Разработка методики поиска рациональных конструктивных решений по грузоподъемным машинам наземных комплексов

Со Мин У

Разработка методики поиска рациональных конструктивных решений по грузоподъемным машинам наземных комплексов тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.06 ВАК РФ

Со Мин У АВТОР

кандидата технических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Москва МЕСТО ЗАЩИТЫ

2011 ГОД ЗАЩИТЫ

01.02.06 КОД ВАК РФ

Диссертация по механике на тему «Разработка методики поиска рациональных конструктивных решений по грузоподъемным машинам наземных комплексов»

Автореферат диссертации на тему "Разработка методики поиска рациональных конструктивных решений по грузоподъемным машинам наземных комплексов"

005003282

На правах рукописи

Со Мин У

РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ПОИСКА РАЦИОНАЛЬНЫХ КОНСТРУКТИВНЫХ РЕШЕНИЙ ПО ГРУЗОПОДЪЕМНЫМ МАШИНАМ НАЗЕМНЫХ КОМПЛЕКСОВ

Специальность: 01.02.06 - Динамика, прочность машин, приборов

и аппаратуры

- 1 ДЕК 2011

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2011

005003282

Работа выполнена на кафедре «Стартовые комплексы» «МАТИ» - Российского государственного технологического университета имени К.Э. Циолковского

Научный руководитель:

- кандидат технических наук, доцент Торпачев А.В.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук Бояков И.А.

- доктор технических наук Гончар А.Г.

Ведущее предприятие: Филиал ФГУП «ЦЭНКИ» - КБ «Мотор»

Защита состоится « 22 » декабря_2011г. в «15-00» часов на заседании

диссертационного совета Д 212.110.07 в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «МАТИ» -Российском государственном технологическом университете имени К.Э. Циолковского (МАТИ) по адресу: 121552, г. Москва, ул. Оршанская, д.З, аудитория 113-В.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «МАТИ» - Российского государственного технологического университета имени К.Э. Циолковского (МАТИ).

Автореферат разослан «_» _ 2011 г.

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу: 121552, г. Москва, Г-552, ул. Оршанская, д.З, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «МАТИ» - Российский государственный технологический университет имени К.Э. Циолковского (МАТИ), ученому секретарю диссертационного совета Д 212.110.07.

Ученый секретарь диссертационного

света Д 212.110.07, к.т.н., доцент <._ В.А. Чуфистов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации

На современном уровне развития аэрокосмической техники эффективность разрабатываемых изделий в значительной мере зависит от степени совершенства процессов их подготовки к применению. Эта зависимость особенно существенна при реализации современной стратегии параллельного проектирования, когда компоновочные, конструктивно-силовые схемы и расчет характеристик изделий и технологического оборудования наземного комплекса должны выполняться одновременно, причем на ранних стадиях проектирования. Только такой подход может обеспечить принятие рациональных проектно-конструкторских решений при создании универсальных наземных комплексов (НК), обеспечивающих подготовку к применению целых семейств изделий различной конфигурации, когда требуется учет заданных ограничений, индивидуальных особенностей по каждому варианту, а сам процесс проектирования носит компромиссный характер.

Перечисленные выше особенности в полной мере относятся к грузоподъемным машинам наземных комплексов (ГПМ НК), которые обеспечивают выполнение всех видов подъемно-перегрузочных и монтажно-стыковочных работ при подготовке изделий к применению. Однако в многочисленной научно-технической литературе отсутствуют результаты разработки математических моделей для статического и динамического анализа ГПМ НК и их элементов, а также алгоритмов и программ исследования динамики и прочности ГПМ НК с учетом особенностей механического нагружения, которые необходимы для принятия рациональных конструктивных решений при создании перспективных ГПМ НК на основе комплексных критериев, охватывающих такие характеристики, как значения наибольших напряжений,- величины динамической жесткости металлоконструкций ГПМ НК, их массогабаритные арактеристики, себестоимость и трудоемкость изготовления металлоконструкций, также другие критерии.

Поэтому исследования, направленные на изучение методами механики' й вы-ислительной математики поведения грузоподъемных машин перспективных на-" емных комплексов и закономерностей механических процессов, имеющих место в х конструкциях и элементах, являются актуальной научно-технической задачей для эрокосмической отрасли промышленности.

Цель работы

Целью выполнения диссертации является разработка научных подходов и ин-трументальных средств рационального проектирования новых поколений грузо-одъемных машин наземных комплексов.

Для достижения поставленной цели в диссертации были решены следующие еоретические и практические задачи, результаты которых выносятся на защиту:

- математическое моделирование ГПМ НК и их несущих элементов при ста-ических и динамических воздействиях;

- разработка алгоритмов и программ для исследования динамики и прочности ПМ НК с учетом особенностей механического нагружения;

- разработка методики поиска рациональных проектно-конструкторских ре-ений при создании ГПМ НК, включая выбор силовых схем и материалов, расчет и ценку наибольших напряжений, динамической жесткости, массогабаритных и дру-их характеристик ГПМ НК.

Научная новизна

1. Получены новые аналитические и численные решения в части оценки прочности металлоконструкций ГПМ НК при статических воздействиях, а также в аспектах исследования поведения и механических процессов в конструкциях и элементах мостовых ГПМ технических комплексов при динамических воздействиях.

2. Разработана новая методика поиска рациональных решений при конструировании ГПМ НК, включающая выбор силовых схем, размеров, решение компоновочных задач при проектировании ГПМ НК и обеспечивающая многокритериальную параметрическую оценку конструктивных решений.

3. Получены новые результаты анализа и рекомендации по численным исследованиям конструкторско-технологических решений для ГПМ НК.

Достоверность результатов и выводов

Полученные при выполнении диссертационной работы результаты строго обоснованы математическим аппаратом теории упругости, применением точных методов вычислительной математики, численных методов анализа на основе интегральных критериев эффективности, дискретных методов поиска рациональных конструктивных решений с учетом заданных ограничений.

Достоверность решения задач в диссертации подтверждена сравнением численных результатов с известными аналитическими решениями и сопоставлением полученных результатов с результатами других авторов.

Практическая значимость и реализация результатов

Созданы новые алгоритмы и программы, предназначенные для:

- исследования прочности металлоконструкций ГПМ с учетом особенностей функционирования наземных комплексов;

- анализа динамики и прочности мостовых ГПМ НК средствами программного комплекса

- оценки показателей эффективности, отработки технологичности ГПМ НК и оформления результатов проектирования.

Результаты диссертации предназначены к применению при создании ГПМ НК для получения рациональных конструктивных решений и характеристик с использованием полученных математических моделей, разработанных алгоритмов, программ исследования динамики и прочности ГПМ НК и методики поиска проектно-конструкторских решений.

Результаты диссертации внедрены в учебный процесс на кафедре «Стартовые комплексы» «МАТИ» - Российского государственного технологического университета им. К.Э. Циолковского при подготовке бакалавров и магистров по направлению «Авиа- и ракетостроение» в рамках дисциплин «Строительная механика конструкций и сооружений» и «Динамика конструкций и сооружений».

Апробация и опубликование результатов работы

Результаты выполненных исследований и практических разработок отражены в 8 публикациях (в том числе 3 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ для опубликования результатов диссертационных исследований).

Результаты работы докладывались и прошли публичное обсуждение на научно-технических конференциях и семинарах: ежегодных международных молодежных научных конференциях «Гагаринские чтения» 2005-2010 гг.; ежегодных всероссийских конференциях «Академические чтения по космонавтике памяти С.П.Королева и других отечественных ученых-пионеров освоения космического пространства» 2008-2011 гг.; международной конференции «Российский образова-4

тельный форум» 2006 г.; открытых конференциях и семинарах молодых ученых и специалистов, проведенных КБ транспортного машиностроения в 2006-2009 гг. и др.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка (114 наименований), двух приложений; изложена на 164 страницах машинописного текста и содержит 68 рисунков и 12 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, дана общая характеристика работы, сформулирована цель исследования, приведены применяемые методы исследований и научная новизна.

В первой главе работы представлены результаты рассмотрения ГПМ НК как объекта диссертационных исследований: рассмотрены основные разновидности ГПМ НК и их основные параметры; приведены результаты анализа особенностей конструкции и процессов функционирования различных видов ГПМ НК; рассмотрены основные требования, предъявляемые к ГПМ НК при проектировании; выполнена постановка задач диссертации и разработана методологическая схема исследований.

