МОДЕЛИРОВАНИЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ КОНСОЛЬНОГО КАБЕЛЕДЕРЖАТЕЛЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МЕТОДА КОНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
- Авторы: ФРОЛОВ А.А.1, ВЕРХОВ Е.Ю.1, МОРОЗОВ Ю.А.1, ОРЛОВ М.А.2, МИХАЙЛОВ М.С.2
-
Учреждения:
- Московский государственный машиностроительный университет (МАМИ)
- Межотраслевой инжиниринговый центр композиционных материалов МГТУ им. Баумана
- Выпуск: № 6 (2016)
- Страницы: 52-58
- Раздел: Статьи
- URL: https://journals.rudn.ru/structural-mechanics/article/view/14620
Цитировать
Полный текст
Аннотация
Полный текст
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.Об авторах
АНДРЕЙ АВЕРКИЕВИЧ ФРОЛОВ
Московский государственный машиностроительный университет (МАМИ)
Email: akafest@mail.ru
т. 8(916)877-66-96 111250, Москва, Б. Семеновская, 38
ЕВГЕНИЙ ЮРЬЕВИЧ ВЕРХОВ
Московский государственный машиностроительный университет (МАМИ)
Email: akafest@mail.ru
канд. техн. наук, доц. 111250, Москва, Б. Семеновская, 38
ЮРИЙ АНАТОЛЬЕВИЧ МОРОЗОВ
Московский государственный машиностроительный университет (МАМИ)
Email: akafest@mail.ru
канд. техн. наук, доц. 111250, Москва, Б. Семеновская, 38
МАКСИМ АНДРЕЕВИЧ ОРЛОВ
Межотраслевой инжиниринговый центр композиционных материалов МГТУ им. Бауманаруководитель лаборатории преформинга, аспирант
МАКСИМ СЕРГЕЕВИЧ МИХАЙЛОВ
Межотраслевой инжиниринговый центр композиционных материалов МГТУ им. Бауманастудент
Список литературы
- Фролов А.А., Верхов Е.Ю., Морозов Ю.А. Экспериментальное исследование напряженного состояния конструкции консольного кабеледержателя // Строительная механика инженерных конструкций и сооружений. - 2015. - Вып. 4. - С. 71-75.
- Консоли [электронный ресурс] / ЗАО «Связьстройдеталь». Каталог. - Электрон. дан. (1 файл). - М.: ЗАО «Связьстройдеталь», 2014. - Режим доступа: http://www.ssd.ru/catalog/tile.php?ID=4172, свободный. - Загл. с экрана.
- Хруничева Т.В. Детали машин. Типовые расчеты на прочность. - М.: Инфра-М, 2009. - 224 с.
- Буланов Э.А., Шинкин В.Н. Механика. Вводный курс. - М.: БИНОМ. Лаборато- рия знаний, 2013. - 172 с.
- Шинкин В.Н. Механика сплошных сред для металлургов. - М.: Изд. Дом МИ- СиС, 2014. - 628 с.
- Tamarozzi T., Heirman G.H.K., Desmet W. An on-line time dependent parametric model order reduction scheme with focus on dynamic stress recovery// Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering. -1 January 2014. - Vol. 268. - P. 336-358.
- Коробко А.В., Прокуров М.Ю., Черняев А.А. Развитие технической теории расчёта пластинчатых конструкций на основе методов геометрического моделирования их формы // Строительство и реконструкция. - 2015. - № 1. - С. 17-21.
- Packo P., Bielak T., Spencer A.B., Uhl T., Staszewski W.J., Worden K., Barszcz T., Russek P., Wiatr K. Numerical simulations of elastic wave propagation using graphical processing units-Comparative study of high-performance computing capabilities// Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering. - 15 June 2015. - Vol. 290. - P. 98-126.
- Бруяка В.А., Фокин В.Г., Солдусова Е.А. и др. Инженерный анализ в ANSYS Workbench: учебное пособие. - Самара: Самар. Гос. Техн. ун-т, 2010. - 271 с.
- Морозов Ю.А., Верхов Е.Ю. Компьютерное моделирование: учебное пособие. - М.: МГОУ, 2011. - 81 с.
- Мусаев В.К., Дикова Е.В., Акатьев С.В., Стародубцев В.В., Самойлов С.Н. Оценка точности результатов численного моделирования при решении задач о распространении импульсного воздействия в виде треугольника в упругой полуплоскости // Строительная механика инженерных конструкций и сооружений. -2015. - №6. - С. 8-12.
- Морозов Ю.А., Верхов Е.Ю., Шульгин А.В. Моделирование процессов и объек- тов в металлургии: учебное пособие. - М.: МГОУ, 2010. - 121 с.
![](/img/style/loading.gif)