Исследование напряженно-деформированного состояния конструкций цистерн пожарных автомобилей

УДК 004.94

ИССЛЕДОВАНИЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ КОНСТРУКЦИЙ ЦИСТЕРН ПОЖАРНЫХ АВТОМОБИЛЕЙ

С.Г. Короткевич, В.А. Ковтун

Проведён анализ причин нахождения в ремонте пожарных автоцистерн. В результате было установлено, что одной из наиболее часто встречающихся проблем является нарушение герметичности ёмкости для жидкости. Были проанализированы существующие методики для проведения оценки напряжённо-деформированного состояния элементов и узлов конструкций оболочечного типа. В результате было установлено, что применение современных компьютерных программных комплексов позволяет наиболее эффективно проводить исследовательские расчёты. Путём использования программного комплекса АЫ8У8 разработана конечно-элементная модель цистерны пожарного автомобиля. Проведены расчёты при различных эксплуатационных режимах движения. Проведение подробного анализа полученных результатов позволило разработать ряд конструкционных дополнений и изменений для повышения эксплуатационных характеристик и увеличения межремонтного периода, а также проводить проектные расчёты новых конструкций цистерн.

Ключевые слова: автоцистерны, динамика, деформация, компьютерное моделирование, оптимизация конструкций.

Введение. Несмотря на постоянное совершенствование технологий изготовления ёмкостей для транспортировки жидкостей, применяемых на автотранспорте, существует ряд конструкционных недостатков, которые оказывают существенное влияние на напряжённо -деформированное состояние и являются концентраторами напряжений. При

проектировании и производстве пожарных автоцистерн сложившаяся в настоящее время тенденция повышения полезного объема при одновременном снижении материалоемкости за счет использования тонкостенных конструкций приводит к существенному повышению уровня напряженного состояния конструкции. Наряду со сложностью форм и воздействий тонкостенные конструкции, как правило, отличаются еще и тем, что к ним предъявляются жесткие требования в отношении сочетания надежности и легкости. Вот почему расчет таких конструкций исключительно ответственен; вместе с тем он достаточно сложен. Этими обстоятельствами и объясняется то большое внимание, которое уделяется теории тонкостенных систем, методам их расчета и численной их

реализации. Необходимо также отметить, что вблизи мест соединения частей оболочек, а также других мест резкого изменения их формы имеет место значительная концентрация напряжений. Поэтому выбор мест установки рёбер жесткости, основанный на научно-исследовательских подходах, позволит значительно увеличить срок эксплуатации конструкции [1-2].

Обеспечение повышенных требований к прочности конструкции пожарной автоцистерны также обусловлено необходимостью следовать к месту вызова на пожар не только по асфальтированным, но и по просёлочным дорогам. Часто пожары возникают в лесах, кустарниках, торфяниках, подъезд к которым затруднён отсутствием ровного дорожного покрытия для такой крупногабаритной техники. В таких условиях при движении корпус испытывает осевые воздействия в различных направлениях, что передаёт значительные, не редко критические нагрузки на угловые места сварки конструкции цистерны. Устранение возникающих повреждений требует большого объёма подготовительных и ремонтных работ, которые ведут к простою

техники в течение продолжительного времени. Целостность резервуара, как основной составляющей конструкции по назначению при использовании пожарной автоцистерны, определяет постоянную готовность ее к боевому выезду.

Практически все пожарные автоцистерны Гомельского областного гарнизона, имеющие срок эксплуатации до 10 лет, смонтированы на базе шасси отечественного производства Минского автозавода. Был проведён анализ записей по количеству пожарных автоцистерн, находящихся в ремонте, в журнале по «Учёту технического обслуживания и ремонта техники» по Гомельской области в Производственно-техническом центре МЧС г. Гомеля за 2013-2016 гг. В результате было установлено, что порядка 22 % от всех эксплуатируемых в Гомельской области АЦ 5.0 на базе шасси 5337 2009-2014 года выпуска каждый год ремонтируются по причине нарушения герметичности ёмкости для жидкости. В данных моделях при эксплуатации начинают появляться трещины в местах соединения перегородок (волноломов) с оболочкой резервуара, а также угловых местах сварки.