Большую работу в области развития подъемно-транспортного машиностроения и создания условий для безопасной эксплуатации ГПМ НК проводят научные и учебные заведения, среди которых следует отметить МГТУ им. Н.Э. Баумана, МАДИ (ТУ), «МАТИ» - РГТУ им. К.Э. Циолковского, МГОУ, ВНИИПТМАШ, НПО «Стройдормаш», НИИСК, Гостехнадзор России и т.п. Значительный вклад внесли в эту отрасль профессора И.И. Абрамович, М.П. Александров, Н.Г. Братусь, В.И. Брауде, A.B. Вершинский, A.A. Зарецкий, H.A. Лобов, А.Н. Орлов, С.А. Соколов и другие ученые. Головными организациями, занимающимися определенными типами ГПМ НК, являются НИИСК - Филиал ФГУП «ЦЭНКИ» и его конструкторские бюро (КБТМ, КБОМ, КБ «Мотор», ОКБ «Вымпел» и др.), ВНИИПТМАШ; ВНИИСТРОИМАШ; ОКТБ башенного краностроения; ВКТИ «Монтажстроймеха-низация»; ВНИИ в г. Ржев; НТЦ «Строймашавтоматизация».

По итогам исследования результатов и наработок перечисленных организаций, научных школ и учебных заведений выполнена постановка основных задач, решаемых в диссертационной работе, в качестве которых выбраны математическое моделирование поведения ГПМ НК и их несущих элементов при статических и динамических воздействиях; исследование динамики и прочности ГПМ НК с учетом особенностей механического нагружения; поиск рациональных проектно-конструкторских решений, включая выбор силовых схем и материалов, расчет и оценку наибольших напряжений, динамической жесткости, массогабаритных и других характеристик ГПМ НК.

Во второй главе диссертации представлены результаты математического моделирования поведения ГПМ НК и их несущих элементов при статических и динамических воздействиях.

1. Сформированы матрицы прочности силовых элементов металлоконструкции ГПМ НК, на основе которых с применением метода конечных элементов созданы соответствующие математические модели.

Полученные в диссертации матрицы прочности для металлоконструкций ГПМ НК в системе координат Jt, у для элемента с узлами i, j имеют вид

к =

щ V, из ь Ь

ЕА Ь 0 0 ЕА 0 0

0 12 Е1 6 Е1 0 12 Е1 6Е1

¿3 1} ]} 1}

0 Ш 4 Е1 0 6 Е1 2Е1

1} Ь 1} Ь

ЕА Ь 0 0 ЕА Ь 0 0

0 12 Е1 6 Е1 0 12 Е1 6 Е1

Ьъ 1} 1) 1}

0 6 Е1 2Е1 0 6Е1 Ш

1} Ь 1} ь

где Ь - длина конечного элемента; А - площадь поперечного сечения; / - момент инерции поперечного сечения; Е - модуль упругости; и,, и ■ - продольные осевые

смещения в рассматриваемых узлах; V,, vJ - прогиб в узлах / и у; в,, в} - углы поворота сечений узлов относительно оси г (в = сМсЬс).

2. Осуществлено исследование прочности металлоконструкций ГПМ НК при статических воздействиях при продольном нагружении, при чистом сдвиге, при совместном действии продольного нагружения, сдвига, местного сжатия и их различных композициях.

а)

с«,

В)

г)

+ + + 1 < \

Рис. 1. Расчетные схемы пластин металлоконструкции ГПМ НК (штриховой линией показаны шарнирно опертые кромки): а - без ребер; б - с ребрами; в - размещение двухсторонних ребер; г - размещение односторонних ребер; 1 - ребра.

Элементы листовых, тонкостенных конструкций (пояса, стенки балок, диафрагмы, ребра жесткости и т.п.) ГПМ НК представляют собой пластины, которые могут под действием нормальных (сжимающих) и касательных напряжений потерять в результате деформирования свою форму или устойчивость. Две противоположные кромки таких пластин нагружаются линейно изменяющимися по ширине пластины нормальными напряжениями (рис. 1), эпюры распределения которых описываются уравнением

<т(У) = °Пш<\-Гу/<1), (2)

где сгтах - наибольшее сжимающее напряжение на кромке у = 0; у = 1 - сгт!п /сгтах

- параметр нагружения; <тт;п - напряжение на кромке у = (1 (растягивающие напряжения считаются отрицательными); с1 - ширина пластины.

Критическое напряжение для пластин металлоконструкций ГПМ НК без ребер рассчитывается по формуле

сгс = к5ас0 = к, < ат [МПа], (3)

3(1 -И ) а

где ас0 - критическое напряжение для шарнирно опертой по контуру одноосно сжатой пластины толщиной шириной с1 и бесконечно большой длины (а/й?-»оо); Е - модуль упругости материала; // - коэффициент Пуассона; ат - предел текучести материала пластины; к5 - коэффициент прочности, отражающий влияние условий закрепления и распределение напряжений в металлоконструкции ГПМ. Значение коэффициента к5 было уточнено при выполнении диссертационных исследований исходя из соответствующих конструктивно-компоновочных решений ГПМ НК и конкретных применяемых схем закрепления.

При 0<у<2 и а = а)с1 >0,4 коэффициент прочности для шарнирно опертой по контуру пластины металлоконструкции ГПМ НК вычисляется с помощью эмпирического выражения

к, ={[1 + (0,59 + а)-7-8К1 + 0,42/) + 0,5273}^, (4)

где £ > 1 - коэффициент защемления, учитывающий условия закрепления пластины по кромкам. Значение коэффициента защемления £х принимается для шарнирно опертой пластины металлоконструкции 1, для стенок двутавровых балок в зависимости от мощности поясов £1,1 ч-1,4, для стенок коробчатых балок £ ¿а 1,2 4-1,3, и для поясов £^ 1,1. При шарнирном опирании пластины металлоконструкции и 0,4 < а < 0,6 формула (4) дает погрешность не более ±10 %, а в области а >0,6 - не более ±5 %.

При у > 2

к, =0,25/2{1,84[1 + (0,59 + а)"7'8] + 4,16}^. (5)

Критическое напряжение для пластин с ребрами рассчитывается по формуле

ас = к„ П Е, (-)2 [МПа]. (6)

3(1 -А2) V

В этом выражении коэффициент прочности при шарнирном опирании пластины вычисляется как

"10,75 ~ 0,186^7 1

где кя - коэффициент прочности по формуле (4) с использованием а и у для пластины без ребер; и - Аг/Ар ; ] = 1г/1р ; Аг и /г - площадь сечения и момент инерции одного ребра (двухстороннего или одностороннего, рис. 1, в, г) относительно оси стенки; Ар=Л\ I р =Л3 /\2\ аг = тт(аг,аг1), то есть равно меньшей из двух величин, одна из которых а = а/с/, а вторая ах = 3-0,5у. Если на пластине металлоконструкции установлено одно ребро на расстоянии с1х = Рс! от сжатого края

к„=кА 1 +

(7)

пластины (рис. 1, б), то = 1 + yß и = 1 - yß. Если на пластине металлоконструкции ГПМ НК симметрично размещены два ребра на расстоянии d{ = ßd от каждого края, то ^ = ггД1 + yß) и = ег (1 - yß), где ¿тг = 2 - 3,5/(0,5 - ß) /(0,5 + у). Для равномерно сжатой пластины металлоконструкции (у = 0), на которой симметрично расположены г ребер, ^, = = г.

Значение коэффициента ksp в выражении (7) равно ksp =шт(^г(л),А;Лг(й)), где

указанные в скобках величины - это коэффициенты прочности для пластины с ребрами, найденные при условии, что устойчивость теряет панель А или панель В соответственно (см. рис. 1, б).

При установке одного ребра на шарнирно опертой пластине значение ksp достигает максимума (то есть при ksr{A) = ksr{B)) при следующих значениях ß0:

у..... 0 0,5 1,0 1,5 2,0

А)... 0,5 0,46 0,38 0,27 0,20.

Эти значения, а также максимальное значение коэффициента ksp при ß = ß0 можно найти по эмпирическим формулам:

А, »0,5-0,157; кхр*4 + 3,5у3. (8)

Если проверки показали, что местная прочность и устойчивость пластины металлоконструкции ГПМ Ж с одним ребром не обеспечена, необходимо изменить выбранные параметры; если значение ksr < ksp, то следует увеличить момент инерции ребра и добиться, чтобы ksr >ksp. В противном случае необходимо поставить дополнительные ребра.

3. Далее во второй главе диссертации представлены результаты математического моделирования для исследования работы ГПМ НК при динамических воздействиях (на примере мостовых кранов наземных комплексов).

Рассмотрены особенности конструкции ГПМ НК мостового типа; применена система расчетов прочности по предельным состояниям. Математическое моделирование выполнено для основных расчетных комбинаций нагрузок в металлоконструкциях ГПМ НК:

- расчетный случай I, используемый для расчета на сопротивление усталости, нагрев, износ и долговечность - нормальные нагрузки рабочего состояния;

- расчетный случай И, который используется для расчета на прочность, а также для проверки устойчивости ГПМ НК - максимальные нагрузки рабочего состояния;

- расчетный случай III, используемый для расчетов на прочность - нерабочее состояние ГПМ НК при отсутствии груза и при неподвижных механизмах.

