ИНФОРМАЦИОННЫ! ТЕХНОЛОГИИ
СУДОСТРОЕНИЕ 3'2014
щий условиям ГОСТ 25496—82, формулируется следующим образом.
Найти наилучшее изменение нерегламентируемых гостом, т. е. «управляемых» размеров
B{blq, Ц, b3, d„ d2} ^ opt , (1)
при соблюдении следующих условий: — полная масса якоря заданной держащей силы (по госту)
Pr = S Pe;
e=4
(2)
— положение центра масс якоря (по госту)
хе=4 Peze Xe=4Pe
(3)
— размеры якоря в сборе и его элементы е А и ск е С, где А, С — значения по госту;
— ось вращения коробки лап при вертикальном положении якоря выше центра тяжести лап
(VzJ > 1 ;
(4)
— обеспечивается прочность и функциональность изделия.
Задача является вариантной, так как условия (1)—(4), в принципе, могут быть выполнены при различных сочетаниях Ь- и 4, и решается методом последовательных приближений.
Алгоритм решения следующий:
1. Создается цифровой прототип якоря ПДС, соответствующего госту.
2. Выполняется корректировка цифрового прототипа за счет следующих мероприятий:
2.1. Снижение центра масс лап якоря соответствующим изменением «управляемых» параметров.
2.2. Подъем оси вращения на допустимый уровень.
2.3. Корректировка в рамках «управляемых» параметров блока оси вращения.
3. Расчет оптимизируемых параметров якоря и проверка выполнения условий (2)—(4), прочности и функциональности изделия.
4. Если все условия выполняются, то разработанный цифровой прототип якоря считается окончательным, если нет — повторно выполняются операции шага 2.
Технология «цифрового прототипа» поддерживает возможность динамического моделирования и анализ напряжений для полученного изделия. Динамическое моделирование позволяет оценить динамические характеристики изделия при различных внешних нагрузках, определяемых пользователем. Анализ напряжений на основе метода конечных элементов дает возможность спрогнозировать напряжения в сложной конструкции под воздействием различных внешних сил. Таким образом, практически полностью отпадает необходимость в разработке физического прототипа, что в итоге экономит материальные средства и время на выпуск новой продукции.
На основании проведенного моделирования были получены значения «управляемых» размеров, при которых якорь соответствовал требованиям задания.
Выполненная работа позволяет сделать заключение о возможности использования изложенного подхода при решении задач с объектами, имеющими сложную объемную геометрическую форму.
z=
r
О ДОПУЩЕНИЯХ ПРИ ИМИТАЦИОННОМ МОДЕЛИРОВАНИИ И РАСЧЕТЕ НА ПРОЧНОСТЬ КОРАБЕЛЬНЫХ ТОКОВВОДОВ
М. В. Тепляков, канд. техн. наук (ООО НПЦ «СЭС», e-mail: ses@npcses.ru), М. Д. Хазиева, аспирант, e-mail: temiva1948@yandex.ru
Если рассматривать токоввод устройства, эксплуатируемого под водой, как элемент или участок корпуса изделия, то одной из важнейших функций токоввода как элемента оболочки (корпуса) следует считать обеспечение прочности. Все остальные расчетные параметры становятся необходимыми и целесообразными только после подтверждения заданной прочности с учетом дополнительных устанавливаемых нормативами коэффициентов запаса.
В общем виде математическое описание токоввода для решения за-
дачи прочности представляется в виде общей функции:
°ввода = Оа; От; /' С 4
[р]; т О,; К0; Бв) , (1)
где О — внутренний диаметр расчетной детали; Оа — наружный диаметр расчетной детали; От — средний диаметр расчетной детали; / — расчетный коэффициент прочности;
— коэффициент прочности при ослаблении отверстиями; /с — коэффициент прочности при ослаблении
отверстиями с учетом укрепления;
— коэффициент прочности при ослаблении сварными соединениями; во — минимальная расчетная толщина стенки без прибавок при ф = 1,0 (ф — расчетный коэффициент прочности); 4 — диаметр отверстия в расчетной детали; [р] — допустимое расчетное давление; ^ — температура рабочей среды; О, — превышение температуры рабочей среды над средней температурой, связанное с режимными и гидродинамическими условиями; К0 — коэффициент, учитывающий ослабление отверстиями; Б^ — сумма диаметров отверстий1.
В данном описании приведены наиболее значимые факторы, но следует учитывать, что многие из них зависят от других, менее значимых факторов, т. е. предлагаемая модель является несколько приближенной к реальной. Также не учитываются отклонения свойств диэлектриков при объемном изменении физических нагрузок, таких как давление внешней среды. Не учтена возможность
1Тепляков М. В. К вопросу о моделировании при решении задач, связанных с поиском технических решений для конструкций современных то-ковводов//Судостроение. 2014. № 1.
