Архитектура Аудит Военная наука Иностранные языки Медицина Металлургия Метрология
Образование Политология Производство Психология Стандартизация Технологии


Структурное моделирование надежности и разрушения



Моделирование развития аварийной ситуации выполняется в следующей последовательности.

1. Выполняется структурный анализ конструкции, при котором выделяются составляющие элементы конструкции и их соединения. Конструкция представляется в виде логической схемы, представляющей пути прохождения силового потока при приложении нагрузки. В результате ее анализа определяется перечень наиболее опасных с точки зрения возможности разрушения элементов.

2. Разрабатываются сценарии возникновения аварийных ситуаций в виде возможных предельных состояний в слабых элементах и возможных механизмов развития аварийной ситуации в конструкции. Они представляют собой схемы, показывающие возможные пути (траектории) развития аварийной ситуации, а также протяженность во времени (количество фаз развития) каждой траектории при заданных начальных условиях.

3. Выполняется многоэтапное конечно-элементное моделирование напряженно-деформированного состояния конструкции в условиях предполагаемой аварийной ситуации. Вначале выполняется анализ номинального напряженного состояния. Его результаты сопоставляются с выполненной при анализе структурной схемы конструкции классификацией элементов и определяются начальные условия развития аварийной ситуации. Количество возможных начальных условий должно соответствовать числу возможных форм развития аварийной ситуации. В качестве начальных условий развития аварийной ситуации рассматриваются разрушения наиболее напряженных элементов наибольшего класса опасности. Механизм разрушения определяется на основе уравнения предельного состояния в предположении наличия технологических или эксплуатационных дефектов. В дальнейших расчетах из модели последовательно удаляются элементы, в которых достигнуто предельное состояние заданного вида. При этом анализируется перераспределение силового потока и изменение характера напряженного состояния несущих элементов конструкции для определения следующих наиболее перегруженных элементов. Эта вычислительная процедура повторяется до ситуации, соответствующей полной потере несущей способности конструкции.

4. По результатам численного анализа строится сценарная диаграмма разрушения конструкции, которая может рассматриваться как основа для оценки живучести и риска.

Рассмотрим практические аспекты реализации изложенной методики на примере моделирования аварии двуногой стойки карьерного экскаватора. Этот узел является наиболее ответственным с точки зрения обеспечения работоспособности всей силовой системы экскаватора.

Конструктивно двуногая стойка состоит из четырех наклонных труб, в нижней части шарнирно прикрепленных к поворотной платформе экскаватора, а в верхней части присоединенных к пространственной листовой конструкции. Две передние стойки связаны в средней части поперечной балкой (рис. 5.10, а). Внешние нагрузки от веса стрелы, рукояти и ковша с породой передаются канатами через блоки, установленные в пространственной листовой конструкции, на барабаны лебедок соответствующих механизмов.

а б

Рис. 5.10. Варианты конструктивного исполнения двуногой стойки

Структурная схема стойки представлена на рис. 5.11, а. Как видно из рисунка, сварные соединения (соединения обозначены буквами С, а детали конструкции – буквами А) весьма неравноценны по последствиям разрушения. По этим последствиям они могут быть сгруппированы в три категории. К I категории относятся соединения без избыточности, разрушение которых приводит к отделению части конструкции (С1, С2, С4, С5, С23, С24, С26, С27, С28, С29). Во II категорию входят соединения с минимальной избыточностью, воспринимающие силовой поток совместно с другим соединением, разрушение такого соединения переводит оставшееся соединение из категории II в категорию I (С3-С8, С6-С7, С9-С25, С16-С17, С15-С18, С14-С19, С11-С20, С12-С21, С13-С22). К примеру, соединения С3 и С8 категории II совместно включают в силовую схему конструкции элементы А1, С1, А3. Разрушение соединения С3 переводит соединение С8 из II категорию в I. Категорию III составляют соединения со значительной избыточностью, разрушения которых приводит к перераспределению силового потока между несколькими конструктивными элементами и не вызывает катастрофических последствий (С10).