В результате проведённого анализа можно сделать вывод о том, что в существующих конструкциях не обеспечивается должным образом эксплуатационная надёжность автоцистерн, что приводит к значительному увеличению нагрузки на оболочку при различных эксплуатационных режимах. Таким образом, изучение и установление причин нарушения целостности оболочки цистерны, разработка новых конструкций или усиливающих конструкционных элементов является для пожарной аварийно-спасательной техники актуальным направлением.

Методы проведения исследования. Актуальность задачи обеспечения прочности при проектировании конструкций оболочечного типа обуславливает широкое разнообразие методов оценки их напряженно-деформированного состояния. На данный момент выделяют следующие методы исследования напряженно-деформированного состояния:

- экспериментальные;

- аналитические;

- численный (метод конечных элементов).

Особенностью экспериментальных методов

является необходимость проведения исследований непосредственно на образце конструкции; при поиске оптимальной конструкции зачастую требуется провести несколько экспериментов и измерений, что влечет за собой значительные затраты материальных ресурсов и времени; внесение любого изменения в объект требует изготовления нового образца изделия. Таким образом, данный метод длителен, трудоёмок и экономически не оправдан, что обуславливает необходимость рассмотрения альтернативных путей для исследования напряженно-деформированного

состояния конструкций ёмкостей для жидкости оболочечного типа.

Применение аналитических методов состоит в расчёте нагрузок, действующих на отдельные элементы, методами строительной механики и последующем решении основной задачи статики упругого тела. Прямая задача теории упругости состоит в определении девяти функций 0;Дхй) и ^(х^.), определяющих напряженно-деформированное состояние тела в зависимости от внешнего воздействия на него. Её принято решать, если за основные неизвестные функции, определяемые в первую очередь, принимаются либо перемещения и1(хк), либо напряжения 0;Дх^) [3]. При решении прямой задачи в перемещениях все три компонента щ вектора перемещения определяются из уравнений Ламе и системы уравнений граничных условий. Далее из дифференциальных зависимостей Коши определяются компоненты е^ тензора деформаций, а по уравнениям закона Гука находятся компоненты о^ тензора напряжений. При этом аналитическое определение напряжений наиболее эффективно для достаточно простых конструкций, таких как балки, фермы, пластины и т.д. Наличие препятствий, которыми и являются устройства гашения колебаний жидкости в емкости для жидкости, ведёт к образованию вертикальной неоднородности течения. Для решения задачи требуется применять численные методы с учётом наличия разрывных решений, обусловленных нелинейностью и гиперболичностью уравнений, или аналитические методы со специальными условиями, которые описаны в исследованиях различных учёных и, в основном, в линейной постановке с различными упрощениями в формулах [4-5].

Современные компьютеры дают возможность широкого использования численных методов определения напряжений и деформаций в элементах конструкций сложной формы. При построении количественной математической модели системы практически любого рода обычно начинают с установления поведения бесконечно малого (дифференциального) ее элемента на основании предполагаемых соотношений между главными переменными, характеризующими систему. Это приводит к описанию системы при помощи дифференциальных уравнений. Как только построена основная модель и выяснены свойства конкретного дифференциального уравнения, дальнейшие усилия направляются на получение решения уравнений в конкретной области, которая часто имеет очень сложную форму и состоит из различных сред, имеющих сложные свойства. На границах области задаются различные условия; они могут быть постоянными или меняться со временем и т.д. Поэтому не удивительно, что решение таких дифференциальных уравнений было основным делом аналитиков в течение более двух столетий. Наличие нерегулярных границ в

большинстве практических задач не позволяет построить аналитическое решение

дифференциальных уравнений, и численные методы стали единственным возможным средством получения достаточно точных и подробных результатов.

Главное преимущество численных методов заключается в том, что они являются универсальными по отношению к вариациям исходной силовой и геометрической информации и позволяют быстро выполнять анализ воздействия разнообразных определяющих переменных (геометрических, нагружения, особенностей структуры и свойств) на состояние механической системы. Метод конечных элементов обладает рядом преимуществ по сравнению с другими методами анализа напряженно-деформированного состояния:

- широкий диапазон применимости (в отличие от аналитических методов, разработанных для прочностного анализа достаточно простых конструкций, метод конечных элементов позволяет осуществлять расчет деталей любых форм с учетом всех особенностей геометрии, наличия концентраторов напряжений и т.д.);

- легкость учета граничных условий и условий нагружения;

- экономия временных и материальных ресурсов, воспроизводимость эксперимента (по сравнению с экспериментальными методами исследования).