Расчетные комбинации нагрузок для проектного расчета металлоконструкций мостовых ГПМ технических комплексов в системе расчетов по предельным состояниям приведены в таблице 1. В рамках первого расчетного случая необходимо рассматривать комбинацию, обеспечивающую минимальное напряжение в расчетной зоне.

Также созданы математические модели для расчетов и анализа весовых нагрузок, динамики при работе механизма подъема груза и механизмов передвижения

ГПМ НК, оценки силы перекоса при движении крана. С применением полученных математических моделей выполнены анализ расчетных схем приложения нагрузок пролетных балок металлоконструкций, а также оценка динамической прочности и жесткости ГПМ НК.

Таблица 1

Расчетные нагрузки, действующие на мостовую ГПМ технического комплекса

Расчетная нагрузка Обозначение Комбинация нагрузок

Па иь

Распределенная вертикальная нагрузка от собственного веса пролетной части моста Чвер 4,669 кН/м 4,903 кН/м

Распределенная горизонтальная нагрузка от собственного веса пролетной части моста (сила инерции) Я гор - 0,095 кН/м

Вертикальная нагрузка от давления под-тележечного колеса Двер 132,534 кН 119,801 кН

Горизонтальная нагрузка от давления подтележечного колеса (сила инерции) Дгор - 2,327 кН

Нагрузка от кабины управления крана Gk 18 кН 18,9 кН

Нагрузка от каждого привода узла механизма передвижения ГПМ НК Gnp 7,536 кН 7,913 кН

Усилия перекоса Т - 21,75 кН

В третьей главе приведены результаты разработки алгоритмов и программ для экспериментального исследования динамики и прочности ГПМ НК с учетом особенностей механического нагружения.

1. С применением соответствующих математических моделей, представленных во второй главе диссертации, в системе интерактивного программирования С++ Builder разработана программа «Экспериментальное исследование прочности металлоконструкций ГПМ НК» (рис. 2), предназначенная для численного анализа и проверки местной прочности и устойчивости металлоконструкций ГПМ с учетом особенностей функционирования наземных комплексов.

В составе разработанной программы имеется три основных пользовательских интерфейса. Первый интерфейс служит для обеспечения автоматизированного решения задач экспериментального исследования прочности металлоконструкций ГПМ НК при действии комбинаций нагрузок из продольного нагружения и сдвига. Второй интерфейс разработанной программы предназначен для решения задач расчета прочности металлоконструкций ГПМ НК, закрепленных по трем сторонам, при действии одноосного сжатия. Третий интерфейс программы применяется для расчета на прочность металлоконструкций, имеющих четырехстороннее крепление, при совместном действии изгиба, сдвига и местного сжатия.

Методика работы проектировщика с созданной программой «Экспериментальное исследование прочности металлоконструкций ГПМ НК» проиллюстрирована на конкретном примере - проверке местной прочности наиболее нагруженных стенок главной балки мостовой ГПМ технического комплекса (см. рис. 2).

В случае невыполнения условий прочности для исследуемой металлоконструкции ГПМ НК, на этапе вывода результатов расчетов проектировщик может реализовать в созданной программе предлагаемые рекомендации по повышению

прочности, выбрав нужный вариант усиления конструкции. Для рассматриваемого числового примера результаты расчетов исследуемых панелей металлоконструкции мостовой ГПМ технического комплекса свидетельствуют об обеспечении местной прочности для принятых схем их усиления и подкрепления (рис. 3).

Метаялоконструция закреплена потрем сторонам при одноосном сжатии Металлокомстр^иия

Рис. 3. Расчетная схема ыегаллохонструкцгаЕ при совместном действии Ш! V, се.чения двутавровой (а) и коробчатой (б) баяки (I- ребро, 2- рельс)

РЕЗУЛЬТАТЫ

1, Действующее местное сжямаюшее ища;

2. Критическое нормальное напряжение] 3 Критическое касателыюе напряжение 4, Критическое мастное сжимающее 5 Расчетные сопротивления :

СТ.

«г- Тс

г т УпУйУт а

ШШ

ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ 1. Геометрические характеристики металлоконструкции

1.3. Длина стенки. а = 11000 1.2. Ширина стеяки, д = рООО 1.3.7олгоя»стега31. = &

1.4. Ширина пояса, Ь

1.5. Толщина погса, {,

Р5Г

1.6 Момент инерции рельса относительно :

оси с-с, 1д 1.7. Коэффициент защемления, :

2. Характеристики материала 2.1. Предел текучести, с-

¡3575400

Г"-

УСЛОВИЕ ПРОЧНОСТИ ВЫПОЛНЕНО!

V Ъ &

прочнеет» выполз

ШШ №

= 1220000 = Ез "

Из МПа

3.1. Сосредоточенная нагрузка, Р = ¡200 кН

3.2. Наибольшее, сзашакягее напряжение = ;1С> МПз на кроыке у=0. а

3.3. Напряжение на кромке у=с, о = .1-10 МПг (растяпшаюшие кгпржкегшя сч!иаюгся отрицательными)

3.4. Касательное напряжение," = ;30 МПг

(....П.С!0ееР.ИГ'!.^'I Цад-тить А Вы»»

Рис. 2. Результаты исследования прочности металлоконструкций ГПМ технического комплекса при действии различных комбинаций напряжений изгиба, сдвига и местного сжатия

Рис. 3. Расстановка ребер и диафрагм в главной балке ГПМ НК мостового типа: 1 - малая диафрагма; 2 - большая диафрагма.

2. В системе АИБУЗ разработаны программные средства для анализа динамики и прочности при выборе конструктивно-силовых схем ГПМ НК (на примере разработки конечно-элементных математических моделей металлоконструкций мостовых ГПМ технических комплексов).

В системе ANSYS основным математическим вычислительным аппаратом является метод конечных элементов. Расчетные схемы для вычисления максимальных напряжений в балках металлоконструкции мостовой ГПМ НК при работе главного механизма подъема груза (расчетная комбинация нагрузок IIa) и при работе механизма передвижения ГПМ (расчетная комбинация нагрузок IIb) при различных положениях крановой тележки показаны на рис. 4 и рис. 5 соответственно.

Полученные при анализе динамики максимальные напряжения в балках моста ГПМ технического комплекса приведены в таблице 2. Результаты показывают, что проверка прочности балок моста обеспечена (где R = 210 МПа - расчетное сопротивление материала; т0 = 0,765 - коэффициент запаса на условия работы и неполноту расчета).

Таблица 2

Значения напряжений в балках моста ГПМ НК при разных расчетных случаях

Комбинация нагрузок Расположение крановой тележки Напряжение в месте расположения тележки (МПа)

Нормальное (О-,) Касательное Эквивалентное «т e=ijal +3 т2ху)

IIa в середине пролета 152,697 - сге=152,697< m0R= =0,765-210=160,65

в четверти пролета 120,787 12,102 -

IIb в середине пролета 144,567 - <хе=144,567< m0R = =0,765-210=160,65

у левой концевой балки 68,361* 37,043* сге=93,754*</и0Л= =0,765-210=160,65

143,047" 37,476** ае =157,085" < <m0R =0,765-210= =160,65

Примечания: * - напряжение в опорной части главной балки; ** - напряжение в концевой балке

Рис. 4. Расчетные схемы для модели мостовой ГПМ НК по комбинации нагрузок Па: а - тележка расположена в середине пролета кранового моста; б - тележка находится на уровне четверти пролета моста ГПМ технического комплекса.

Рис. 5. Расчетные схемы для модели ГПМ НК по комбинации нагрузок IIb: а - тележка в середине пролета моста; б - тележка у концевой балки пролета ГПМ.

Эпюра нормальных напряжений и оценка прочности балок моста по результатам анализа динамики ГПМ НК по комбинации нагрузок IIa при наиболее неблагоприятном положении тележки в пролете показана на рис. 6, а, а по комбинации нагрузок IIb при положении тележки у левой концевой балки - на рис. 6, б.

« им Ж ~ ■te ü кж ..........;..... ....................................... ............. m

:ЭДВ1и. ШХ «»$53£*0§

ШШмШШШИ'МШ!^.... ,— s , ~ , А, V

............................................ : .1 , ......."* ' "

(а) (6)

Рис. 6. Эпюра нормальных напряжений и оценка прочности балок моста ГПМ: а - наиболее неблагоприятное расположение тележки, комбинация нагрузок Па; б - тележка расположена у левой балки, комбинация нагрузок ПЬ.

3. Приведены результаты применения параметрических и имитационных моделей, созданных в системе T-Flex CAD, для экспериментальной оценки показателей эффективности, отработки технологичности ГПМ НК и оформления результатов проектирования.

В четвертой главе разработана методика поиска рациональных проектно-конструкторских решений при создании ГПМ НК.