Рис. 1. Типовая вставка токоввода
Рис. 2. Граничные условия для расчета прочности модели вставки токоввода
Рис. 3. Эквивалентные напряжения по Мизесу в исходной конструкции
Рис. 4. Эквивалентные напряжения по Мизесу в конструкции
с радиусами скругления и удаленной половиной герметика
насыщения изоляционных материалов окружающими их жидкостями, например электроизоляционной жидкостью. Неизвестны параметры гигроскопичности материалов в сочетании с электроизоляционной жидкостью при высоких давлениях и изменения диэлектрических свойств и прочности при насыщении материала. Предложенная модель может быть представлена системой уравнений, которые в последующем будут участвовать в расчетах. Расчеты могут выполняться как без применения вычислительной техники, так и при самом широком ее участии, и от выбранного варианта зависит длительность расчета, точность и универсальность. В данной работе для расчетов был использован программный пакет ANSYS.
Учитывая сложность решения многофакторной задачи с большим количеством переменных, необходимость унификации расчетов, исключения влияния субъективных факторов при проведении работ, была
поставлена задача создания методических основ для интерактивного расчета прочности вставок, которые являются основой токоввода (рис. 1). Предполагалось путем последовательного поиска оптимальных параметров по основным факторам автоматизировать расчет вставок токов-водов. То есть ход расчета и результаты не должны зависеть от того, кто в качестве пользователя выполняет расчет и на каком этапе.
В модели присутствуют медные контакты, конструкционный электроизолирующий материал (пресс-материал) и металлический корпус вставки токоввода.
В силу полной симметрии вставки токоввода и для экономии вычислительных ресурсов достаточно рассматривать одну шестую часть модели. Граничными условиями в данном случае выступают симметрия, закрепление корпуса в месте соединения с несущей перегородкой (монтажным полем), а также равномерно распределенное по площади
эксплуатационное давление с одной из сторон перегородки (рис. 2).
Рассматривается конструктивно нелинейная задача с контактным взаимодействием. Предполагается отсутствие адгезии между пресс-материалом и металлическим корпусом, используется контакт без трения. Поскольку пресс-материал обладает несколько более низким модулем упругости, чем у принимаемого в расчет металла, то максимальные напряжения возникают в материале металлического корпуса (рис. 3).
Если в процессе пожара происходит выгорание пресс-материала, то возможна ситуация, в которой он перестает поддерживать металлическую перегородку, при этом напряжения в металле значительно возрастают (рис. 4).
В качестве критерия прочности принимаются максимальные возникающие в модели напряжения по Мизесу. Анализ чувствительности показал, что основным параметром,
Рис. 5. Зависимость максимальных напряжений по Мизесу (Element Mean) от толщины перегородки
Рис. 6. Граничные условия для расчета прочности модели вставки, в которой отсутствуют медные проводники и герметик
влияющим на прочность вставки то-коввода является толщина перегородки. Зависимость напряжений от толщины является кубической, что следует из аналитических соображений (рис. 5). Таким образом, становится понятной целесообразность поиска оптимальной толщины, соответствующей балансу между выбираемым металлом и прочностью. В то же время стоит отметить, что в масштабах проекта возможность сэкономить металл на перегородке невелика, а гораздо более приоритетной является задача обеспечения прочности.
В силу конструкционных особенностей возможна ситуация, при которой медный контакт под действием внешнего давления с одной из сторон перегородок проваливается в отверстие вставки токоввода, сминая удерживающий его пресс-материал и удерживаясь только на специальных конструктивных элементах токопрово-дящего стержня (выступах). В этом случае теряется функциональное назначение токоввода, так как необхо-
димое сопротивление изоляции то-коведущего стержня по отношению к корпусу вставки не обеспечивается. Под критической разгерметизацией понимаем ситуацию, когда полностью отсутствует металлическая перегородка. Поэтому исключим из модели медные проводники и герметик. Исключив проводник, необходимо учесть равнодействующую давления, действовавшую на торец проводника в предыдущей модели. В остальном граничные условия схожи (рис. 6).
Теоретически было установлено, что снижение уровня напряжений в физически линейной постановке задачи до допустимого возможно только при наличии довольно больших радиусов скругления, выполнение которых конструктивно нецелесообразно. В связи с этим допускаем развитие пластических деформаций, что позволяет релаксировать возникающие механические напряжения (рис. 7).
В этом случае критерием критического состояния конструкции является не уровень напряжений и да-
же не уровень пластических деформаций, а целостность сечения и отсутствие пластических шарниров.
Для получения более точного решения используются алгоритмы автоматического сгущения сетки в области больших градиентов напряжений. В качестве критического значения деформации принято 0,2%, как соответствующее условному пределу текучести. Если такой уровень деформации был превышен во всем сечении по толщине, то конструкция считается потерявшей несущую способность (рис. 8).
Поскольку целью являлось создание автоматизированной системы принятий конструктивных решений, то описанные выше подходы не вполне применимы для решения поставленной задачи. Пре
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.