Таким образом, из проведённого анализа можно сделать вывод о том, что проектные расчеты напряженно-деформированного состояния

конструкций емкостей для жидкости оболочечного типа целесообразно выполнять с использованием вычислительных конечно-элементных

программных продуктов. Это обусловлено сложностью геометрии цистерны и

Рис. 1. Трехмерная геометрическая модель цистерны АЦ-5.0(533 7)А2

Задание свойств материала осуществлялось на базе механических характеристик нержавеющей стали [8] толщиной 3 мм, из которой выполнена конструкция цистерны:

необходимостью учета нелинейных эффектов, связанных с пластическим деформированием материала, которые могут возникнуть при нагружении модели при задании различных эксплуатационных режимов.

Создание расчётной компьютерной модели. Цистерна (рис. 1) состоит из передней, задней, боковых, нижней и верхней стенок. К нижней стенке цистерны приварены два лонжерона и шесть кронштейнов с установленными резиновыми сайлентблоками. Внутри цистерны расположены рёбра жёсткости и волноломы. Цветными линиями отмечены места, подверженные появлению течи, в результате проведённого анализа ремонтируемых автоцистерн.

Для решения задачи применялся программный комплекс конечно-элементного анализа А№У8. Построение расчетной схемы включает в себя следующие этапы:

- создание оболочечной модели цистерны;

- разбиение оболочечной модели на конечные элементы;

- задание свойств материала;

- определение условий нагружения и граничных условий для модели исследуемого объекта.

Для решения задач в области исследования напряжённо-деформированного состояния

конструкций оболочечного типа оптимальным решением формы элемента дискретизации был принят гексаэдр, это позволило ускорить процесс расчета, повысить его сходимость (точность) и устойчивость [6,7]. Выбор данного типа элементов обусловлен тем, что в нем предусмотрены возможности учета больших деформаций и напряжений. Построенная конечно-элементная модель (рис. 2) содержит 374849 узлов и 317603 элементов

Рис. 2. Наложение сетки для проведения расчётов

- модуль упругости Е =206 • 109 Па;

- коэффициент Пуассона у=0,3;

- плотность р=7900 кг/м3;

- предел текучести ст=200 МПа;

- предел прочности св=530 МПа.

В качестве нагрузок были рассмотрены 4 режима нагружения [9-11]:

- 1 режим движения (вертикальная сила = 9.81*т, продольная сила = 0.4*9.81*т, действующая по ходу движения);

- 2 режим движения по дороге с неровностями (вертикальная сила = 9.81 *т, продольная сила = 0.7*9.81*т, действующая по ходу движения);

Сводные данные

- 3 режим торможения (вертикальная сила = 9.81*т, продольная сила = 0.4*9.81*т, действующая по ходу движения);

- 4 режим поворота налево с торможением (вертикальная сила = 9.81*т, поперечная сила = 0.4*9.81*т, действующая направо, продольная сила = 0.4*9.81*т, действующая по ходу движения).

В таблице объединены результаты проведённых измерений при различных режимах моделирования движения.

Таблица

тных измерений

Режим Значение, Смах, МПа Коэффициент запаса прочности, n

Исходной конструкции

1 режим Угловые места сварки 72 2,36

Место крепления волнолома 82 2,1

Крепление уголка к стенке цистерны 70 2,42

Крепления дна цистерны к боковой стенке 90 1,88

2 режим Угловые места сварки 138 1,23

Место крепления волнолома 145 1,17

Крепление уголка к стенке цистерны 115 1,47

Крепления дна цистерны к боковой стенке 156 1,08

3 режим Угловые места сварки 118 1,44

Место крепления волнолома 112 1,51

Крепление уголка к стенке цистерны 104 1,63

Крепления дна цистерны к боковой стенке 135 1,25

4 режим Угловые места сварки 125 1,36

Место крепления волнолома 128 1,32

Крепление уголка к стенке цистерны 131 1,29

Крепления дна цистерны к боковой стенке 146 1,16

После проведения расчёта максимальные эквивалентные напряжения на корпусе цистерны были зафиксированы при движении по дороге с неровностями (рис. 3, 4).

