, 7]. Для всех вариантов расчетов использовались одинаковые граничные условия - ограничение в виде «заделки» на плоскости, закрепляемой консольным болтом (рис. 3). Рис. 3. Плоскость закрепление («заделка») для консоли Стандартная сила 1570 Н прикладывается по линии в центре дальнего от заделки ложа, перпендикулярно оси консоли (рис. 4). Рис. 4. Схема приложения стандартной нагрузки по центру крайнего ложа Рис. 5. Распределение напряжений (МПа) для 3-х ручьевой консоли ККЧ-3 Рис. 6. Распределение напряжений (МПа) для 6-ти ручьевой консоли ККЧ-6 Для каждого вида консолей (ККЧ-3; 4; 6) были просчитаны 9 вариантов различных сочетаний толщин ребра жесткости и ложа с шагом 2 мм (табл. 1) [8]. Для самого неблагоприятного с точки зрения нагружения варианта расчета №9, ввиду минимальных толщин рассматриваемых элементов консоли, на рис. 5; 6 показаны характерные картины распределения продольных и поперечных напряжений в консолях ККЧ-3 и ККЧ-6. Таблица 1. Варианты расчетов для исследуемых консолей № расчета Материал консоли Нагрузка, Н Толщина ребро, мм ложе, мм 1 СЧ-20 1570 8,0 8,0 2 СЧ-20 1570 8,0 6,0 3 СЧ-20 1570 8,0 4,0 4 СЧ-20 1570 6,0 8,0 5 СЧ-20 1570 6,0 6,0 6 СЧ-20 1570 6,0 4,0 7 СЧ-20 1570 4,0 8,0 8 СЧ-20 1570 4,0 6,0 9 СЧ-20 1570 4,0 4,0 Отметим, что аналогичные по характеру распределения картины получены и для других вариантов расчета. Сводные результаты рассмотренных вариантов расчетов консолей типов ККЧ-3; 4; 6 представлены в табл. 2-4. Таблица 2. Результаты расчетов консоли с 3-мя ручьями ККЧ-3 № расч. Особенность конструкции Продольные напряжения, МПа Поперечные напряжения, МПа Масса, кг ребро, мм ложе, мм 1 8,0 8,0 139,74 37,89 1,944 2 8,0 6,0 149,63 55,39 1,777 3 8,0 4,0 160,24 62,83 1,613 4 6,0 8,0 172,03 42,72 1,832 5 6,0 6,0 177,88 69,22 1,654 6 6,0 4,0 202,41 72,22 1,481 7 4,0 8,0 226,94 57,96 1,720 8 4,0 6,0 249,40 70,95 1,532 9 4,0 4,0 272,68 89,32 1,350 Таблица 3. Результаты расчетов консоли с 4-мя ручьями ККЧ-4 № расч. Особенность конструкции Продольные напряжения, МПа Поперечные напряжения, МПа Масса, кг ребро, мм ложе, мм 1 8,0 8,0 154,55 45,91 3,186 2 8,0 6,0 165,90 59,68 2,660 3 8,0 4,0 175,91 63,86 2,434 4 6,0 8,0 192,24 47,06 2,661 5 6,0 6,0 206,61 62,90 2,419 6 6,0 4,0 222,81 72,53 2,180 7 4,0 8,0 255,20 63,06 2,434 8 4,0 6,0 288,36 74,41 2,179 9 4,0 4,0 308,50 84,08 1,928 Из анализа полученных результатов можно сделать следующие выводы. 1. Продольные напряжения существенно превышают поперечные напряжения. 2. Уменьшение размеров поперечного сечения приводит к росту напряжений, наиболее «опасные» продольные растягивающие напряжения возникают в верхних слоях, в то время как нижние слои остаются сжатыми. Таблица 4. Результаты расчетов консоли с 6-ю ручьями ККЧ-6 № расч. Особенность конструкции Продольные напряжения, МПа Поперечные напряжения, МПа Масса, кг ребро, мм ложе, мм 1 8,0 8,0 170,48 55,69 4,746 2 8,0 6,0 180,82 68,89 3,999 3 8,0 4,0 197,61 70,02 3,649 4 6,0 8,0 212,43 54,65 3,994 5 6,0 6,0 231,17 73,10 3,621 6 6,0 4,0 249,14 84,30 3,253 7 4,0 8,0 283,38 73,63 3,646 8 4,0 6,0 315,60 91,17 3,246 9 4,0 4,0 347,81 103,58 2,860 3. Для трех- четырех- и шестиручьевой консолей найдены минимально возможные значения толщин ребра жесткости и ложа (? = 6 мм, ? = 4 мм; ? = 6 мм, ? = 6 мм; ? = 8 мм, ? = 4 мм соответственно), при которых напряжения в опасных сечениях консолей находятся вблизи предела прочности для чугуна марки СЧ-20, принятого равным 200 МПа. 4. Возможное уменьшение массы составляет примерно 22…24 % от первоначальной величины. Однако учитывая большие исходные значения массы консолей ККЧ-3; 4; 6 по сравнению с ККЧ-2 абсолютные величины снижения расхода материала будут еще более значимыми. 5. Учитывая значительную потребность в указанных деталях (сотни тысяч штук в год) можно говорить о существенной экономии при их изготовлении и, как следствие, снижении цены. В заключении укажем, что основные направления дальнейших исследований по данной тематике с нашей точки зрения должны заключаться в следующем: - проведение проверочных экспериментальных исследований для консолей с найденными измененными геометрическими параметрами лож и ребра жесткости; - внесение обоснованных изменений в технические условия как по предельным нагрузкам при приемке консолей, так и уменьшении размеров толщин лож и ребер жесткости. Учитывая, что в настоящее время прокладываемые кабели имеют значительно меньшую массу желательно внесение изменений в технические условия касательно применяемых предельных нагрузок при приемочных испытаниях. Основываясь на проведенных исследованиях, необходима разработка новых ГОСТов на рассматриваемый вид изделий. На основе полученных результатов целесообразно также рассмотреть вопросы перехода при изготовлении консолей на новые материалы (пластики, композиты и т.д.) с целью повышения их эксплуатационных свойств, еще большего снижения массы и возможного уменьшении стоимости.

