книги / 818

Периметр непровара разбивается на участки, на которых с определенным шагом назначаются контрольные точки. В этих точках оценивается НДС. Для оценки НДС в работе используются коэффициенты интенсивности напряжений. Между соседними контрольными точками на фронте трещины происходит плавный переход значения КИН.

Рис. 1. Проушины в конструкции рукояти экскаватора (а), наиболее частые места возникновения трещин в сварных соединениях рукояти (б)

Рис. 2. Проушины в конструкции двухчелюстного грейфера

Расчетная схема рассматриваемого сварного соединения представлена на рис. 3, а (размеры указаны в мм). Привариваемый лист не имеет разделку под сварку (без проплавления корня шва), площадь непровара соответствует площади привариваемых поверхностей листа. Модель строится в среде конечно-элементного моделирования ANSYS®.

161

Определение КИН по фронту исходного непровара в данной работе основано на использовании программной команды KCALC [2]. Данная команда рассчитывает КИН по перемещениям узлов двух сингулярных элементов контактирующих берегов трещины. Для моделирования полного раскрытия трещины необходимо располагать перемещениями пяти узлов – узла в вершине трещины, двух узлов на верхнем и нижнем берегах, расположенных на расстоянии ¼ длины элемента от вершины, и двух узлов, расположенных на расстоянии длины элемента (также на верхнем и нижнем берегах). Все узлы должны лежать на одной линии. В случае объемной задачи эта линия должна лежать в плоскости, перпендикулярной фронту трещины.

Строится исходное сечение шва в плоскости, перпендикулярной периметру корня шва (рис. 3, б). В этом сечении к шву достраиваются небольшие площади от основного и привариваемого листов, это позволяет в плоском сечении иметь часть непровара и задавать в вершине трещины сингулярные элементы. При разбиении сечения используются плоские элементы PLANE82, радиус первого слоя сингулярных элементов составляет 0,01мм, в первом слое у элементов средний узел сдвинут на ¼ к вершине [3]. Расстояние между берегами непровара 0 мм.

а б

Рис. 3. Расчетная схема сварного соединения (а), сечение и периметр корня шва (б)

Далее строятся линии фронта трещиноподобного непровара (периметр корня шва). Линия разбивается на восемь участков (см. рис. 3, б), и по ней производится вытягивание в объем сечения шва (команда

162

VDRAG [2]). Вытягивание производится объемными элементами SOLID95 с определенным шагом на каждом участке. Этот шаг определяет длину призматического элемента SOLID95 и формирует контрольные точки на фронте непровара, в которых будет определяться КИН. Построение объема вытягиванием позволяет создавать в контрольных точках перпендикулярные сечения, идентичные исходному сечению. Таким образом, в контрольных точках строятся сингулярные элементы со сдвинутыми на ¼ длины средними узлами, необходимые для выполнения команды KCALC.

Привариваемый лист проварен по всему контуру. Линия фронта непровара на участках 2 и 7 (см. рис. 3, б) поворачивает на 90°. Для построения используется радиус поворота r = 0,0015м. На участке 5 фронт поворачивает на 45°, при построении используется радиус поворота r = 0,002414м. Использование радиусного перехода на поворотах обусловлено наличием в исходном для вытягивания сечении дополнительных площадей от основного и привариваемого листов, речь о которых шла ранее. Впоследствии достраиваются поверхности верхнего и нижнего берегов непровара. Достраиваются объемы свариваемых листов. Объемы модели разбиваются также элементами SOLID95.

На берегах непровара создаются контактные элементы типа «поверхность с поверхностью». Жесткая или ответная поверхность (в терминологии [2]) основного листа моделируется элементами TARGE170. Деформируемая или контактная поверхность привариваемого листа моделируется элементами CONTA174. Коэффициент трения µ = 0,15.

Расчетная модель имеет оси симметрии. В работе рассматривается не только растяжение, но и изгибающая нагрузка, поэтому упрощение модели сводится к использованию симметрии только в продольном сечении. В сечении задаются симметричные граничные условия, на рис. 3, а обозначенные как s (команда DSYM). По нижним поверхностям основного листа задаются ограничения на перемещения по всем направлениям (ALL DOF).

