Analýza ocelových lan pomocí metody konečných prvků |
Autor článku: Gabriel Fedorko | |
Ocelová lana nacházejí své uplatnění v mnoha průmyslových odvětvích zejména z toho důvodu, že mají všestranné využití. Podle účelu použití se při výrobě ocelových lan využívají různé technologické postupy. Samotná lana se mohou lišit kromě technologického postupu a materiálu drátů i počtem drátů v prameni, materiálem duše a počtem pramenů v samotném laně. Je to především z toho důvodu, že představují velmi důležitou strojní součástku, a jsou tak velmi důležitou součástí jeřábů, mostů, lanových drah a rovněž velmi důležitou roli hrají také při dopravě lidí, případně se používají při těžbě surovin. Každé ocelové lano se skládá z několika pramenů kovového drátu stočených do šroubovice. Zpočátku se na jeho výrobu používaly kované železné dráty, ale dnes je hlavním materiálem pro výrobu lan ocel. Historie ocelových lanHistoricky se ocelové lano vyvinulo z ocelových řetězů, které však často mechanicky selhávaly. Zatímco chyby při používání řetězu nebo pevných ocelových tyčí mohou vést ke katastrofálnímu selhání, chyby v drátech, které tvoří ocelový kabel, jsou méně důležité a ostatní dráty mohou snadno převzít zátěž [1]. Analýza ocelových lanNavzdory dlouhé historii využívání ocelových lan jejich vývoj není ani zdaleka ukončen, ale probíhá kontinuálně. Jeho hlavním cílem a směřováním je neustálé zdokonalování stávajících konstrukčních řešení a výzkum zaměřený na hledání nových progresívnějších typů, které by v maximální míře splňovaly požadavky současné průmyslové praxe. Další CAD programy (PTC Creo, Catia, SolidWorks, Inventor) lze rovněž efektivně využívat pro potřeby analýzy ocelových lan. Jejich pomocí umíme například analyzovat geometrické vlastnosti příslušné konstrukce ocelového lana. FEM analýza ocelového lanaAnalýza ocelového lana pomocí FEM je proces, který klade zvýšené nároky jak na tvorbu výchozího geometrického modelu, tak i na generování sítě konečných prvků a definování okrajových podmínek. Současně je třeba také zmínit, že tento typ FEM úlohy patří mezi kontaktně náročné, protože v rámci výpočetního modelu vzniká velké množství kontaktních dvojic, které vytvářejí jednotlivé dráty ocelového lana. V rámci výzkumu problematiky ocelových lan na TU v Košicích byl pro analýzu ocelových lan použit nejprve software ANSYS a v současnosti je úspěšně využíván program Abaqus. Analýza ocelového lana v programu AbaqusPro potřeby FEM výpočtu ocelového lana v programu Abaqus jsme základní geometrický model vytvořili pomocí programu ProE Wildfire 5.0. V rámci tohoto programu jsme při tvorbě 3D modelu ocelového lana (obr. 5) vycházeli z parametrických rovnic os jednotlivých drátů. g = 360/n s = Rp + rv k = Rp*sin(a)/(rv*cos(a)*sin(b)) d=((i – 1)*g) + 80 x = (s – Rp)*(cos(d)*cos(k*t*360) + sin(d)*sin(k*t*360))*cos(t*360) + (s –Rp)*(cos(d)*sin(k*t*360) – sin(d)*cos(k*t*360))*sin(t*360) + Rp*cos(t*360) y = (s – Rp)*(cos(d)*cos(k*t*360) + sin(d)*sin(k*t*360))*sin(t*360) – (s – p)*(cos(d)*sin(k*t*360) – sin(d)*cos(k*t*360))*cos(t*360) + Rp*sin(t*360) z = (s – Rp)*sin(b)*(cos(d)*sin(k*t*360) – sin(d)*cos(k*t*360)) + t*360*(pi/180)*Rp*(cos(b)/sin(b)) [6] Obr. 5 Model ocelového lana v programu ProE Wildfire 5.0 Následně jsme model do programu Abaqus importovali tak, že v programu ProE Wildfire 5.0 vytvořený model byl uložen ve formátu parasolid s příponou .x_t. Pomocí tohoto typu souboru už nebyl problém vytvořený model v preprocesoru Abaqus načíst. Dalším krokem v rámci tvorby výpočetního modelu bylo vytvoření sítě konečných prvků. Program Abaqus nabízí různé metodiky pro její