а

б

Рис. 5.11. Структурные модели двуногой стойки

 

Рассмотрим разрушение одного из сварных соединений I категории. Допустим, разрушилось соединение С26, соединяющее трубу А14 с шарниром А16. Это предположение является начальным условием для инициирования одной из форм развития аварийной ситуации. Количество этих форм, очевидно, соответствует числу возможных начальных условий, то есть соединений I категории. Разрушение указанного соединения приводит к резкому перераспределению напряженного состояния (рис. 5.12, а), после чего возможны разрушения перегруженных элементов конструкции. На втором этапе в качестве одного из вариантов развития аварийной ситуации возможно разрушение соединения С27 (схема 1.1. на рис. 5.13, а), приводящее к дальнейшему перераспределению напряженного состояния (рис. 5.12, б). На третьем этапе развития аварийной ситуации, исходя из характера напряженного состояния, слабыми звеньями оказываются сварные соединения, разрушение каждого из которых приводит к полной потере конструкцией несущей способности. Выполненная серия расчетов позволила рассмотреть все возможные варианты развития аварийной ситуации при данных начальных условиях (рис. 5.14, а). По результатам моделирования составляется сценарная диаграмма аварийной ситуации (рис. 5.14, а), наглядно представляющая все возможные траектории ее развития и продолжительность каждой траектории.

Рассмотрим возможное конструктивное изменение двуногой стойки и влияние его на сценарии развития аварийной ситуации. Введем между двумя передними стойками в средней части дополнительную поперечную балку (рис. 5.11, б). Как видно, это существенно изменяет структурную модель конструкции (рис. 5.12, б), приводит к существенному перераспределению напряженного состояния (рис. 5.13, в, г), позволяет рассмотреть целый ряд дополнительных сценариев развития аварийной ситуации (рис. 5.14, б, 3.15, б). Рассматриваемое конструктивное изменение приводит не только к росту числа возможных траекторий развития аварийной ситуации, но и к увеличению ее длительности, поскольку возрастает число фаз каждой траектории. Это дает возможность утверждать, что второй конструктивный вариант является более устойчивым к повреждениям и защищенным от возможных аварийных ситуаций.

а б

в г

Рис. 5.12. Напряженное состояние двуногой стойки в условиях развивающейся аварийной ситуации: а – разрушение правого заднего шарнира (первый конструктивный вариант); б – разрушение переднего правого шарнира и правого заднего шарнира (первый конструктивный вариант); в – разрушение правого заднего шарнира (второй конструктивный вариант); г – разрушение правой задней стойки и правого заднего шарнира (второй конструктивный вариант)

 

а

б

Рис. 5.13. Схема последовательного развития повреждений (первая цифра в обозначении варианта повреждения соответствует номеру фазы развития аварийной ситуации, вторая – номеру траектории): а – первый конструктивный вариант; б – второй конструктивный вариант

 


а б

Рис. 5.14. Диаграммы сценариев аварий двуногой стойки: а – первый конструктивный вариант;

б – второй конструктивный вариант


Предлагаемый подход к моделированию разрушения несущих конструкций в условиях аварийных ситуаций можно рассматривать как основу для дальнейших усовершенствований методов проектирования конструкций повышенной живучести, защищенных от быстрого перехода локальных повреждений в катастрофическую аварийную ситуацию. Методы проектирования сложных технических систем в качестве обязательного элемента должны включать определенный тест на устойчивость структуры к возникновению аварийных ситуаций. Это позволит не только повысить безопасность систем, но и сократить затраты на последующие экспериментальные исследования характеристик конструкционной прочности, надежности и живучести. Развитие данного направления тесно связано с бурным ростом вычислительных мощностей и возможностей современных программных средств. Уже сейчас эти возможности дают основания для серьезного пересмотра некоторых концептуальных положений проектирования конструкций технических систем с введением в число обязательно анализируемых параметров функций живучести и риска.

 


 

Заключение

 

Проектирование является важным этапом подготовки к созданию технической и технологической документации. В этом пособии рассматривались основы проектирования машин в целом. А также особенности проектирования металлургических машин в частности.

В первом разделе были рассмотрены общие принципы проектирования, этапы проектирования и требования к проекту.

Рассматривались такие основные разделы как: Статистико-вероятностный анализ при проектировании, в котором большое внимание отводится погрешностям в конструкциях. В третьем разделе рассматриваются особенности оптимального проектирования, в который входит математическое моделирование.

