Применение Ansys Mechanical при расчете прочности строительных лесов

Строительные леса — вспомогательное сооружение для размещения работников и материалов при выполнении ремонтных или монтажных работ. К конструкциям такого рода предъявляются особые прочностные характеристики и требования, которые обеспечивают безопасный доступ к действующему оборудованию или поверхности.

В 2021 году команда технических специалистов ИСКРАТЕХ провела инженерный расчет строительных лесов, применяемые при ремонте судов гражданского и военного назначения. Заказчиком выступил отечественный судоремонтный завод, ежегодно выполняющий около 250 крупных заказов Тихоокеанского флота.

/   Цель проекта

Совместно с Заказчиком специалисты ИСКРАТЕХ разработали подробное техническое задание, определяющее рамки проекта, цели и задачи.

В рамках первого этапа необходимо было разработать 3D модели по предоставленным чертежам от Заказчика. Далее провести несколько прочностных расчетов в программном комплексе Ansys Mechanical для определения нагрузки, при которой напряжения в материале достигнут предела текучести. Также определить усилие, при котором произойдет потеря устойчивости сборки.

/   Реализация проекта

Расчет прочности «Щит настила»

Принимается допущение о симметричности щита, за счет чего моделируется только половина модели. Геометрия представляется в виде тонкостенной оболочки. Сварные швы моделируются соединениями узлов сетки. В соответствии со схемой расположения нагрузки, прикладывается сила по всей ширине сечения равная 3500 Н.

После проведения расчета строится зависимость «Напряжения-усилие» (рисунок 6) и методом линейной интерполяции определяется допускаемая нагрузка. В итоговом результате приводится найденная величина, умноженная на два, т. к. в расчете участвует только половина модели. Напряжения рассчитываются по теории Мизеса (рисунки 4, 5). Расчетная модель с сеткой конечных элементов модели щита длиной 2000 мм (для остальных длин идентично) представлены на рисунках 1 – 3.

Рис. 1. Сетка конечных элементов

Рис. 2. Область симметрии (красные линии)

Для опоры А разрешается только вращение относительно оси Х глобальной системы координат. Для опоры В дополнительно разрешено поступательное движение вдоль оси Z.

Рис. 3. Граничные условия

Рис. 4. Эквивалентные напряжения модели длиной 2000 мм при нагрузке 3500 Н

Рис. 5. Средние эквивалентные напряжения в опасном сечении для модели щита длиной 2000 мм при нагрузке 3500 Н

Рис. 6. Диаграмма «Напряжения-усилие»

Расчет прочности «Связь продольная»

Геометрия представляется в виде балочной модели с кольцевым сечением. Замки в модели не учитываются, так как установка идёт на 2 точки в месте их расположения относительно которых сечение может поворачиваться. В соответствии со схемой расположения нагрузки, прикладывается узловая сила равная 10000 Н.

После проведения расчета строится зависимость «Напряжения-усилие» (рисунок 10) и методом линейной интерполяции определяется допускаемая нагрузка. Напряжения рассчитываются по теории Мизеса (рисунок 9).

Расчетная модель с сеткой конечных элементов модели связи продольной длиной 1000 мм (для остальных длин идентично) представлены на рисунках 7 и 8.

Рис. 7. Сетка конечных элементов

Рис. 8. Граничные условия

Для опоры А  разрешается только вращение относительно оси Х  глобальной системы координат. Для опоры В дополнительно разрешено поступательное движение вдоль оси Y.

Рис. 9. Максимальные эквивалентные напряжения в сечениях связи продольной длиной 1000 мм

Рис. 10. Диаграмма «Напряжения-усилие»

Расчет прочности «Стойка вертикальная»

Оценивается прочность соединения малой опоры со стойкой в соответствии со схемой испытания. Принимается допущение, что допускаемое усилие не изменяется в зависимости от расположения опоры. Геометрия представляется в виде тонкостенной оболочки. Сварные швы моделируются инструментами Mechanical и представляются как отдельные тела со связанными узлами. В соответствии со схемой расположения нагрузки, прикладывается сила равная 10000 Н.

Рис. 12. Сетка конечных элементов

Рис. 13. Граничные условия

После проведения расчета строится зависимость «Напряжения-усилие» и методом линейной интерполяции определяется допускаемая нагрузка. Напряжения рассчитываются по теории Мизеса (рисунок 14). Расчетная модель с сеткой конечных элементов представлены на рисунках 11 – 13. В качестве граничного условия для стойки принимается жесткая заделка нижнего торца.

Рис. 14. Эквивалентные напряжения на стойке

Рис. 15. Диаграмма «Напряжение-усилие»

Расчет прочности «Домкрат винтовой»

Оценивается прочность резьбы на срез. Задача решается в осесимметричной постановке относительно глобальной оси Y. Между резьбовыми поверхностями назначен контакт с трением, коэффициент трения принят равным 0,1.

Допускаемое напряжение среза: [𝜏] = 0,6 ∙ 𝜎т = 0,6 ∙ 205 = 123 МПа.

В соответствии со схемой расположения нагрузки, прикладывается перемещение вдоль оси Y для облегчения сходимости. После проведения расчета выводятся линеаризованные касательные напряжения в опасном сечении и подбирается момент времени, когда среднее напряжение будет равно допускаемому. Затем определяем усилие на гайке. Расчетная модель с сеткой конечных элементов представлены на рисунках 16.

В качестве граничного условия для трубы домкрата принимается жесткая заделка верхнего торца.

Рис. 16. Сетка конечных элементов

Рис.18. Поля эквивалентных напряжений в резьбе

Искомый момент времени из рисунка 19 – 0,57 с. На рисунке 20 приведена диаграмма изменения усилия от времени. Итоговое усилие составило 113612 Н.

Рис. 19. Линеаризованные касательные напряжения в опасном сечении в момент времени, когда среднее напряжение равно допускаемому

Рис. 20. Диаграмма «Усилие-время»

/   Результаты проекта

По результатам расчетов были определены допускаемые усилия элементов строительных лесов, при которых достигается предел текучести. После получения результатов Заказчиком были проведены натурные испытания прочностных характеристик конструкции, которые полностью совпали с результатами инженерного анализа, проведенное в Ansys Mechanical.