Delist.ru

Разработка расчетных моделей и меодов оценки работоспособности цстерн несущей констукции (20.04.2009)

Автор: Мясницкий Роман Николаевич

Таблица 1

Степень свободы в опоре (Ox - ось цистерны) Опорная плита Опор. тел., ось 1 Опор. тел., ось 2 Опор. тел., ось 3

x,y,z (перемещение) -,-,- +,-,- +,-,- +,-,-

?x, ?y, ?z (угол поворота) ?+,+,+ -,-,- -,-,- -,-,-

При данном режиме нагружения расчетные напряжения соответствуют нормативным требованиям с коэффициентом запаса прочности nТ=6.7.

В соответствии с описанной во второй главе схемой нагружения (см. рис. 5), при торможении корпус цистерны должен выдерживать нагрузку равную Р=Рвн+(gh+Рд=67.94(103Па=0.07 МПа. При задании граничных условий во всех опорах исключены перемещения и повороты вокруг осей. При данных условиях закрепления эквивалентные напряжения в корпусе цистерны БЦМ-42.1 (рис. 11) в области опор опорной тележки составляют (экв = 25…30 МПа. В области опор опорной плиты напряжения достигают (экв=70 МПа и распределены по линиям перпендикулярным оси цистерны. В областях сопряжения переднего днища с обечайкой напряжения составляют (экв = 60 МПа. При условии, что для материала корпуса (сталь 09Г2С) цистерны [(т]=178.5 МПа, наибольшее расчетное напряжение соответствует нормативным требованиям с коэффициентом запаса прочности nТ=3.8.

При действии крутящего момента на корпус цистерны БЦМ 42.1 (см. рис. 6), нагрузка включает три компонента: весовое давлением груза (и элементов конструкции), рабочее предохранительного клапана и дополнительные крутящие нагрузки, возникающие при перераспределении массы груженой цистерны вследствие потери сцепления с дорогой колеса или ряда колес. В результате попадания левого ряда колес опорной тележки в яму они теряют сцепление с дорогой и цистерна заваливается на бок. Суммарное давление в нижней части корпуса составит рсум=34.8(103 Па. Крутящие нагрузки задавались с помощью граничных условий в соответствии с табл. 2.

Таблица 2

При действии крутящего момента, напряжения в корпусе цистерны достигают максимальных значений в средней части корпуса и составляют (экв = 120 МПа (рис. 11). В данном случае рассмотрена критическая ситуация, при которой возможен переворот цистерны, однако максимальные напряжения и в этом случае не достигают предельно допустимых значений (nТ=2.2).

При преодолении неровностей дороги (действие изгибающих нагрузок), передняя часть цистерны поднимается, в результате из трех задних пар рессор работает только последняя (см. рис. 7). Суммарное давление в нижней части корпуса в данном случае составит рсум= 34.8(103 Па. Изгибающие нагрузки задавались с помощью граничных условий в соответствии с таблицей 3.

Таблица 3

Степень своб. в опоре (Ox - ось цистерны) Опорная плита Опор. тел.,

ось 1 Опор. тел.,

ось 2 Опор. тел.,

x,y,z (перемещение) .+,+,- нет нет .-,-,-

?x, ?y, ?z (угол пов.) .-,-,- нет нет .-,-,+

При данном режиме нагружения напряжения перераспределились относительно ранее рассмотренных случаев и, в связи со спецификой конструкции ступенчато-переменного сечения, наибольшие напряжения приходятся на область перехода диаметров и их величина составляет (экв. = 70 МПа (nТ=3.8).

Проведенные исследования позволяют сделать вывод, что конструкция цистерны и применяемый для ее изготовления материал (сталь 09Г2С) соответствуют целевым назначениям и предполагаемым условиям эксплуатации с запасом прочности nТ = 3.8 при нормативном нагружении и запасом прочности nТ = 2.2 при расчетах на проверочные в данном случае аварийные нагрузки. При этом в эксплуатации, при плановых осмотрах и ТО, следует уделять внимание областям сопряжений днищ и обечайки, области перехода диаметров и опор. Следует отметить, что эксплуатационные нагрузки, такие как кручение и изгиб, существенно меняют картину напряженно-деформированного состояния цилиндрического корпуса автомобильной цистерны несущей конструкции и поэтому со временем повреждения могут появиться в таких областях, как нижняя часть корпуса между опорами и области заливной горловины.

Наряду с конструкционными факторами, в данной главе рассмотрено влияние эксплуатационных дефектов, типа вмятины на прочность корпуса.