Усилие, передаваемое от штока гидроцилиндра через палец к проушине, моделируется двумя расчетными случаями (см. рис. 3, а): растяжением силой F1 и изгибом силой F2. В обоих случаях прикладываемая нагрузка составляет 250 кН. Характеристики материала:

Е = 2,1·105 МПа, ν = 0,3.

163

Для использования команды KCALC в контрольных точках задавались локальные системы координат.

Результаты численного моделирования

164

Окончание таблицы

В качестве обобщающего параметра для описания НДС в контрольных точках по фронту непровара используется эквивалентный КИН – Keq,учитывающий совместное действие KI, KII и KIII. Определение Keq производится по зависимости

описанной в работе [4], в которой значения коэффициентов β = 1,0,

γ = 1,39.

Направление дальнейшего развития трещины, угол в плоскости, перпендикулярной периметру корня шва в контрольной точке относительно плоскости исходного непровара, определялось по зависимости, предложенной Эрдоганом (Erdogan) и Си (Sih)

Результаты рассчета по зависимостям (1) и (2) для двух случаев нагружения модели с исходным непроваром представлены в таблице.

В расчетном случае F1 приложенная растягивающая нагрузка создает симметричное напряженно-деформированное состояние (рис. 4). На участках 2 и 7 поворота периметра непровара взаимное перемещение берегов непровара значительно уменьшается, поэтому значения КИН падают. Максимальное значение КИН имеет место на участке 5 в зоне оси симметрии модели. Значения KIII малы и на графике (см. рис. 4) не указаны.

165

Рис. 4. Распределение KИН по фронту острого непровара

в расчетном случае F1 (растяжение)

Рис. 5. Распределение KИН по фронту острого непровара

в расчетном случае F2 (изгиб)

Рис. 6. Модель в графически усиленном деформированном состоянии, расчетный случай F2 (изгиб)

166

Врасчетном случае F2 на участках 6, 7, 8 появляется зона сжатия. Наибольшее раскрытие берегов смещается в сторону участка 1. За счет геометрии модели в конце участка 4 KI падает до нуля, но на участке 5

ив самом начале 6 (рис. 5, 6) появляется небольшое раскрытие берегов.

Вработе представлен первый шаг развития трещины от острого непровара. Используя значения эквивалентного КИН и угла θ (см. таблицу) можно прогнозировать траекторию дальнейшего развития трещины. Данную методику построения можно использовать для оценки опасности острых непроваров сложной геометрии в сварных соединениях.

Список литературы

1.Americas 311-385 HEX Dealer Quality Communication [Элек-

тронный ресурс] //America’s HEX TC Meeting: материалы семинара, 6 апр. 2010 г. / Систем. требования: PowerPoint. – URL: https://kn.cat. com (дата обращения: 21.09.2011).

2.Release 10.0 Documentation for ANSYS // [Электронная биб-ка Help] / Ansys, Inc., 2005. – URL: http://www.ansys.com (дата обращения: 20.12.2012).

3.Морозов Е.М., Муйземнек А.Ю., Шадский А.С. ANSYS в руках инженера: механика разрушения. – М.:ЛЕНАНД, 2008. – 456 с.

4.Radaj D., Berto F., Lazzarin P. Local fatigue strength parameters for welded joints based on strain energy density with inclusion of small-size notches // Engineering Fracture Mechanics. – 2009. – Vol. 76. – C. 1109– 1130.

Получено 28.02.2012

167

УДК 656:338.47

В.И. Кычкин, А.В. Дрожжев, М.А. Утев

Пермский национальный исследовательский политехнический университет

СПОСОБ ЭФФЕКТИВНОЙ ОРГАНИЗАЦИИ ДВИЖЕНИЯ АВТОМОБИЛЬНОГО

И ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ТРАНСПОРТА

Приводится систематизированный обзор использования глобальных навигационных спутниковых группировок гражданского назначения в целях внедрения в практику автоматизированных средств управления транспортным комплексом. Предусмотрены информационное сопровождение и мониторинг их использования на основе предложенного подхода к оптимизации маршрута движения транспортных средств в конкретных условиях.

Ключевые слова: глобальная навигационная система, задача коммивояжера, орграф, целевая функция, датчик уровня топлива, акустический метод.