1. Выполнены математическая постановка задачи поиска рациональных решений, проведен анализ и выбраны методы поиска рациональных решений на основе многокритериальной оценки. Базовая задача при поиске рациональных решений -задача математического программирования, в которой искомой величиной является

Ехй- Р{Х)\ Ох={Х\<р(Х)>и,у/(Х) = У}, где Р(Х) - целевая функция; X = {х1,х2,...,хп] - вектор управляемых характеристик; <р(Х) и ц/(Х) - функции задаваемых ограничений; и и V - численные параметры ограничений; йх - допустимая область (область работоспособности) в пространстве управляемых параметров.

В данной главе рассмотрено определение рациональных параметров поперечных сечений силовых балок из состава металлоконструкций ГПМ НК по условию минимума веса при обеспечении заданной прочности. Сечение двутавровой или коробчатой балки имеет как минимум четыре параметра: высоту балки И, ширину балки Ь, толщину пояса /у, толщину стенки (см. рис. 7; считаем, что Ь~Ьу), а несимметричные сечения - еще больше.

Рис. 7. Схемы составных балок мостовых ГПМ НК: ! - балка двутаврового сечения; б - балка и коробчатого сечения.

Рассматриваемая балка находится под действием двух комбинаций нагрузок, создающих изгибающие моменты в двух плоскостях (М уХ, Мл, М 2, М,2), причем в первой комбинации действует наибольший изгибающий момент Му1 > Му2, а ' во второй - наибольший момент М:2 > Мл. Для коробчатой балки ГПМ НК целе-' вой функцией при расчете является площадь поперечного сечения балки

А = +ЫГ) = 2

2, Гу 3 А

—» шт

и использованы два условия прочности при указанных комбинациях нагрузок

У1 Мл

IV,

(10)

(11)

^ у " 2 " у

где \Уу, ¡Vг - соответствующие моменты сопротивления коробчатой балки; /? - заданное напряжение.

Фиксируя толщины стенки коробчатой балки, можно оптимизировать остальные параметры балки из условия минимальной площади сечения сИ/о% = 0 по выражениям:

ж,

3Мух(/иу/их -/¿,)

Ъ>

(Му - \)[3(МуМ\ ~Мг) + %Уи (М\ - А;)]'

Г7>

АЛ

-1

(12)

(13)

(14)

где цу = Му2/Му1; = М,2/Му1; л = М:Х/Му1, ул = .

Если балка нагружена изгибом в основном в одной плоскости, то рассматривается только первая комбинация нагрузок без изгиба относительно оси г, то есть при = 0. Тогда выражение для определения рациональной высоты балки (12) примет вид

ЗРУ„

(15)

Чад"

В это выражение подставлено значение момента сопротивления, найденное из условия прочности, то есть Игу = Му1 /Я. В аналогичном выражении для балки двутаврового сечения (рис. 7, а) с двумя осями симметрии в знаменателе будет отсутствовать множитель «2».

Если для балки выбрана высота А,, не соответствующая рациональной /г0, и ее площадь 4, то (А1 -А0)ЮО%/А0 = (1 - а)2100%/(2а), где а = кх//г0 (рис. 8). В данном случае отклонение высоты балки от рационального значения на 20% увеличивает ее площадь (и, соответственно, массу) на 2,5%. Условие /г, < /г0 принимается для уменьшения габаритных размеров, ъ.\>\ - для ограничения деформаций.

(АгЛ0)1ООША0

1|— 1 1 к 1 ■ц

\ к

} 1

\ /

\ / У

0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4

а =

Рис. 8. График изменения площади поперечного сечения балок ГПМ НК при отступлении от рационального значения высоты

2. Создана программа «Выбор рациональных решений по силовым схемам, размерам и компоновочным задачам при проектировании ГПМ Ж», предназначенная для решения конструкторско-компоновочных задач и определения рациональных размеров металлоконструкций при автоматизированном проектировании мостовых ГПМ из состава оборудования технических комплексов.

Основными функциями созданной программы являются:

- подбор в интерактивном диалоге с пользователем стандартизованных и унифицированных элементов конструкции ГПМ НК (крюковой подвески, каната, подтележечного рельса и колеса, подкранового рельса и колеса и т.п.) на основе вводимых варьируемых исходных данных и с учетом предъявляемых ограничений;

- выполнение автоматизированных расчетов для определения рациональных размеров сечений силовых элементов ГПМ (главной, концевой балок моста и др.)

В составе созданной программы имеются пять пользовательских интерфейсов: исходные данные; действующие нагрузки и коэффициенты; тип крюковой подвески, каната, колес и рельсов; размеры поперечных сечений балок моста; геометрические характеристики сечений балок моста.

Пользовательский интерфейс «Исходные данные» предназначен для задания требуемых технических характеристик мостовой ГПМ НК. Здесь вводятся основные габаритные и скоростные параметры ГПМ, которые должны соответствовать действующей нормативной документации (ГОСТ, ОСТ, СТП и др.). Далее программа подбирает унифицированные элементы конструкции механизмов крана (крюковую подвеску, канаты, подтележечные и подкрановые рельсы и колеса и т.п.), назначает значения соответствующих уточняющих коэффициентов и рассчитывает значения действующих нагрузок. В интерфейсе «Действующие нагрузки и коэффициенты» пользователю выдаются значения вычисленных нормативных нагрузок, коэффициентов перегрузок и динамических коэффициентов. Подобранные программой унифицированные элементы выводятся пользователю в интерфейсе «Тип крюковой подвески, каната, колес и рельсов». Здесь по максимальной статической нагрузке, действующей на одно колесо, выбирается диаметр колеса с учетом допустимых нагрузок. Далее, зная параметры колеса, подбираются подтележечные и подкрановые рельсы ГПМ НК соответствующих типоразмеров.

Для расчета рациональных размеров поперечных сечений силовых балок ГПМ НК по условиям минимума веса предназначен пользовательский интерфейс «Размеры поперечных сечений балок моста». Исходными данными здесь являются расчетное сопротивление материала, модуль упругости, плотность материала, коэффициенты условий работы и неполноты расчетов, вес нерасчетных элементов пролетной части моста (ребер, диафрагм, площадок обслуживания, кронштейнов, фундаментов механизмов и т.п.). Определяется толщина стенки главной балки ГПМ НК, рассчитываются размеры поперечных сечений силовых балок моста, удовлетворяющие условиям прочности и статической жесткости крана. Затем вычисляются значения фактического собственного веса пролетной части и статического прогиба моста ГПМ НК. Характеристики металлоконструкции ГПМ НК в разработанной программе непрерывно оптимизируются с учетом компромиссного характера предъявляемых условий и ограничений по различным критериям. Результирующие рациональные значения геометрических характеристик силовых балок мостовой ГПМ технического комплекса выдаются проектировщику в интерфейсе «Геометрические характеристики сечений балок моста» (рис.9).

Исхоомыеаанные; Ля^ств^ие патрули j 1мг. крю«.овсй поцвески. канате, колес и релисов Размеры поперечны* сече.1ий йзлок моста ; Г«.чеплмес>.ие лзодатерл-мли сечений балок V 8 МИНИМАЛЬНЫЕ РАЗМЕРЫ СЕЧЕНИЙ БАЛОК

81 8аоа расчетного значения «гротиоления материла «смотрен« • tiV! МП а

8 2 Ввел значения мосу.-я утруости материала . Г/>Ш<;\) мПа

8Э Ввол значе««» плотности материала • ¡/85 т/мЭ

S 4 8воа значе»«« коэффициента услое»«< работы и неполноты расчета •

dl={l + 3)d2

8 5 Весе значения коэФФка«мта веса нерасчетных элеме>поепролет«>й части мостл

toeüpa. аиввр<г1^л. пжадазки сОсяуяаваниЯ. кронилейное. -»vearwmoe мекатэмое и т а)

ill .85

;и гласной беж* моста. 62 • 0 мм

в.7. Главная балка

dU»td HJi*jJ BImmI ЫММ)

Fkc. 5. Поперечное семени« главной балки

Опорная часть:

-рог

8.8. Концевая балка

Э. ФАКТИЧЕСКИЙ СОБСТВЕННЫЙ ВЕС ПРОЛЕТНОЙ ЧАСТИ МОСТА = f кН

10. СТАТИЧЕСКИЙ ПРОГИБ БАЛОК В СЕРЕДИНЕ ПРОЛЕТА -

Рис. 6. Конструкция соединения балок одинаковой высс 1 - концевая балка, 2 • главная балка

¿У Откорректировать размерыf ^ Далее

Рис. 9. Полученные рациональные размеры сечений металлоконструкции ГПМ НК

3. Разработана программа для решения задач многокритериальной параметрической оценки при поиске рациональных конструктивных решений по ГПМ НК на основе применения комплексных критериев эффективности.

