методика оценки работоспособности цистерны несущей конструкции при эксплуатационных нагрузках с помощью расчетных моделей МКЭ на этапах проектирования;

методика диагностирования повреждений типа вмятин, образовавшихся в процессе эксплуатации;

влияние конструкционных и эксплуатационных факторов на работоспособность цистерн несущей конструкции и рекомендации по совершенствованию цистерн такого типа.

Публикации. По материалам диссертации написано семь статей, из них 2 работы опубликованы в изданиях, рекомендованных ВАК.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, общих выводов, приложения и списка литературы из 146 наименований. Работа изложена на 172 страницах, включая 91 рисунок и 14 таблиц.

содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, даны характеристики состояния проблемы, сформулированы цель и задачи работы, научная новизна и практическая значимость.

В главе 1 представлен аналитический обзор отечественных и зарубежных источников, посвященных вопросам конструктивных и эксплуатационных особенностей автоцистерн. Анализируя состав парка автомобильных средств для транспортирования и заправки нефтепродуктов в России по результатам наблюдений в городах Москва, Красногорск (Московская обл.), Ростов (Ярославская обл.), Новомосковск (Тульская обл.) за 2004-2007 год, можно сделать вывод, что основную часть парка составляют автомобили-цистерны. Прицепы-цистерны (ПЦ) и полуприцепы (ППЦ) составляют меньший, но существенный процент от всего парка. Из рис. 1 видно, что ППЦ – наиболее перспективный тип автоцистерн в России и за рубежом. Их разовая вместимость (до 40 000 л) позволяет снизить загруженность дорог и сократить сроки доставки.

В последнее время для транспортировки нефтепродуктов все чаще стали использовать крупнотоннажные алюминиевые ППЦ, обеспечивающие высокую экономичность перевозок.

Многотоннажные ППЦ, как правило, имеют корпуса несущей конструкции, которые в эксплуатации воспринимают широкий спектр нагрузок: конструкционные, монтажные, эксплуатационные, ремонтные, аварийные. В работе внимание уделено систематизации и дополнению расчетных режимов нагружения в части эксплуатационных нагрузок для перспективного типа автоцистерн несущей конструкции.

В эксплуатации, корпуса цистерн несущей конструкции подвержены повреждениям различного рода. В связи с этим, проведен анализ причин потери работоспособности корпусов автоцистерн, рассмотрены основные типы дефектов и повреждений, которые существенно снижают прочность, приводят к течи корпуса и запорной арматуры. Наличие таких дефектов, появившихся в процессе эксплуатации, влечет за собой существенные потери перевозимого груза, приводит к финансовым издержкам, загрязнению окружающей среды и снижению безопасности перевозок. Рассмотренные дефекты, такие как усталостные разрушения, течь топлива по люкам и фланцам, коррозионный износ и др., достаточно исследованы, в то же время повреждения типа вмятин и изменение геометрии элементов конструкции, которые часто встречаются в эксплуатации (более 40%), рис. 2, недостаточно изучены. На практике часто встает вопрос о возможности дальнейшей эксплуатации цистерн с такими повреждениями.

Рассмотрены имеющиеся в литературе данные по вопросам эксплуатации, контроля технического состояния и ремонта автомобильных цистерн. Значительный вклад в области технической эксплуатации и обеспечения работоспособности подвижного состава автомобильной техники внесли такие ученые, как Афанасьев Л.Л., Бурков М.Е., Безверхий С.В., Коваленко В.Г., Кузнецов Е.С., Мирошников Л.В., Рыбаков К.В., Сыроедов Н. Е., Фаробин Я.Е., Якобашвили А.М., Яценко В.В., Mockel S., Pertzsch R. и др. Расчетам сложных тонкостенных металлоконструкций и машин, к которым относятся и корпуса автоцистерн, при различных видах нагружения посвящены классические работы Власова В.З., Ржаницына А.Р., Тимошенко С. П., Болотина В.В., Бидермана В.Л., Демьянушко И.В. и других авторов. Вопросам технической диагностики сложных механических систем посвящены работы Клюева В.В., Алешина Н.П., Зорина В.А., Гриба В.В. и др.