- в зонах А (угловые места сварки) смах = 138 МПа, коэффициент запаса прочности с учётом снижения механических характеристик от сварных швов п=1,23;

- в зоне Б (волнолом к стенке цистерны) смах = 145 МПа, коэффициент запаса прочности с

0,250 0,750

Рис. 3. Поля эквивалентных напряжений в конструкции

учётом снижения механических характеристик от сварных швов п=1,17;

- в зоне В (крепление уголка к стенке цистерны) смах =115 МПа, коэффициент запаса прочности с учётом снижения механических характеристик от сварных швов п=1,47;

- в зоне Г (крепления дна цистерны к боковой стенке) смах =156 МПа, коэффициент запаса прочности с учётом снижения механических характеристик от сварных швов п=1,08.

0,250 0,750

Рис. 4. Поля эквивалентных напряжений в конструкции

Согласно технической документации и производственным стандартам качества проектировщик в своих расчётах должен учитывать коэффициент запаса прочности, с учётом снижения механических характеристик от сварных швов, который для конструкций цистерн должен быть минимально равен 1,5 по отношению к гарантированному пределу прочности выбранного типа стали. В результате было установлено, что коэффициент надёжности в существующей конструкции при различных режимах эксплуатации оказался значительно ниже. Исходя из этого можно сделать вывод о том, что при движении данной модели автоцистерны от воздействия возникающих нагрузок при попадании колесом на неровность, движении по пересечённой местности с большой скоростью или большими перепадами высот относительно корпуса автомобиля, будет происходить его значительная деформация с возможным повреждением целостности и герметичности.

Данная методика, основанная на научно-обоснованных подходах к прогнозированию состояния конструкций в пожарных автоцистернах, может быть использована для решения задач по повышению эксплуатационной надёжности для различных ёмкостей оболочечного типа. На основе подробного анализа результатов, проводимых с помощью компьютерного моделирования расчетов, возможно прогнозирование дефектов,

возникающих при производстве и проектировании, проведение оценки срока эксплуатации конструкции. Кроме того, численное

моделирование позволяет разработать мероприятия по модернизации опор крепления и корпусов существующих и проектируемых конструкций.

Заключение. По результатам проведённых исследований можно сделать следующие выводы:

1. Проведён анализ современных методов исследования напряженно-деформированного состояния конструкций емкостей для жидкости оболочечного типа, в результате которого было установлено, что численные подходы компьютерного моделирования методом конечных элементов обладают большей эффективностью в решении задач данного типа.

2. Разработана конечно-элементная модель для определения напряжённо-деформированного состояния ёмкости для жидкости пожарной автоцистерны. Анализ полей эквивалентных напряжений в конструкции показал области с максимальными значениями нагрузок. Полученные результаты отлично коррелируют с информацией о часто ремонтируемых местах, предоставленной производственно-техническим центром МЧС г. Гомеля, осуществляющим ремонт пожарных автоцистерн.

3. Представленные результаты исследований получены в области прочностных свойств оболочек и могут быть использованы при ремонте с целью оптимизации отдельных элементов конструкции ёмкостей для жидкости, а также при проектировании новых образцов спецтехники, в частности, цистерн пожарных автомобилей.

Библиография

1. Головченко В.И. Основные положения расчета крепления цистерны к шасси автомобиля автотопливозаправщика / В.И. Головченко, Н.Л. Иванина // Вестник НТУ «ХПИ». - 2012. - №22. - С. 40-47.

2. Безухов Н.И. Основы теории упругости, пластичности и ползучести / Н.И. Безухов. - Минск: Высшая школа, 1993. - 512 с.

3. Демидов С.П. Теория упругости / С.П. Демидов. — Москва: Высшая школа, 1979. - 432 с.

4. Биргер И.А. Сопротивление материалов / И.А. Биргер, Р.Р. Мавлютов. — Москва: Наука, 1986. - 560 с.

5. Богомаз Г.И. Динамика железнодорожных вагонов-цистерн / Г.И. Богомаз. - К.: Навукова думка, 2004. - 224 с.

6. Елисеев К.В. Вычислительный практикум в современных CAE-системах / К.В. Елисеев, Т.В. Зиновьева //Компьютерное моделирование. - Санкт-Петербургский Государственный политехнический университет, 2008. - С. 36-54.

7. ANSYS 10.0 Theory reference. ANSYS Inc., 2005.

8. Марочник стали и сплавов (Электронный ресурс) - Режим доступа: http:// splav-kharkov.com -Дата доступа: 20.07.2017.

9. Бенерджи П.В. Методы граничных элементов в прикладных науках / П.В. Бенерджи, Р.И. Баттерфилд. - Москва: Мир, 1984. - 494 с.