При разработке ГПМ НК возникают задачи поиска рациональных решений, в которых используется несколько критериев. Для решения этих задач частные критерии Р, (X), / = 1 ,п объединяются в один комплексный критерий или целевой функционал Р(Х) = Ф(/?1(Х), Р2(Х),..., Р„(Х)), а затем находится экстремум данного критерия. В зависимости от того, каким образом частные критерии объединяются в целевой функционал, различают следующие виды комплексных критериев:

- аддитивные критерии, при использовании которых целевая функция получается путем сложения нормированных значений частных критериев:

F{X) = 1С, = ZCJ,(X) -> max (min),

(16)

¿=1 р,{Х) г=1

где п - количество объединяемых частных критериев; С, - весовой коэффициент г -го критерия; ^(Х) - числовое значение ¿-го критерия; /г,°(X) - нормирующий делитель для /-го критерия; /¡(X) - нормированное значение г-го критерия; - мультипликативные критерии, целевая функция которых имеет вид

F{X) = П FtCi (X) max (min); i=i

- максиминные (минимаксные) критерии, основанные на поиске таких значений параметров X ={xux2,—,xm}, при которых нормированные значения всех

(17)

частаых критериев равны между собой:

C>f,{X) = K, i = ln, (18)

К - априорно заданная величина, определяющая уровень рациональности.

Принцип максимина состоит в поиске набора переменных X{Q) е X, при котором реализуется максимум из минимальных нормированных значений критериев: F(Xm) = шах min{/; (X)}J = й, X = (*,, х2,..., хи). (19)

Если критерии минимизируются, то применяют принцип минимакса:

F(Z ^) = min max{/j (Z)}, i = СЯ X = (x,, ,...,xm). (20)

В качестве характеристик (частных критериев), с помощью которых оценивается рациональность проектных вариантов, в диссертации выбраны значения наибольших действующих напряжений в главной балке ГПМ НК при работе механизма подъема груза, величина динамической жесткости металлоконструкции, ее масса, а также себестоимость и трудоемкость изготовления металлоконструкции. Исходные численные данные для решения задачи приведены в таблице 3.

Таблица 3

Исходные данные для поиска рационального проектного варианта _металлоконструкции ГПМ технического комплекса

Критерии Весовые коэффициенты Значения критериев для различных вариантов ГПМ НК

Вариант 1 Вариант 2 Вариант 3 Вариант 4

Значения наибольших напряжений, МЛа 0,35 131,949 152,697 149,236 173,568

Величина динамической жесткости, с 0,3 3 5 6 7

Масса конструкции, т 0,15 20,2 21,6 24,5 20,3

Себестоимость металлоконструкции, руб. 0,1 699000 747000 847000 754000

Трудоемкость изготовления, чел.-ч 0,1 519,231 510,944 519,732 519,534

Критерий J Весовой коэффициент

► Значения наиэо/ткшх напряжений WHa i 0.35

Величина динамической жесткости, с 0.3

Масса конструкции, г 0.15

Себестоимость металлоконструкции, руб 0.1

Труцоемкосгь изготовления, чел.-ч 0.1

Вариант j Значения критериев для вариантов

Варианг1 Варианг2 ВгриантЗ Варианг4

М i -4 i I М j +

131,349 = 152.697. 143.236 173.568

Аддитивный критерий Г Мультипликативный критерий Г Максиминмый (миннмиисиый) критерий

Следующий ; Очистить ) Вьквд J

Рис. 10. Ввод исходных данных по сравниваемым проектным вариантам ГПМ НК

Созданная программа обрабатывает исходные данные, введенные в интерактивном режиме, и определяет по результатам расчетов рациональный проектный вариант ГПМ НК в зависимости от выбранного комплексного критерия, используемого при поиске решения (рис.10). В созданной программе можно оценивать проектные варианты ГПМ НК и с учетом других критериев и показателей - они могут быть добавлены в состав численных критериев с помощью кнопок панели инструментов.

По результатам расчетов в программе «Многокритериальная параметрическая оценка рациональности конструктивных решений по ГПМ НК» сделан вывод, что рациональным проектным вариантом металлоконструкции ГПМ технического комплекса является первый из сравниваемых вариантов (см. табл. 3).

4. Создана методика поиска рациональных проектно-конструкторских решений по ГПМ НК, основанная на применении предлагаемых в диссертации математических моделей, алгоритмов и программ (рис.11). В данной методике можно выделить четыре уровня принятия проектно-конструкторских решений по ГПМ НК.

На первом уровне осуществляется разработка технических предложений: формулируются исходные требования и ограничения на процесс поиска рациональных решений (техническое задание, нормативные технические и инженерно-справочные материалы) и вырабатываются допустимые варианты структуры и компоновки унифицированных элементов конструкции ГПМ НК (этапы 1-2).

На втором уровне рационализации проектно-конструкторских решений (этапы 3-7 методики) проводится эскизное проектирование: выбираются применяемые ма- | териалы; рассчитываются сопротивления силовых и соединительных элементов; составляются таблицы коэффициентов нагружения и матрицы прочности для анализа по методу конечных элементов; проводится компьютеризированный расчет размеров металлоконструкций ГПМ НК в программе «Выбор рациональных решений по силовым схемам, размерам и компоновочным задачам при проектировании ГПМ НК»; осуществляется анализ динамики и прочности ГПМ НК в ходе компьютерного моделирования в ANSYS с оценкой напряженно-деформированных состояний металлоконструкций; устанавливается необходимость корректировки размеров металлоконструкций с учетом результатов математического моделирования и расчетов.

На третьем уровне выполняется рабочее или техническое проектирование (этапы 8-10 разработанной методики): проверка статической и динамической жесткости металлоконструкций ГПМ НК по результатам компьютерного моделирования; оценка и обеспечение местной прочности и устойчивости элементов конструкции в программе «Экспериментальное исследование прочности металлоконструкций ГПМ НК»; проверочный расчет на сопротивление усталости металлоконструкций ГПМ НК по разработанным математическим моделям. При необходимости выполняются расчеты металлоконструкций на динамическую жесткость, общую устойчивость и параметры подъема.

На четвертом уровне методики поиска рациональных проектно-конструкторских решений по ГПМ НК проводится подготовка рабочей конструкторской документации (этапы 11-14): рассчитываются и оцениваются показатели эффективности; 1 обеспечивается технологичность конструкций; оценивается рациональность конструктивных решений с применением разработанной программы «Многокритериаль- i ная параметрическая оценка рациональности конструктивных решений по ГПМ НК»; устанавливается необходимость их доработки; оформляются результаты проектирования с применением параметрических моделей в системе T-Flex CAD.

3 я

о о> Й £

Рис. 11. Принципиальная схема методики поиска рациональных конструктивных решений по ГПМ НК с применением разработанных в диссертации математических моделей, алгоритмов и программ

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Разработаны научные подходы и инструментальные средства рационального проектирования новых поколений ГПМ НК.

2. Осуществлено математическое моделирование ГПМ НК и их несущих элементов при статических и динамических воздействиях.

3. Получены новые аналитические и численные решения в части оценки прочности металлоконструкций ГПМ НК при статических воздействиях, а также в аспектах исследования поведения и механических процессов в конструкциях и несущих элементах ГПМ технических комплексов при динамических воздействиях.

4. Разработаны алгоритмы и программы, предназначенные для исследования динамики и прочности ГПМ НК с учетом механического нагружения и особенностей функционирования наземных комплексов, оценки эффективности, обеспечения технологичности ГПМ НК и оформления результатов проектирования.

5. На основании результатов проведенных аналитических и численных исследований разработана методика поиска рациональных конструктивных решений при создании ГПМ НК, позволяющая формировать рациональные решения по силовым и конструктивно-компоновочным схемам ГПМ НК с последующей многокритериальной параметрической оценкой полученных конструктивных решений по значениям наибольших напряжений, величинам динамической жесткости, массогабарит-ным характеристикам, себестоимости металлоконструкции, трудоемкости ее изготовления и другим критериям.

6. Получены новые результаты анализа и рекомендации по численным исследованиям конструкторско-технологических решений для ГПМ НК.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1. Со Мин У, Торпачев A.B. Постановка и решение задач многокритериальной оптимизации при разработке сложных технических систем. // Авиационная промышленность. Вып. 3 / 2009. - М.: НИ AT, 2009, с. 19-23.

2. Со Мин У, Торпачев A.B. Компьютерная программа для поиска рациональных решений при проектировании грузоподъемных машин наземных комплексов. // Авиационная промышленность. Вып. 2 / 2011.-М.: НИАТ, 2011, с.58-61.

3. Со Мин У, Торпачев A.B. Создание программы многокритериальной оптимизации конструктивных решений по грузоподъемным машинам. // Технология машиностроения. Вып. 8 / 2011. - М.: ИЦ «Технология машиностроения», 2011, с.58-60.