В настоящее время в России действует разработанная еще до 1990 г. система технического обслуживания и ремонта подвижного состава автомобильного транспорта, которая является результатом теоретических и экспериментальных исследований, выполненных специалистами ОАО «НИИАТ», ФГУП «НАМИ», МАДИ (ГТУ), МВТУ им. Баумана, ГОУ МГИУ, «ВНИИСТРОЙДОРМАШ» и других организаций. Требования по соблюдению прочности корпуса автоцистерны, указанные в ГОСТ Р 50913-96, направлены на проектирование автоцистерны и основаны на рекомендациях европейского соглашения о перевозке опасных грузов ДОПОГ. Данные рекомендации не отражают специфику современных большегрузных цистерн и описывают лишь общие предельные границы их расчета на прочность. Однако сложность конструкции, технологические и эксплуатационные повреждения современных автоцистерн заставляют искать подходы к оценке прочностных характеристик их корпуса с учетом большего количества влияющих факторов, чем это позволяют существующие методы. В связи с этим одной из задач данной работы является исследование работоспособности современных цистерн несущей конструкции в части прочности, не останавливаясь на сопутствующих проектировочному расчету вопросах устойчивости оболочки и устойчивости цистерны к опрокидыванию, которые достаточно полно изложены в работах указанных авторов.

В главе 2 обоснован выбор метода расчета и программного комплекса ANSIS для решения поставленных задач. Изложена методика оценки работоспособности цистерн несущей конструкции.

Метод конечных элементов (МКЭ) является универсальным численным методом для решения различных задач механики. Моделируемый объект, представляющий собой твердое тело, аппроксимируется совокупностью конечных элементов. Поведение каждого из них описывается соотношениями, связывающими величины внешней нагрузки с перемещениями точек элемента. В работе при создании конечно-элементных моделей были использованы конечные элементы (КЭ) shell - это двумерные четырехугольные поверхностные (плоские) элементы. Из большого многообразия данного типа элементов, для прочностного расчета корпуса автомобильной цистерны был выбран оболочечный изопараметрический конечный элемент с шестью степенями свободы в узле и параболической интерполяцией по перемещениям типа shell 93, который позволяет достаточно полно описать мембранную и изгибную составляющие деформации оболочки.

При формулировке соотношений конечных элементов, которые применялись в расчетах, использован вариационный подход, основанный на принципе минимума потенциальной энергии.

(П = ((V + W) = 0, (1)

где V – потенциальная энергия деформации пластины, W – потенциал внешних сил.

Предложенная методика оценки работоспособности корпуса цистерны состоит из следующих этапов: 1) создание КЭ модели на основании конструкторской документации (создание КЭ моделей отдельных зон, при необходимости детального анализа); 2) задание нагрузок: а) учет режимов нагружения (основные, проверочные), б) учет коэффициентов динамичности; 3) задание граничных условий; 4) расчет; 5) анализ полученных результатов.

Для проведения исследований была выбрана полуприцеп-цистерна несущей конструкции БЦМ 42.1 фирмы ЗАО «БЕЦЕМА». Данная конструкция за счет переменного сечения и большого спектра воспринимаемых нагрузок представляет особый интерес, к тому же у завода-изготовителя есть предпосылки снизить её металлоемкость. При построении модели корпуса использовались размеры в соответствии с конструкторской документацией (рис. 3). Номинальная вместимость цистерны 33 000 л; толщина стенки обечайки – 4 мм, днища – 5 мм; масса груженой цистерны – 38 000 кг; материал обечайки - сталь 09Г2С: (в=456 МПа; (т=268 МПа; [(т]=178.5 МПа.