×

About the authors

АNDREY А FROLOV

Moscow Polytechnic University, Moscow, Russian Federation

Author for correspondence.
Email: afrol@inbox.ru

Сandidate of Engineering Science, graduated from the Moscow Institute of Steel and Alloys (MISiS). At present he is an assistant professor at the Moscow Polytechnic University. Scientific interests: metal working with pressure (OMD), molding of parts by casting methods and OMD

Russian Federation, Россия 111250, Москва, ул. Большая Семеновская, 38

YURY А MOROZOV

Moscow Polytechnic University, Moscow, Russian Federation

Email: akafest@mail.ru

Сandidate of Engineering Science, graduated from the Moscow State Evening Metallurgical Institute. At present he is an assistant professor at the Moscow Polytechnic University. Scientific interests: research and development with mathematical support of effective processes of metal working with pressure.

Russian Federation, Россия 111250, Москва, ул. Большая Семеновская, 38

EVGENIY Y VERKHOV

Moscow Polytechnic University, Moscow, Russian Federation

Email: uv.evg.yourich@mail.ru

Сandidate of Engineering Science, graduated from the Moscow state machine-building university (MAMI). At present he is an assistant professor at the Moscow Polytechnic University. Scientific interests: metal forming, shaping of parts by sheet stampin

Russian Federation, Россия 111250, Москва, ул. Большая Семеновская, 38

References

  1. Frolov, A.A., Verkhov, E.Yu., Morozov, Yu.A. (2015). Experimental study of the stress state of the structure of the console Cable holder, Structural Mechanics of Engineering Constructions and Buildings, (4), 71—75. (In Russ.).
  2. ZAO «Svyaz'stroydetal'». (2004). Konsoli [consoles]. Retrieved from: http://www.ssd.ru/catalog/tile.php?ID=4172. (In Russ.).
  3. Bulanov, E.A., Shinkin, V.N. (2013). Mekhanika. Vvodnyy kurs [Mechanics. Intro-ductory course]. Moscow: BINOM. Laboratoriya znaniy publ. 172. (In Russ.).
  4. Shinkin, V.N. (2014). Mekhanika sploshnykh sred dlya metallurgov [Continuum Me-chanics for metallurgists]. Moscow: MISiS publ. 628. (In Russ.).
  5. Frolov, A.A., Verkhov, E.Yu., Morozov, Yu.A., Orlov, M.A., Mikhaylov, M.S. (2016). Simulation of stress-strain state of the console Cable holder using the finite element method, Structural Mechanics of Engineering Constructions and Buildings, (6), 52—58. (In Russ.).
  6. Tamarozzi, T., Heirman, G.H.K., Desmet, W. (2014). An on-line time dependent par-ametric model order reduction scheme with focus on dynamic stress recovery. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, (268), 336—358.
  7. Korobko, A.V., Prokurov, M.Yu., Chernyaev, A.A. (2015). Development of the tech-nical theory calculation of plate structures based on the methods of geometrical modeling their shape. Building and reconstruction, (1), 17—21. (In Russ.).
  8. Morozov, Yu.A., Verkhov, E.Yu. (2011). Komp'yuternoe Modelirovanie [Computer simulation]. Moscow: MGOU publ. 81. (In Russ.).

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2018 FROLOV А.А., MOROZOV Y.А., VERKHOV E.Y.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.