Другие публикации:

4. Со Мин У. Методика проектирования металлоконструкций мостового крана. II Научные труды ММНК «XXXI Гагаринские чтения». Том.2. - М.: МАТИ, 2005, с. 106-107.

5. Со Мин У. Моделирование мостового электрического крана в среде T-Flex CAD. // Ракетно-космические комплексы. Вып. 1 / 2007. - М.: МАТИ - КБТМ, 2007, с.20-24.

6. Со Мин У. Оценка динамической жесткости грузоподъемного оборудования наземных комплексов при экспериментальной отработке. // Научные труды ММНК «XXXV Гагаринские чтения». Том.2. - М.: МАТИ, 2009, с. 113-114.

7. Со Мин У, Торпачев A.B. Разработка математических моделей и программного обеспечения для расчета оптимальных параметров мостовых кранов технических комплексов. // Актуальные проблемы российской космонавтики. - М.: Комиссия РАН по разработке научного наследия пионеров освоения космического пространства, 2010, с. 334-335.

8. Со Мин У. Программа для решения конструкторско-компоновочных задач и расчета оптимальных размеров металлоконструкций мостовых кранов технических комплексов. // Научные труды ММНК «XXXVI Гагаринские чтения». Том.2. - М.: МАТИ, 2010, с. 117-118.

_Подписано в печать 18.11.2011 г. Объем 1.0 п.л. Тираж 100 экз._

«МАТИ» - РГТУ им. К.Э. Циолковского, Берниковская наб., д.14, стр. 2

<~~) /О

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата технических наук, Со Мин У

Введение

СОДЕРЖАНИЕ

ГЛАВА 1. Грузоподъемные машины наземных комплексов как объект диссертационных исследований

1.1. Разновидности ГПМГПС и их основные параметры

1.2. Анализ особенностей конструкции и процёссов функциониро- : вания различных видов ГПМ НК

1.3. Основные требования, предъявляемые к ГПМ НК при проектировании ., • ■

1.4. Постановка задач и разработка методологической схемы диссертационных исследований

1.5. Выводы по первой главе

ГЛАВА 2. Математическое моделирование поведения ГПМ НК и их несущих элементов при статических и динамических воздействиях

2.1. Применение при математическом моделировании метода копненных элементов—формирование матриц прочности силовых элементов металлоконструкции ГПМ НК

2.2. Математическое моделирование- прочности металлоконструкций ГПМ НК при статических воздействиях

2.3. Математическое моделирование для исследования работы ГПМ НК при динамических воздействиях (на примере мостовых кранов наземных комплексов)

2:4. Выводы по второй главе

ГЛАВА 3. Разработка алгоритмов и программ для экспериментального исследования динамики и прочности ГПМ НК с учетом особенностей механического нагружения

3:1. Создание программы экспериментального исследования прочности металлоконструкций ГПМ с учетом особенностей функционирования-наземных комплексов

3.2. Разработка компьютерных моделей для анализа динамики и прочности мостовых ГПМ НК средствами программного комплекса ANSYS

3.3. Создание параметрических и имитационных моделей в среде T-Flex CAD для экспериментальной оценки показателей эффективности, отработки технологичности ГПМ НК и оформления результатов проектирования

3.4. Выводы по третьей главе

ГЛАВА 4. Разработка методики поиска рациональных конструктивных решений при создании ГПМ НК

4.1. Математическая постановка задачи поиска рациональных вариантов и анализ методов ее решения

4.2. Разработка программы выбора рациональных решений по силовым схемам, размерам и компоновочным задачам при проектировании ГПМ НК

4.3. Создание программы для многокритериальной параметрической оценки при поиске рациональных конструктивных решений по ГПМ НК на основе применения комплексных критериев эффективности

4.4. Разработка методики поиска рациональных проектно-конструкторских решений по ГПМ НК, основанной на применении предлагаемых в диссертации математических моделей, алгоритмов и программ

4.5. Выводы по четвертой главе

Введение диссертация по механике, на тему "Разработка методики поиска рациональных конструктивных решений по грузоподъемным машинам наземных комплексов"

Актуальность темы диссертации

Перечисленные выше особенности в полной мере относятся к грузоподъемным машинам наземных комплексов (ГПМ НК), которые обеспечивают выполнение всех видов подъемно-перегрузочных и монтажно-стыковочных работ при подготовке изделий к применению. Однако в многочисленной научно-технической литературе отсутствуют результаты разработки математических моделей для статического и динамического анализа ГПМ НК и их элементов, а также алгоритмов и программ исследования динамики и прочности ГПМ НК с учетом особенностей механического нагру-жения, которые необходимы для принятия рациональных конструктивных решений при создании перспективных ГПМ НК на основе комплексных критериев, охватывающих такие характеристики, как значения наибольших напряжений, величины динамической жесткости металлоконструкций ГПМ НК, их массогабаритные характеристики, себестоимость и трудоемкость изготовления металлоконструкций, а также другие критерии.

Поэтому исследования, направленные на изучение методами механики и вычислительной математики поведения грузоподъемных машин перспективных наземных комплексов и закономерностей механических процессов, имеющих место в их конструкциях и элементах, являются актуальной научно-технической задачей для аэрокосмической отрасли промышленности.

Цель работы

Целью выполнения диссертации является разработка научных подходов и инструментальных средств рационального проектирования новых поколений грузоподъемных машин наземных комплексов.

Для достижения« поставленной'цели в диссертации были решены следующие теоретические и практические задачи, результаты которых выносятся на защиту:

- математическое моделирование ГПМ< НК и их несущих элементов при статических и динамических воздействиях;

- разработка алгоритмов и программ для исследования динамики и прочности ГПМ НК с учетом особенностей механического нагружения;

- разработка методики поиска рациональных проектно-конструкторских решений при создании ГПМ НК, включая выбор силовых схем и материалов, расчет и оценку наибольших напряжений, динамической жесткости, массогабаритных и других характеристик ГПМ НК.

Научная новизна ч

Достоверность результатов и выводов

Практическая значимость и реализация результатов

Созданы новые алгоритмы и программы, предназначенные для:

- анализа динамики и прочности мостовых ГПМ НК средствами программного комплекса АИБУБ;

Результаты диссертации внедрены в учебный процесс на кафедре «Стартовые комплексы» «МАТИ» — Российского государственного технологического университета им. К.Э. Циолковского при подготовке бакалавров и магистров по направлению «Авиа- и ракетостроение» в рамках дисциплин «Строительная механика конструкций и сооружений» и «Динамика конструкций и сооружений».

Апробация и опубликование результатов работы

Результаты работы докладывались и прошли публичное обсуждение на научно-технических конференциях и семинарах: ежегодных международных молодежных научных конференциях «Гагаринские чтения» 2005-2010 гг.; ежегодных всероссийских конференциях «Академические чтения по космонавтике памяти.С.П. Королева и других отечественных ученых-пионеров освоения космического пространства» 2008-2011 гг.; международной конференции «Российский образовательный форум» 2006 г.; открытых конференциях и семинарах молодых ученых, и специалистов, проведенных КБ транспортного машиностроения в 2006-2009 гг. и др.

Структура и объем работы

Заключение диссертации по теме "Динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры"

4.5. Выводы по четвертой главе

В четвертой главе представлены следующие результаты разработки методики поиска рациональных проектно-конструкторских решений при создании ГПМ НК.

1. Выполнены математическая постановка задачи поиска рациональных решений и анализ методов ее решения. Выбраны методы решения задач многокритериальной оценки рациональности проектных вариантов ГПМ НК.

2. Создана программа «Выбор рациональных решений по силовым схемам, размерам и компоновочным задачам при проектировании ГПМ НК», предназначенная для решения конструкторско-компоновочных задач« и определения рациональных размеров металлоконструкций при проектировании мостовых ГПМ из состава оборудования технических комплексов. .

3. Разработан программный модуль для решения задач многокритериальной параметрической оценки рациональности конструктивных решений по ГПМ НК на основе применения комплексных (интегральных) аддитивных, мультипликативных, минимаксных (или максиминных) критериев эффективности.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе на тему «Разработка методики поиска рациональных конструктивных решений по грузоподъемным машинам наземных комплексов» получены следующие основные результаты.

4. Разработаны алгоритмы и программы, предназначенные для исследования динамики и прочности ГПМ НК с учетом механического нагруже-ния и особенностей функционирования наземных комплексов, оценки эффективности, обеспечения технологичности ГПМ НК и оформления резульI татов проектирования.

5. На основании результатов проведенных аналитических и численных исследований разработана методика поиска рациональных конструктивных решений при создании ГПМ НК, позволяющая формировать рациональные решения по силовым и конструктивно-компоновочным схемам ГПМ НК с последующей многокритериальной параметрической оценкой полученных конструктивных решений по значениям наибольших напряжений, величинам динамической жесткости, массогабаритным характеристикам, себестоимости металлоконструкции, трудоемкости ее изготовления и другим критериям.