Динамические нагрузки, возникающие при взаимодействии цистерны, через подвеску опорной тележки, с дорогой в расчетах учитывалась в соответствии с рекомендациями ГОСТ Р 50913-96, где цистерна и средства ее крепления на шасси АТС при номинальной загрузке нефтепродуктом должны выдерживать нагрузки, равные:

удвоенной массе цистерны и нефтепродукта - в направлении движения и в вертикальном направлении сверху вниз;

одной массе цистерны и нефтепродукта - в направлении, перпендикулярном направлению движения и в вертикальном направлении снизу вверх.

Коэффициенты динамичности, указанные в ГОСТе уточнены. Выбраны основные режимы нагружения, описывающие поведение цистерны несущей конструкции в эксплуатации (рис. 4, 5):

одновременное действие внутреннего давления и нагрузок от силы тяжести цистерны с топливом и с учетом вертикальной перегрузки ny;

Р=Рвн+ny(gh, (2)

где Рвн – внутреннее давление предохранительного клапана,

ny=2 – коэффициент вертикальной перегрузки согласно ГОСТ Р 50913 – 96, ( - плотность нефтепродукта, h – высота, соответствующая уровню заполнения цистерны;

одновременное действие внутреннего давления и нагрузок от силы тяжести цистерны с топливом, с учетом горизонтальной перегрузки nx, возникающих при торможении цистерны, коэффициент сцепления колес с грунтом ( = 0.8.

Р=Рвн+(gh+Рд, (3)

где Рд=Т/S – динамическая нагрузка на днище, где S - площадь днища, h – длина первого отсека, Т = Мтgnx – нагрузка на днище при гидроударе, Мт - масса перевозимого топлива в отсеке, nx = a/g – предложенный коэффициент осевой перегрузки при торможении, который позволит получить более точное представление о НДС в области днища в момент экстренного торможения, чем коэффициент динамичности n=2, рекомендованный ГОСТ.

Удвоенная сила тяжести самой цистерны задается как перегрузка, действующая на каждый элемент с ускорением 2g (опция ANSYS).

Предложены проверочные режимы нагружения (рис 6, 7):

одновременное действие внутреннего давления и нагрузок от силы тяжести цистерны с топливом и с учетом действия крутящих нагрузок;

одновременное действие внутреннего давления и нагрузок от силы тяжести цистерны с топливом и с учетом действия изгибающих нагрузок.

Точность расчета по предложенной методике зависит от корректности созданной КЭ модели, адекватности выбранных нагрузок, граничных условий и проверялась путем сравнения результатов расчета с экспериментальными данными исследований, проведенных ранее в МАДИ (ГТУ) на кафедре «Детали машин и теория механизмов».

Экспериментальные исследования прочности корпуса проводились для автомобильной цистерны несущей конструкции АРУП – 8. Испытания, результаты которых использованы при сравнении, проводились на гладком асфальтовом покрытии и при движении по синусоидальной неровности. Контроль напряжений производился с помощью тензометрических датчиков, наклеенных в соответствии со схемой (рис. 8). Результаты экспериментальных и численных исследований корпуса цистерны АРУП-8 при равномерном движении по гладкому асфальту представлены на графике (рис. 9).

Разница между результатами численного расчета и эксперимента составляют 10 -13% и является удовлетворительной при оценке точности расчета по программному комплексу ANSYS.

Глава 3 посвящена исследованию влияния эксплуатационных режимов нагружения на прочность корпуса цистерны несущей конструкции БЦМ 42.1.

При одновременном действии внутреннего давления и нагрузок от силы тяжести цистерны с топливом и с учетом вертикальной перегрузки ny=2 (см. рис. 4) суммарное давление в корпусе цистерны БЦМ 42.1 составит рсум= ny(gh + рвн = 49.5(103 Па. При наличии рессоры в опорах и граничных условий, которые задавались в соответствии с таблицей 1, в корпусе цистерны выявлена следующая картина напряженного состояния: в области перехода диаметров напряжения достигают (экв=40 МПа и сосредоточены преимущественно в местах сопряжения (рис. 10, 11). Из опор, наиболее нагруженной является первая опора ((экв=15 МПа), напряжения в области остальных опор не превышают (экв=10 МПа.