В четвертом разделе «Проектные расчеты конструкций металлургического оборудования» рассмотрены основные алгоритмы расчетов металлургического оборудования.

Пятый раздел посвящен проектированию и моделированию аварийных ситуаций.

 

 


 

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

 

1. Арутюнов В.А., Бухмиров В.В., Крупенников С.А. Математическое моделирование тепловой работы промышленных печей. – М.: Металлургия, 1990. –239 с.

2. Теплотехнические расчеты при автоматизированном проектировании нагревательных и термических печей: Справочник / В.Л.Гусовский, А.Е.Лифшиц, В.Г.Масалович, А.Б.Усачев; Под ред. А.Б.Усачева. – М.: Черметинформация, 1999. – 185 с.

3. Краткий справочник конструктора нестандартного оборудования. В 2-х т. Т. 2 / В.И.Бакуменко, В.А.Бондаренко, С.Н.Косоруков и др.; Под общ. ред. В.И.Бакуменко. – М.: Машиностроение, 1997. – 524 с.

4. Доронин С.В. Проектные расчеты конструкций металлургического оборудования. – Красноярск: ГУЦМиЗ, 2004. – 79 с.

5. Герасимов Е.Н. Многокритериальная оптимизация бруса и стержневых конструкций. – М.Металлургия, 1981. – 250 с.

6. Гримайло Л.Я., Каганов В.Л. Алгоритм проектирования составных решетчатых колонн минимального веса // Строительная механика и расчет сооружений. – 1973. – № 1.

7. Кокорин В.С., Смирнов И.И. Расчеты металлургического оборудования на ЭВМ при проектировании производства тяжелых цветных металлов: Методические указания по курсовому и дипломному проектированию. – Красноярск: КИЦМ, 1984. – 44 с.

8. Набойченко С.С., Юнь А.А. Расчеты гидрометаллургических процессов. – М.: МИСИС, 1995. – 428 с.

9. Гребеник В.М., Иванченко Ф.К., Ширяев В.И. Расчет металлургических машин и механизмов. – К.: Выща школа, 1988. – 448 с.

10. Нагруженность, несущая способность и долговечность прокатного оборудования / Б.Н.Поляков, Ю.И.Няшин, Н.Ф.Волегов, А.Ф.Трусов. – М.: Металлургия, 1990. – 320 с.

11. РД 06-376-00. Методические рекомендации по классификации аварий и инцидентов на опасных производственных объектах горнорудной промышленности и подземного строительства // Безопасность труда в промышленности. – 2000. – № 10. – С. 59-61.

12. Методика оценки последствий химических аварий. Методика оценки последствий аварийных взрывов топливно-воздушных смесей / Сборник методик № 1. – М.: Госгортехнадзор РФ, НТЦ “Промышленная безопасность”, 1999. – 112 с.

13. Дюбуа Д., Прад А. Теория возможностей. - М.: Радио и связь, 1990. – 288 с.

14. Нечеткие множества в моделях управления и искусственного интеллекта / Под ред. Д.А.Поспелова. – М.: Наука, 1986. – 312 с.

15. Система прогнозирования аварийных ситуаций на предприятиях, эксплуатирующих грузоподъемные машины / О.С.Ипатов, С.А.Лосев, В.Л.Рыбников, И.Н.Чернышов // Безопасность труда в промышленности. – 2000. – № 10. – С. 11-12.

16. Андреева Н.Н., Ситенков В.Т. Выбор сценария развития аварии на нефтяном промысле // Безопасность труда в промышленности. – 1999. – № 7. – С. 17-20.

17. Моделирование аварийной разгерметизации поврежденного подземного газопровода и воздействия истекающего газа на соседний трубопровод / В.Г.Баженов, Ю.Н.Бухарев, В.И.Жуков, В.Л.Котов, А.В.Кочетков, С.В.Крылов // Проблемы машиностроения и надежности машин. – 1999. – № 2. – С. 109-114.

 


Поделиться:



Популярное:

Последнее изменение этой страницы: 2017-03-11; Просмотров: 676; Нарушение авторского права страницы


lektsia.com 2007 - 2024 год. Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав! (0.023 с.)
Главная | Случайная страница | Обратная связь