Возможности использования компьютерного моделирования при прочностных расчетах прокатного оборудования
Конференция: II Международная заочная научно-практическая конференция «Научный форум: технические и физико-математические науки»
Секция: Металлургия и материаловедение
II Международная заочная научно-практическая конференция «Научный форум: технические и физико-математические науки»
Возможности использования компьютерного моделирования при прочностных расчетах прокатного оборудования
The possibility of using computer simulation for the design of rolling equipment
Andrey Fastykovsky
doctor of technical sciences, professor, Siberian state industrial University, Russia, Novokuznetsk
Аннотация. Показаны возможности современных компьютерных технологий для прочностного анализа прокатного оборудования. Рассмотрен пример расчета бесстанинной клети 630 среднесортного стана 450 АО “ЕВРАЗ ЗСМК” с использованием модуля прочностного анализа APM FEM Компас-3D.
Abstract. The possibilities of modern computer technology for strength analysis of the rolling equipment. An example of the calculation bastanini crates 630 medium section mill 450 JSC “EVRAZ ZSMK” using the stress analysis module APM FEM for Kompas-3D.
Ключевые слова: компьютерное моделирование; прочностной расчет; прокатное оборудование.
Keywords: computer simulation; strength analysis; rolling equipment.
Прокатное оборудование широко используется на металлургических предприятиях для получения готовой продукции. Условия работы этого оборудования связаны с большими статическими и динамическими нагрузками, высокой температурой. Такие условия эксплуатации создают высокие риски возникновения инцидентов, существенно влияют на качество выпускаемой продукции. Стоимость основного прокатного оборудования, затраты на его эксплуатацию весьма велики и поэтому все непредвиденные остановки и поломки существенно влияют на себестоимость и конкурентоспособность прокатной продукции.
Одним из возможных путей продления службы прокатного оборудования, снижение затрат на его эксплуатацию это тщательный прочностной расчет с максимальным учетом всех факторов влияния. Вопросу прочностных расчетов прокатного оборудования в технической литературе уделено большое внимание [1, 3, 4]. Имеющиеся методики расчета позволяют проводить предварительную оценку работоспособности прокатного оборудования, но точность их не велика, расчеты громоздки, много факторов остается не учтенными. С развитием компьютерной техники появилась возможность решения задач прочностного анализа оборудования на новом современном уровне с учетом влияния всего многообразия факторов [2]. В последних версиях пакетов программ Компас-3D, SolidWorks предусмотрены модули для прочностного анализа оборудования и конструкций. Модули прочностного анализа базируются на принципах трехмерного конечно-элементного моделирования и позволяют находить распределение напряжений, коэффициенты запаса по пределу текучести и устойчивости детали, температуры в различных точках по объему и др.
Использование упомянутых выше пакетов программ дает возможность конструктору уже на начальных стадиях проектирования принимать правильные и обоснованные конструктивные решения используя, построенные 3D-модели. Это, несомненно, повышает качество и экономит время, затрачиваемое на проектирование.
Основной задачей конечно-элементного моделирования в рассматриваемых пакетах программ является анализ прочности деталей и сборок, для которых важно быстро оценить надежность элементов с возможной оптимизацией конструкции, используя ассоциативную связь геометрической и расчетной моделей.
Проиллюстрируем сказанное выше на примере прочностного расчета бесстанинной клети 630 среднесортного стана 450 ОА “ЕВРАЗ ЗСМК” с использованием приложения APM FEM системы прочностного анализа Компас -3D V16. На начальном этапе необходимо создать трехмерную сборку подушки верхнего валка и анкеров и задать граничные условия по закреплению. Приложить расчетные нагрузки и сгенерировать конечно-элементную сетку с заданным коэффициентом сгущения на поверхности и коэффициентом разрежения в объеме (рисунок 1). Полученную сетку можно просматривать, как на поверхности, так и в глубине тела детали изменяя положение бегунка “глубина просмотра”.
Рисунок 1. Сгенерированная сетка конечных элементов
После выполнения подготовительных операций проводятся расчеты. Полученная при расчетах информация выводится в виде цветных карт, где показано распределение изучаемой величины в любой точке объема исследуемой конструкции. В качестве примера на рисунке 2 показано распределение коэффициентов запаса по пределу текучести в теле сборки.
Для оценки достоверности полученных результатов были проведены расчеты коэффициентов запаса по пределу текучести традиционными методами [6] и сопоставлены с машинными расчетами. При проведении проверочных расчетов для реальных конструкций с использованием приложения APM FEM возникла проблема с ограниченной библиотекой марок сталей. В качестве базовой по умолчанию в приложении используется сталь 10КП. Данное неудобство можно устранить вводя поправочный коэффициент (Кσ).
, (1)
где σист – предел текучести материала, из которого изготовлена соответствующая деталь; σрасч – предел текучести материала, используемого при расчетах.
Рисунок 2. Распределение коэффициентов запаса по пределу текучести в теле сборки
Используя значение поправочного коэффициента можно определить истинное значение коэффициента запаса по пределу текучести (Ки) для любого материала по формуле:
, (2)
где Красч – расчетное значение коэффициента запаса по пределу текучести при использовании материала детали по умолчанию (сталь 10КП).
С учетом поправочного коэффициента минимальное значение коэффициента запаса по пределу текучести при компьютерном моделировании ля анкера составило 46 для подушки 31. При расчете традиционным способом значения коэффициента запаса по пределу текучести составили соответственно 48 и 34. Сопоставление полученных данных показывает, что результаты близки расхождение не более 10%. Однако возможности компьютерного моделирования позволяют выявить участки конструкции с большим запасом по пределу текучести и уменьшить их металлоемкость, а на участках небольшим запасом сосредоточить внимание при плановых проверках.
Приведенные в работе результаты показывают возможности и преимущества современных компьютерных технологий при оценке работоспособности основного прокатного оборудования.