Результаты расчетов показали, что напряжения в области вмятин зависят от большого числа геометрических и физико-механических факторов (геометрии конструкции, толщины стенки, глубины и диаметра вмятины, материала цистерны и т.д.). При наличии незначительных вмятин (глубиной не более 3 мм) для их устранения можно воспользоваться рекомендациями нормативных документов по среднему ремонту специализированного оборудования или ОСТ 26-291-94. В других случаях, для определения предельного состояния материала в области вмятины, можно рекомендовать использовать следующую методику. Рассчитав с помощью моделей МКЭ максимальное напряжение в области вмятины (рис. 12), следует сопоставить его с допускаемым значением. Если наибольшие значения эквивалентных напряжений не больше допускаемых (экв.max ( [(], то автоцистерна признается годной к дальнейшей эксплуатации. В том случае, когда максимальное эквивалентное напряжение оказывается больше допускаемого (экв.max ? [(], производится приближенный расчет по остаточным деформациям с учетом параметров упругопластического деформирования в местах концентрации напряжений, предложенный И.В. Демьянушко. Для этого на кривую деформирования ((-() проецируется процесс нагружения и разгрузки в точке корпуса цистерны при образовании вмятины, что позволяет оценивать способность материала работать в упругопластической области с учетом образовавшейся пластической деформации (рис. 13).

Например, для вмятины глубиной 4 см и диаметром 20 см пластическая деформация составляет ( = 10%. На кривой деформирования материала 09Г2С (см. рис. 13) данной пластической деформации соответствует напряжение в точке 1/. Построив из этой точки гиперболу (*(*=const (формула Нейбера), где (* и (* деформации и напряжения в конце фазы нагружения, известные из упругого расчета, путем пересечения кривой деформирования и линии нагрузки, получим напряжение (е в точке 1, соответствующее моменту образования вмятины.

Упругой разгрузке, при изменении напряжений на величину (е=(еmax и деформации на (е=(еmax соответствует точка 2. Так как точка 2 лежит на линии разгрузки и не выходит за пределы (Т-, то материал в области вмятины работает в упругой области и не представляет опасности при дальнейшей эксплуатации.

Глава 4 посвящена исследованиям прочности корпуса цистерны несущей конструкции из алюминиево-магниевого сплава.

Использование цистерн из алюминия в целом экономически выгоднее и удобнее, чем использование стальных цистерн и существенно повышает эффективность транспортировки нефтепродуктов. Однако, если экономическая сторона вопроса достаточно хорошо обоснована, то техническая нуждается в обосновании. С этой целью были проведены исследования напряженно-деформированного состояния корпуса автомобильной цистерны БЦМ-110.1 из алюминиево-магниевого сплава.

Для анализа прочности корпуса цистерны из легкого сплава в данной главе, в соответствии с конструкторской документации ЗАО «БЕЦЕМА», была разработана расчетная модель полуприцепа цистерны несущей конструкции, которая состоит из 52768 элементов с 158292 узлами. В качестве опор использовалась рессора. Вместимость цистерны 32 000 л; масса груженой цистерны – 31 000 кг; допускаемое расчетное давления от паров перевозимого нефтепродукта – pвн= 0.02 МПа. Толщина стенки обечайки и днища 6 мм; материал обечайки алюминиево-магниевый сплав АМг5М: (в=275 МПа; (т=130 МПа; [(т]=74 МПа. Корпус цистерны имеет 4 отсека. Сечение корпуса - эллипс.

Расчет корпуса цистерны при равномерном движении (см. рис.4) проводился в соответствии с граничными условиями, приведенными в таблице 1 (OZ–ось цистерны). Суммарное давление в нижней части корпуса рсум= рг.ст+ рвн = 42.8 ( 103 Па. Были рассмотрены два варианта: материал цистерны - алюминиево-магниевый сплав АМг5М; материал цистерны - сталь 09Г2С.

Результаты расчета напряженного состояния корпуса цистерны, изготовленного из материала АМг5М (рис. 14), показали, что в области опорной плиты, напряжения составляют (экв=10 МПа, в области опор опорной тележки - (экв=10…30 МПа. Внимание следует обратить на область стыка днища и обечайки, где напряжения достигают (экв=71 МПа, что является предельно допустимым значением [(т]=74 МПа.

Расчеты показали, что в корпусе цистерны эллиптической формы эквивалентные напряжения при разных режимах нагружения распределяются более равномерно, чем в цилиндрической конструкции ступенчато-переменного сечения. Наиболее опасным режимом нагружения является экстренное торможение (рис. 14). При давлении жидкого груза на переднее днище Рсум=0.06 МПа, напряжения в области стыка днища и обечайки при данном режиме нагружения составляют (экв=88 МПа, что превышает допускаемое значение для применяемого материала. В остальных областях корпуса напряжения составляют (экв=30…50 МПа, что соответствует запасу прочности nT=2.6.