Список источников диссертации и автореферата по механике, кандидата технических наук, Со Мин У, Москва

1. Абрамович И.И., Березин В.Н., Яуре А.Г. Грузоподъемные краны промышленных предприятий. // Справочник. — М.: Машиностроение, 1989. -360 с.

2. Александров A.B., Ал футов H.A., Астанин В.В. Динамика и прочность машин. Теория механизмов и машин. Т. 1—3. В 2 кн. Кн. 2. // Машиностроение. Энциклопедия. / Под. общ. ред. К.С. Колесникова М.: Машиностроение, 1995. - 624 с.

3. Александров A.B. Лащеников Б.Я., Шапошников H.H. Строительная механика. Тонкостенные пространственные системы. // Учебник для вузов. / Под ред. А.Ф. Смирнова. М.: Стройиздат, 1983. - 488 с.

4. Александров М.П. Грузоподъемные машины. // Учебник для вузов. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана - Высшая школа, 2000. - 552 с.

5. Александров М.П., Гохберг М.М., Ковин A.A. и др. Справочник по кранам. Т.2. / Под общ. ред. М.М. Гохберга. Л.: Машиностроение, 1988. -559 с.

6. Байков В.Н. Строительные конструкции. М.: Стройиздат, 1986.364 с.

7. Бармин И.В., Бирюков Г.П., Богомолов A.A. и др. Технологические объекты наземной инфраструктуры ракетно-космической техники. // Инженерное пособие. Книга 1. / Под. ред. И.В. Бармина. М.: КБОМ, 2005. - 475 с.

8. Бидерман B.JI. Механика тонкостенных конструкций. Статика. — М.: Машиностроение, 1977. — 488 с.

9. Бирюков Г.П. Структурный анализ и обоснование тактико-технических характеристик технологического оборудования ракетно-космических комплексов М.: Изд-во МАИ, 2003. - 312 с.

10. Ю.Бирюков Г.П., Гранкин Б.К., Козлов В.В., Соловьев В.Н. Основы проектирования ракетно-космических комплексов. СПб.: Алфавит, 2002. — 396 с.

11. П.Бирюлев В.В., Кошин И.И., Крылов И.И., Сильвестров A.B. Проектирование металлических конструкций. // Учебное пособие для вузов. Л.: Стройиздат, 1990. - 432 с.

12. Богинский К.С., Зотов Ф.С., Николаевский Г.М. Мостовые и металлургические краны. — М.: Машиностроение, 1970. — 300 с.

13. Болотин В.В. Методы теории вероятности и теории надежности в расчетах сооружений. — М.: Стройиздат, 1982. 351 с.

14. Бояршинов C.B. Основы строительной механики машин. // Учебное пособие для студентов вузов. М.: Машиностроение, 1973. — 456 с.

15. Братусь Н.Г., Каскевич В.А., Титаренко JI.B. Краны с трубчато-балочными пролетными строениями. — М.: Машиностроение, 1989. 184 с.

16. Братухин А.Г., Балабуев П.В. и др. Информационные технологии в наукоемком машиностроении: Компьютерное обеспечение индустриального бизнеса. / Под ред. А.Г. Братухина. К.: Техннса, 2001. - 728 с.

17. Брауде В.И. Вероятностные методы расчета грузоподъемных машин- JL: Машиностроение, 1978. — 232 с.

18. Брауде В.И., Гохберг М.М., Звягин И.Е. и др. Справочник по кранам. Т.1. / Под общ. ред. М.М. Гохберга. Л.: Машиностроение, 1988. - 536 с.

19. Брауде В.И., Семенов Л.Н. Надежность подъемно-транспортных машин. Л.: Машиностроение, 1986. - 183 с.

20. Брауде В.И., Тер-Мхитаров М.С. Системные методы расчета грузоподъемных машин. Л.: Машиностроение, 1985. - 232 с.

21. Броуде Б.М. Предельные состояния стальных балок. М.-Л.: Гос. изд-во литер, по строительству и архитектуре, 1953 — 216 с.

22. Броуде Б.М. Распределение сосредоточенного давления в металлических балках. М.: Стройиздат, 1950. - 112 с.

23. Бычков Д.В. Расчет балочных и рамных систем из тонкостенных элементов. — М.: Стройиздат, 1948. 210 с.

24. Бычков Д.В. Строительная механика стержневых тонкостенных конструкций. -М.: Госстройиздат, 1962 — 475 с.

25. Бычков Д.В., Мрощинский А.К. Кручение металлических балок. -М.: Стройиздат, 1944. 260 с.

26. Вайсон A.A. Подъемно-транспортные машины. — М.: Машиностроение, 1989.-563 с.

27. Вершинский A.B., Гохберг М.М., Семенов В.П. Строительная механика и металлические конструкции. / Под ред. М. М. Гохберга. M.-JL: Машиностроение. 1984.— 231 с.

28. Власов В.З. Тонкостенные упругие стержни -М.: Физматлит, 1959568 с.

29. Вычислительные методы в механике разрушения. / Пер. с англ. под ред. Атлури С. -М.: Мир, 1990. 392 с.

30. Гончар А.Г., Смирнов В.И., Шарапов B.C. и др. Методология обеспечения безопасности стартовых комплексов. М.: КБТМ, 2009 - 406 с.

31. Горев В.В., Уваров Б.Ю., Филиппов В.В. и др. Металлические конструкции. Элементы конструкций. // Учебник для вузов. / Под ред. В.В. Го-рева. М.: Высшая школа, 2001. - 551 с.

32. ГОСТ 1451-77. Краны грузоподъемные. Нагрузки ветровые. Нормы и методы определения. — М.: Изд-во стандартов, 1988. — 17 с.

33. ГОСТ 25.506-85. Расчеты и испытания на прочность. Методы механических испытаний металлов. Определение характеристик трещиностойко-сти (вязкости разрушения) при статическом нагружении. — М.: Изд-во стандартов, 1985.-61 с.

34. ГОСТ 28609-90. Краны грузоподъемные. Основные положения расчета. — М.: Издательство стандартов, 1990. 8 с.

35. Гохберг М.М. Металлические конструкции подъемно-транспортных машин. JL: Машиностроение, 1976. - 456 с.

36. Гребеник В.М., Цапко В.К. Надежность металлургического оборудования. // Справочник. М.: Металлургия, 1980. - 344 с.

37. Григорьев Н.И. Нагрузки кранов. -M.-JL: Машиностроение, 1964.168 с.

38. Грузоподъемные краны. // Кн. 2. Пер. с нем. / Под ред. М.П. Александрова. М.: Машиностроение, 1981. - 287 с.39;Грузоподъемные машины. / Под ред. М.П. Александрова. — М.: Машиностроение. 1986. — 400 с.

39. Дарков A.B., Шпиро Г.С. Сопротивление материалов. М.: Высшая школа, 1975. -656 с.

40. Зенкевич О., Чанг И. Метод конечных элементов в .теории сооружений и в механике сплошных сред. М.: Мир, 1974. - 239 с. ■44.3енкевич О. Метод конечных элементов в технике. — М.: Мир, 1975. -541 с. ' ' " ■ ■ . .

41. Каплун А.Б., Морозов Е.М., Олферьева М.А. ANS YS в руках инженера. // Практическое руководство. Изд. 2. М::.Едиториал,,20041—272'с.

42. Карзов Г.П., Марголин Б.З., Швецова В.А. Физико-механическое моделирование процессов разрушения. СПб.: Политехника, 1993. - 391 с.

43. Когаев В.П., Махутов H.A., Гусенков А.П. Расчеты деталей машин и конструкций на прочность и долговечность. // Справочник. М.: Машиностроение, 1985. - 224 с.

44. Коллиз Д. Повреждение материала в конструкциях. Анализ, предсказание, предотвращение. М.: Мир, 1984. - 624 с.

45. Коновалов JI.B. Нагруженность, усталость, надежность деталей металлургических машин. М.: Металлургия, 1981. - 280 с.

46. Кружков В;А. Металлургические подъемно-транспортные машины. // Учебник для вузов. М.: Металлургия, 1989. - 464 с.

47. Кузнецов В .В., Беленя Е.И., Стрелецкий H.H. и др. Развитие металлических конструкций. // Работы школы Н.С. Стрелецкого. / Под ред. В.В. Кузнецова.-М.: Стройиздат, 1987. —576 с.

48. Курсовое проектирование грузоподъемных машин. / Под ред. С.А. Казака. -М.: Высшая; школа, 1989. 319 с.

49. Лампси Б.Б. Прочность тонкостенных металлических конструкций. -М.: Стройиздат, 1987.-280 с.

50. Лизин В.Т., Пяткин В.А. Проектирование тонкостенных конструкций. М.: Металлургия, 1985. — 344 с.

51. Лобов Н;А. Динамика грузоподъемных KpaHOBi М.: Машиностро(3-ние, 1987. - 160 с.