10. Мяченков В.И. Расчеты машиностроительных конструкций методом конечных элементов: Справочник / В.И. Мяченков [и др.] - Москва: Машиностроение, 1989. -520 с.

11. Каплун А.Б., Морозов Е.М., Олферьева MA. ANSYS в руках инженера: Практическое руководство. - М.: Едиториал УРСС, 2003. - 272 с.

References

1. Golovchenko V.I. Osnovnye polozheniya rascheta krepleniya cisterny k shassi avtomobilya avtotoplivozapravshchika / V.I. Golovchenko, N.L. Ivanina // Vestnik NTU «HPI». - 2012. - №22. - S. 4047.

2. Bezuhov N.I. Osnovy teorii uprugosti, plastichnosti i polzuchesti / N.I. Bezuhov. - Minsk: Vysshaya shkola, 1993. - 512 s.

3. Demidov S.P. Teoriya uprugosti / S.P. Demidov. — Moskva: Vysshaya shkola, 1979. - 432 s.

4. Birger I.A. Soprotivlenie materialov / I.A. Birger, R.R. Mavlyutov. — Moskva: Nauka, 1986. - 560 s.

5. Bogomaz G.I. Dinamika zheleznodorozhnyh vagonov-cistern / G.I. Bogomaz. - K.: Navukova dumka, 2004. -224 s.

6. Eliseev K. V. Vychislitel'nyj praktikum v sovremennyh CAE-sistemah / K.V. Eliseev, T.V. Zinov'eva // Komp'yuternoe modelirovanie. - Sankt-Peterburgskij Gosudarstvennyj politekhnicheskij universitet, 2008. - S. 36-54.

7. ANSYS 10.0 Theory reference. ANSYS Inc., 2005.

8. Marochnik stali i splavov (EHlektronnyj resurs) -Rezhim dostupa: http:// splav-kharkov.com - Data dostupa: 20.07.2017.

9. Benerdzhi P.V. Metody granichnyh ehlementov v prikladnyh naukah / P.V. Be—nerdzhi, R.I. Batterfild. -Moskva: Mir, 1984. - 494 s.

10. Myachenkov V.I. Raschety mashinostroitel'nyh konstrukcij metodom ko-nechnyh ehlementov: Spravochnik / V.I. Myachenkov [i dr.] -Moskva: Mashino—stroenie, 1989. -520 s.

11. Kaplun A.B., Morozov E.M., Olfer'eva MA. ANSYS v rukah inzhenera: Prakticheskoe rukovodstvo. -M.: Editorial URSS, 2003. - 272 s.

THE RESEARCH OF STRAIN-STRESS STATE OF FIRE APPARATUS TANKS

CONSTUCTION

The analysis of reasons for the repair offire apparatus was held. As a result, it turned out that one of the most common problems is the depressurization of the liquid container. The existing methods for assessing the stress-strain state of the shell-type elements and assemblies were analyzed. As a result, it was found out that the use of modern computer program systems allows conducting the most efficient research calculations. A finite element model of the fire apparatus was developed with a help of the ANSYS software complex. The calculations are carried out under various operating motion modes. The procedure of detailed analysis of the final results makes it possible to develop a number of structural additions and changes for improving merits and increase the interrepair time, and also allows conducting design calculations of new tank designs.

Keywords: tank truck's, dynamics, deformation, computer modeling, research, engineering design, structural optimization.

Короткевич Сергей Геннадьевич,

преподаватель кафедры «Промышленная безопасность», Университет гражданской защиты МЧС Беларуси, Республика Беларусь, г. Минск, e-mail: korotkevichsergei@mail.ru, Korotkevich S. G.,

Lecturer, Department of Industrial Safety,

University of Civil Protection of EMERCOM of the Republic of Belarus, Republic of Belarus, Minsk.

Ковтун Вадим Анатольевич,

д.т.н., профессор,

профессор кафедры «Оперативно-тактической деятельности и техники» Гомельский филиал Университета гражданской защиты МЧС Беларуси, Республика Беларусь, г. Гомель e-mail: vadimkov@yandex. ru Kovtun V.A.,

Doctor of Technical Sciences, Professor, Professor, Department of Operations and Tactics,

Gomel affiliated Branch of the Civil Protection University of EMERCOM of Belarus, Republic of Belarus, Gomel.

© Короткевич С.Г., Ковтун В.А., 2017