Расчеты напряженно-деформированного состояния при изгибе и кручении также указывают на недопустимую концентрацию напряжений в области стыка днища и обечайки (экв.max=69…76 МПа и достаточно низкий рабочий диапазон напряжений в других областях корпуса (экв.max=10…35 МПа. В связи с этим были проведены дополнительные расчеты корпуса цистерны при увеличенном радиусе закругления в области стыка днища и обечайки с 60 до 100 мм, толщине днища 6 мм и толщине обечайки 5 мм (рис. 15), режим торможения 2.

Результаты дополнительных расчетов показали, что при указанных конструктивных изменениях корпуса цистерны БЦМ 110.1 из алюминиево-магниевого сплава уровень максимальных напряжений в области стыка днища и обечайки снизился до (экв.max = 60 МПа, при этом напряжения в других областях корпуса увеличились незначительно (на 10%) и составили (экв.max= 25…50 МПа (рис. 15). В данном исполнении корпуса коэффициент запаса прочности составляет nT=2.2.

Цистерна, изготовленная из стали 09Г2С тяжелее почти в три раза (без топлива) своего алюминиевого аналога. При равномерном движении наибольшие напряжения отмечены в области стыка днища и обечайки и составляют 75 МПа, при этом коэффициент запаса прочности nT = 3.6 (с учетом концентрации напряжений в области днища). Результаты проведенных исследований показывают, что при рациональном конструировании цистерн из алюминиево-магниевого сплава их прочностные показатели являются более предпочтительными с точки зрения оптимальной конструкции. Низкий вес цистерны и, как следствие, способность перевозить больший объем груза за один рейс позволят получить в течение всего срока службы цистерны значительно большую экономическую выгоду, чем разница в цене между стальной и алюминиевой цистерной. При этом следует отметить необходимость предусматривать надежное защитное ограждение при проектировании цистерн из легких сплавов.

Полученные результаты расчетов позволяют рекомендовать при изготовлении цистерны несущей конструкции БЦМ 42.1 из стали 09Г2С использовать толщину обечайки 4 мм, днища 5 мм. Для корпуса цистерны несущей конструкции БЦМ 110.1 из алюминиево-магниевого сплава рекомендуется в области стыка днища и обечайки увеличить радиус закругления с 60 до 100 мм и использовать при изготовлении толщину листа обечайки 5 мм, днища - 6 мм. Представленные рекомендации рассмотрены и одобрены специалистами ЗАО «БЕЦЕМА».

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Сформулированы и дополнены расчетные режимы нагружения для цистерн несущей конструкции:

при расчете на прочность от действия нагрузок, возникающих при режиме экстренного торможения, коэффициент из ГОСТ Р 50913-96 n=2 предложено заменить на n = a/g, что позволит получить более точное представление об НДС в области днища в момент экстренного торможения;

для цистерн несущей конструкции, в рекомендации ГОСТ Р 50913-96, предложено добавить расчеты на прочность при проверочных режимах нагружения (кручение и изгиб), что позволит определить дополнительные области, которым нужно уделять внимание при проектировании, так как области концентрации напряжений свойственные основным режимам нагружения в данном случае перераспределяются.

2. Созданы новые расчетные конечно-элементные модели, учитывающие особенности нагружения цистерн несущей конструкции, и предложены варианты граничных условий, отражающие поведение данного типа цистерн в эксплуатации. Предложенный подход к построению модели МКЭ может быть использован при создании расчетных моделей для анализа работоспособности цистерн различного типа на этапах проектирования и эксплуатации.

3. На основе собранной информации, внесенных дополнений и изменений предложена методика для оценки работоспособности корпусов цистерн несущей конструкции, которая позволяет достаточно быстро провести численный эксперимент с целью определения их оптимальных конструктивных и эксплуатационных параметров.

4. На основе предложенной методики проведена оценка работоспособности корпуса цистерны несущей конструкции из стали 09Г2С. На основании полученных результатов рекомендовано использовать при производстве данного типа цистерн толщину стенки обечайки 4 мм, днища 5 мм.

5. На основе предложенной методики проведена оценка работоспособности корпуса цистерны несущей конструкции из алюминиево-магниевого сплава АМг5М. На основании полученных результатов расчета рекомендовано увеличить радиус закругления в области стыка днища и обечайки с 60 мм до 100 мм и использовать при изготовлении толщину листа обечайки 5 мм, днища - 6 мм.

загрузка...