Принцип работы системы управления движением автотранспортного средства (АТС) заключается в отслеживании и анализе координат АТС во времени и пространстве. Реализация такой системы управления предполагает использование мощных комплексов, включающих спутниковые группировки космических аппаратов, наземных систем управления и развитую структуру систем передачи данных. Навигационный модуль может быть организован на основе приемников, работающих в системе спутниковой радионавигации GPS/NAVSTAR или ГЛОНАСС. Первая использует иностранные спутники, вторая – российские. Возможен вариант одновременного использования сигналов – так называемые двухсистемные приемники. Система спутникового мониторинга (ССМ) – распространенный способ эффективно организовать перевозку грузов, пассажиров, технологические операции строительных и дорожных машин. Global Positioning System (Спутниковая радионавигационная система) – это всепогодная система космического базирования. Она позволяет определить текущее местоположение подвижных объектов и их скорость, а также осуществлять точную координацию времени. В состав системы входят: созвездие ИСЗ; сеть назем-

168

ных станций слежения и управления; GPS-приемники. Все это объединено в общую сеть и управляется Министерством обороны США. Космический сегмент системы GPS на данный момент содержит 24 спутника. У каждого спутника имеется порядковый номер, всего номеров зарезервировано 32. По состоянию на 2005 г. на орбите находилось 29 рабочих спутников, 5 из которых уже отработали свой срок. Период обращения одного спутника составляет 11 ч 56,9 мин. Вес каждого спутника около 835 кг, линейный размер более 5 м. На борту установлены атомные часы, обеспечивающие точность 0,000 000 001 с, вычислительно-кодирующие устройство и передатчик мощностью 50 В. Спутники размещены на 6 орбитальных плоскостях. Высота орбит примерно равна 20 200 км, угол наклона орбит составляет 55° к экватору Земли.

Функционирование аппаратуры потребителя приведено на рис. 1.

Рис. 1. Схема функционирования оборудования

На точность определения координат существенное влияние оказывают ошибки, возникающие при выполнении процедуры измерений. Природа этих ошибок различна.

Характеристика ошибок измерений

Глобальная навигационная спутниковая система (ГЛОНАСС) – советская и российская спутниковая система навигации, разработана по заказу Министерства обороны СССР, одна из двух функционирующих на сегодня систем спутниковой навигации. Основой системы должны являться 24 спутника, движущихся над поверхностью Земли в трех орбитальных плоскостях с наклоном орбитальных плоскостей 64,8°

ивысотой 19 100 км. Принцип измерения аналогичен американской системе навигации NAVSTAR GPS. В настоящее время развитием проекта ГЛОНАСС занимается Федеральное космическое агентство (Роскосмос)

иОАО «Российские космические системы». Основное отличие от системы GPS в том, что спутники ГЛОНАСС в своем орбитальном движении не имеют резонанса с вращением Земли, что обеспечивает им большую стабильность. Таким образом, группировка ГЛОНАСС не требует дополнительных корректировок в течение всего срока активного существования. Срок службы спутников ГЛОНАСС заметно короче.

Клиентское оборудование ГЛОНАСС стоит дороже, имеет большие размеры и худшие параметры энергопотребления. Этим объясняется сложность внедрения ГЛОНАСС-мониторинга и вынужденное его использование государственными предприятиями России. Конструктивно система мониторинга обычно имеет следующую структуру: набор датчиков, мобильное устройство, сервер мониторинга. Укрупненная схема осуществления мониторинга изображена на рис. 2.

Под мониторингом понимается комплекс мероприятий, направленных на периодическое получение информации о местоположении и состоянии объекта [1]. Мониторинг должен обеспечивать возможность прогнозирования времени и условий прибытия к месту назначения. Требования к мониторингу обусловлены современным состоянием логистики, реализация которой возможна только при использовании передовых технологий в области навигации, телеметрии, телекоммуникации и компьютерных систем. Системы спутникового мониторинга транспорта решают следующие задачи: контроль за целевым использованием транспорта; проверка действительного маршрута, пройденного транспортным средством, точки остановок, скоростного режима, расхода топлива, времени работы механизмов, определение на карте контрольных зон, присвоение им наименования, проверка времени пересечения границ зоны. Отчет может представляться как с использованием картографической информации, так и в текстовом виде. Текстовый

170