52. Лурье А.И. Теория упругос ти. М.: Наука, 1970. - 940 с.

53. Манделыптам Л.И. Лекции по теории колебаний. М.: Наука, 1972. — 470 с. :

54. Махутов H.A. Деформационные: критерии разрушения и расчет элементов конструкций на прочность. М.: Машиностроение, 198Г. — 272 с.

55. Механика разрушения и прочность материалов. // Справочное пособие. Т.2. / Под общ. ред. В.В. Панасюка. Киев: Наукова думка, 1988.-620 с.

56. Механика разрушения и прочность материалов. // Справочное пособие. Т.З. / Под общ. ред. В.В. Панасюка. Киев: Наукова думка, 1988. - 435 с.

57. Механика разрушения и; прочность материалов. // Справочное пособие. Т.4. / Под общ. ред. В.В. Панасюка. Киев: Наукова думка, 1990. - 680 с.

58. Напольский Г.М. Технологическое проектирование, автотранспортных-предприятий и станций технического обслуживания. // Учебник для вузов. -М.: Транспорт, 1985. 231 с.

59. Норенков И.П. Автоматизированное проектирование. М;: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2000. -188 с.

60. Парницкий А.Б., Шабашов А.П. Мостовые краны общего назначения.-М.:Машгиз, 1961.-319 с.

61. Пестриков В.М., Морозов Е.М. Механика разрушения твердых:тел. СПб.: Профессия, 2002. - 320 с. .

62. Подъемно-транспортные машины. // Атлас конструкций. / Под ред. М.П. Александрова, Д.Н. Решетова. -М.: Машиностроение, 1987. 122 с.

63. Позынич К.П. Частный случай задачи оптимизации сечений крановых коробчатых металлоконструкций // Труды ЛИП. Л.: Машиностроение, №362/1978, с. 39-43.

64. Попкович П.Ф; Труды по строительной механике корабля. В 4 т. -Л.: Судостроительная промышленность, 1963. — 552 с.

65. Пособие по проектированию стальных конструкций (к СНиП 11-2381). — М:: ЦИТП, 1989.- 159 с.

66. Пособие по расчету элементов стальных конструкций (к СТО 24.095821-01-93). -М.: ВНИИПТМАШ, 1993. 119 с.

67. Прочность, устойчивость колебания. // Справочник. Т.1. / Под ред. И.А. Биргера, Я.Т. Пановко.-М.: Машиностроение, 1968; — 832 с.76;Райзер В.Д. Теория надежности в строительном проектировании. -М.:АСВ, 1998.-304 с.

68. Ржаницын А.Р. Строительная механика. // Учебное пособие для вузов. М.: Высшая школа, 1991. - 439 с.

69. Ряхин В.А., Мошкарев Г.Н. Долговечность и устойчивость сварных конструкций строительных и дорожных машин. — М.: Машиностроение, 1984.-232 с.

70. Самуль В.И. Основы теории упругости и пластичности. // Учебное пособие для студентов вузов:-Mi: Высшая школа, 1982. — 264 с.

71. Санжаровский P.C., Веселов A.A. Теория расчета строительных конструкций на устойчивость и современные нормы. // Учебное пособие. — М.:АСВ, 2002.-128 с.

72. Саргсян А.Е., Демченко А.Т., Дворянчиков Н.В. Строительная механика. Основы теории с примерами расчетов. // Учебник / Под. ред. А.Е. Саргсяна. М.: Высшая школа, 2000. - 416 с.

73. Сегерлинд JI. Применение метода конечных элементов. — М.: Мир, 1979.-392 с.

74. Симвулиди И.А. Расчет инженерных конструкций на упругом основании. // Учебное пособие для вузов. М.: Высшая школа, 1973. - 431 с.

75. Сиратори М., Миеси Т., Мацусита X. Вычислительная механика разрушения. / Пер. с японского. — М.: Мир, 1986. — 334 с.

76. Смирнов А.Ф., Александров A.B., Лащеников Б.Я., Шапошников H.H. Строительная механика. Динамика и устойчивость сооружений. / Под ред. А.Ф. Смирнова. М.: Стройиздат, 1984. — 415 с.

77. СНиП 2.01.07-85. Нагрузки и воздействия. / Госстрой России. М.: ГУП ЦПП, 2003. - 44 с.

78. СНиП 2.01.03-84. Мосты и трубы. / Госстрой СССР. М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1988. - 200 с.

79. СНиП П-23-81. Стальные конструкции. / Госстрой России. М.: ГУП ЦПП, 2000. - 96 с.

80. Со Мин У. Моделирование мостового электрического крана в среде T-FLEX CAD. // Ракетно-космические комплексы. Вып. 1 / 2007. М.: MATH -КБТМ, 2007, с.20-24.

81. Со Мин У. Методика проектирования металлоконструкций мостового крана. // Научные труды ММНК «XXXI Гагаринские чтения». Том.2. — М.: MATH, 2005, с.106-107.

82. Со Мин У. Оценка динамической жесткости грузоподъемного оборудования наземных комплексов при экспериментальной отработке. // Научные труды ММНК «XXXV Гагаринские чтения». Том.2. М.: MATH, 2009, с. 113—114.

83. Со Мин У, Торпачев A.B. Постановка и решение задач многокритериальной оптимизации при разработке сложных технических систем. // Авиационная промышленность. Вып. 3 / 2009. -М.: НИАТ, 2009, с. 19-23.

84. Со Мин У. Программа для решения конструкторско-компоновочных задач и расчета оптимальных размеров металлоконструкций мостовых кранов технических комплексов. // Научные труды ММНК «XXXVI Гагаринские чтения». Том.2. М.: МАТИ, 2010, с. 117-118.

85. Со Мин У, Торпачев A.B. Компьютерная программа для поиска рациональных решений при проектировании грузоподъемных машин наземных комплексов. // Авиационная промышленность. Вып. 2 / 2011. М.: НИАТ, 2011, с.58-60.

86. Со Мин У, Торпачев A.B. Создание программы многокритериальной оптимизации конструктивных решений по грузоподъемным машинам. // Технология машиностроения. Вып. 8 / 2011. М.: ИЦ «Технология машиностроения», 2011, с.58-59.

87. Соколов С.А. Металлические конструкции подъемно-транспортных машин. СПб.: Политехника, 2005. - 423 с.

88. Соколов С.А. Обеспечение надежности инженерных расчетов // Известия ТулГУ. Серия ПТМ. Вып. 3. Тула: ТулГУ, 2001, с. 205-212.

89. Соколов С.А., Хлобыства Д.С. Устойчивость пластин с ребрами // Вестник машиностроения, № 9 / 2004. М.: Машиностроение, 2004, с. 15-20.

90. Сопротивление материалов. // Изд. 2. / Под ред. H.A. Костенко. -М.: Высшая школа, 2004. 432 с.

91. СТО 24.09-5821-01-93. Краны грузоподъемные промышленного назначения. Нормы и методы расчета элементов конструкций. / Стандарт ВНИИ ПТМ АШ. М.: ВНИИПТМАШ, 1993. - 136 с.

92. Стренг К., Фикс Дж. Теория метода конечных элементов. М.: Мир, 1977.-349 с.

93. ЮЗ.Тайц В.Г. Безопасная эксплуатация грузоподъемных машин. М.: Академкнига, 2005. — 383 с.

94. Тимошенко С.П. Прочность и колебания элементов конструкций. -М.: Наука, 1975.-704 с.

95. Тимошенко С.П. Сопротивление материалов. // Т.1. Элементарная теория и задачи. М.: Наука, 1965. — 364 с.

96. Тимошенко С.П. Сопротивление материалов. // Т.2. Более сложные вопросы теории и задачи. — М.: Наука, 1965. 480 с.

97. Тимошенко С.П. Устойчивость упругих систем. M.-JL: ОГИЗ-Гостехиздат, 1946. - 532 с.

98. Труханов В.М. Надежность изделий машиностроения. Теория и практика. М.: Машиностроение, 1996. - 336 с.

99. Хечумов P.A., Кепплер X., Прокопьев В.И. Применение метода конечных элементов к расчету конструкций. // Учебное пособие для вузов. / Под общ. ред. P.A. Хечумова. — М.: Изд-во Ассоциации строительных вузов, 1994.-353 с.

100. ПО.Шамис В.А. Borland С++ Builder 6.0 для профессионалов. СПб.: Питер, 2003. - 800 с.

101. Шпете Г. Надежность несущих строительных конструкций. М.: Стройиздат, 1994. - 288 с.

102. ANSYS Basic Analysis Procedures Guide. ANS YS Release 5.6. -ANSYS Inc., 1998.

103. ANSYS 5.7 Theory Reference. ANSYS Inc., 2001.

104. ANSYS 5.7 Advanced Analysis Techniques Guide. ANSYS Inc.,2001.j157