Конечно-элементный анализ металлоконструкции башенного крана в APM Structure3D

В настоящее время строительство развивается бурными темпами, на улицах городов возводятся новые здания, в числе которых и уникальные высотные сооружения, и торговые комплексы, и административные здания, и жилые многоэтажные дома. И, разумеется, такого рода строительство просто невозможно представить без применения современных башенных кранов, поскольку именно от надежности и эффективности работы строительных башенных кранов напрямую зависит сроки проведения строительных работ и качество готового строения.

Для оценки работоспособности крановых конструкций все больше применяется компьютерная техника в совокупности со специализированными программными продуктами для проведения целого комплекса расчетов, важнейшими из которых являются прочностные расчеты. Для этих целей предназначены современные конечно-элементные вычислительные комплексы. В отличие от ручного расчета, такие комплексы позволяют выполнить прочностные расчеты весьма сложной металлоконструкции и получить исчерпывающие данные по напряженно-деформированному состоянию каждого ее элемента. Использование конечно-элементных программных комплексов дает важное преимущество. Уже на этапе проработки технического задания конечно-элементный анализ позволяет определить, какие технические изменения необходимо внести в конструкцию для полного удовлетворения требований к ней. Все это возможно сделать, не прибегая к достаточно дорогим услугам специализированных проектно-конструкторских бюро, когда речь идет не о принципиальном изменении конструкции. При возрастании конкуренции важным показателем является также время выполнения расчета и количество занятых этим специалистов. Программа позволяет выполнить расчет в сжатые сроки.

Объект исследования

Рис. 1 – Общий вид крана

Для разработки и подготовки конечно-элементной модели, а также проведения расчетов использовалась система APM Structure3D российского программного комплекса APM WinMachine, разрабатываемого в Научно-техническом центре «АПМ» (г. Королев).

Подготовка модели металлоконструкции к расчету

Поскольку каждый из элементов конструкции крана является типовым и рассчитан для стандартной модификации, то для расчета целесообразно использовать модели, набранные из этих элементов.

Для конструкций, не требующих значительных технических изменений, которыми являются модульные системы кранов, расчет полной конструкции крана по сравнению с расчетом отдельных элементов является более удобным. Модель металлоконструкции башенного крана была создана в соответствии со сборочными и деталировочными чертежами (рис. 1) в полной сборке, т.е. для модификации крана с максимальной высотой подъема груза (40 м) и максимальным вылетом стрелы (50 м). Металлоконструкция моделировалась с помощью стержневых и пластинчатых (оболочечных) конечных элементов (рис. 2). Для моделирования оттяжек стрелы и противовеса применялся специальный тип стержневого конечного элемента – канат. Для создания геометрии составных сечений стержневых элементов и расчета их геометрических характеристик использовался встроенный графический редактор сечений.

2 – Модель металлоконструкции крана в APM Structure 3D

Связи между элементами конструкции моделировались как жесткие (сварные соединения), накладывающиеся на центры тяжестей сечений соответствующих элементов. Закрепления в основании башни представляют собой абсолютно жесткие опоры, т.е. не имеющие степеней свободы относительно соответствующих осей глобальной системы координат. Соединения секций стрелы и противовеса к оголовку моделировались связями с одной вращательной степенью свободы.

Нагрузки и комбинации загружений

Во-первых, нагрузка от веса поднимаемого груза. Полезная нагрузка с учетом 25% перегрузки прикладывалась к стреле в четырех точках, моделирующих ролики тележки, в соответствии с графиком грузоподъемности в зависимости от вылета стрелы. При повороте стрелы от действия сил инерции груза возникает боковая составляющая данной нагрузки, которая учитывалась заданием возможного максимального угла отклонения грузового каната от вертикали. Для основных сочетаний нагрузок вес полезного груза моделировался сосредоточенными силами в соответствующих узлах, а для особых (с учетом сейсмического воздействия) – сосредоточенными массами. Расчет проводился для пяти различных вылетов грузозахватного устройства.

Во-вторых, нагрузка от ветра. Ветровая нагрузка на металлоконструкцию учитывалась в соответствии с ГОСТ 1451-77* (2003) «Краны грузоподъёмные. Нагрузка ветровая. Нормы и метод определения» для VI ветрового района и рассчитывалась в зависимости от изменения динамического давления ветра по высоте и от аэродинамических коэффициентов элементов конструкции. В соответствии с этим же ГОСТом учитывалось и ветровое давление на полезный груз в зависимости от его массы.

В-третьих, сейсмическая нагрузка. Сейсмическая нагрузка в расчете учитывалась в соответствии со СНиП II-7-81* (2000) «Нагрузки и воздействия». Сейсмичность района установки крана в соответствии с техническим заданием – 9 баллов; количество собственных форм, учитываемых в расчете – 20.

И, наконец, собственный вес конструкции. Обязательными для ввода исходными данными являются параметры материала, для выбора которых помогает встроенная база данных с более чем тысячью записей, а также поперечные сечения элементов, для задания которых тоже можно использовать базы, поставляемые вместе с расчетной программой. При наличии описанных данных учет веса конструкции системой APM Structure3D производится автоматически. Так как металлоконструкция крана моделировалась только несущими элементами, то номинальный (в соответствии с технической документацией) вес крана «добирался» искусственным увеличением плотности соответствующих узлов. В расчете также учитывался вес отдельных узлов крана (монтажной секции, приводов, балластных блоков, кабины и т.д.) в статическом расчете моделируемых силами в соответствующих узлах, а для расчета с сейсмическим воздействием – массами.

После задания всех, оговоренных в техническом задании, нагрузок по отдельным загружениям, были созданы 24 комбинации загружений, в которые каждое из загружений вошло с коэффициентом равным 1. Результаты расчета представлены для одной из таких комбинаций (рис. 2-3).

Рис. 3 – Карта эквивалентных напряжений по Мизесу

Анализ результатов

Система APM Structure3D обладает широким спектром возможностей по выводу результатов. Цветные карты распределения напряжений (рис. 3) и перемещений (рис. 4), внутренних усилий и коэффициентов запаса прочности позволяют очень точно и быстро определять наиболее опасные места в конструкции. Программа также обеспечивает возможность заглянуть внутрь элементов и увидеть распределение возникающих внутренних силовых факторов. Для более полного представления результатов пользователю дана возможность строить эпюры различных силовых факторов на 3D модели конструкции, выводить реакции в опорных точках, оценивать общие параметры, такие как масса, максимальные напряжения, перемещения, а также выводить сводную таблицу расхода по элементам металлоконструкции.

Рис. 4 – Карта перемещений и форма потери устойчивости

Были сделаны выводы о необходимости снижения номера ветрового и сейсмического районов установки крана, а также даны рекомендации по усилению металлоконструкции для обеспечения несущей способности.

Выводы