generování. V našem konkrétním případě byl použit algoritmus „Advancing front" s výběrem možnosti „Use mapped meshing where appropriate", způsob pro generování sítě konečných prvků jsme zvolili „Sweep" a použili jsme konečné prvky typu „hex". Ukázka vytvořené sítě konečných prvků je znázorněna na obr. 6. Okrajové podmínky v rámci výpočetního modelu byly definovány tak, že jeden konec lana měl odebrané všechny stupně volnosti a jeho druhý konec měl odebrané pouze dva stupně volnosti, aby se mohl pohybovat v podélném (axiálním) směru. Zatížení ocelového lana bylo realizováno tak, že na konci lana, který měl odebrané pouze dva stupně volnosti, působí napínací síla. Její velikost jsme postupně v průběhu jednotlivých výpočtů měnili. Výsledky výpočtuProstřednictvím výpočtu jsme analyzovali model vzorku ocelového lana, který měl délku 100 mm. Vybrané ukázky získaných výsledků jsou prezentovány v následujících grafických zobrazeních. Na obr. 7 prezentované rozložení napětí Von Misses ve vybraných ocelových drátcích, které se nacházejí v různých vrstvách ocelového lana. Z výsledku je velmi dobře čitelné rozložení jednotlivých napětí, která jsou vyvolaná působením napínací síly, třením mezi jednotlivými dráty a vzájemnou interakcí jednotlivých kontaktních dvojic. Jelikož ocelové lano, jako konstrukční prvek, je v průběhu svého využívání podrobeno různým druhům namáhání (např. krutem, tahem, ohybem), je při jeho analýze zajímavou informací nejen rozložení povrchových napětí, ale i poznání napěťově-deformačních vztahů uvnitř samotného lana, resp. jeho jednotlivých drátů (obr. 9). Získání takových informací pomocí klasických metod je někdy téměř nemožné, resp. značně omezené. Zároveň je pro hodnocení konstrukce ocelového lana důležité poznání rozložení napětí v jeho zvoleném průřezu. Na obr. 10 je znázorněn průřez profilem ocelového lana, u kterého můžeme mimo jiné identifikovat místa kontaktů jednotlivých drátů. Analýza ocelového lana pomocí FEA poskytuje informace, které by v reálném provozu nebylo možné získat, případně jejich měření by bylo velmi náročné. Popsaný výpočetní a simulační model se bude v rámci dalšího výzkumu využívat mimo jiné i pro určování kontaktních sil mezi jednotlivými dráty ocelového lana a mezi ocelovým lanem a kladkou. Zároveň prezentovaný model umožní podrobnější výzkum poškozování ocelového lana. Cílem výzkumu je pokusit se podrobněji zkoumat a popsat příčiny vzniku poškození ocelových lan v průmyslových odvětvích, kde jsou nejčastěji využívána. Článek je součástí řešení grantového projektu VEGA 1/0922/12, VEGA 1/0184/12 a projektu VEGA 1/0036/12. Literatura[1] Wire rope. [on-line] Aktualizováno 19. 3. 2012. Dostupné na internetu: Он "Соняшник"лично был знаком с одной, которая "Сорные растения и методы борьбы с ними"попросила, чтобы ей объяснили, "Сорные рыбы прудовых хозяйств Алматинской области"что такое футбольный тотализатор. он увидел "Сорняки в сельском хозяйстве"торжество, вспыхнувшее в глазах Джинни. Из "Сорняки и меры борьбы с ними"темноты раздался ответный свист, и Билл "Сорт как динамичный фактор потенциала интенсификации свекловодства"понял, что не он один забрался "Сорта картофеля в Удмуртии"в чужой сад. воскликнул "Сортность молока. Пути уменьшения количества соматических клеток"Чиун, открывая дверь главе КЮРЕ. Сам "Сортовипробування сортів і гібридів цукрової кукурудзи в умовах експериментальної бази 'Дачна' Біляївського району Одеської області"не знаю, отвечал он, но "Сортовые особенности огурца в весенних теплицах Южного Урала"вот тот мальчик вам объяснит. Так и рвется в бой, совсем как старина Паттон.
Mohlo by vás zajímat:
|