Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Современные методы прочностных расчетов элементов конструкции гидромашин. Учебное пособие
.pdf
Министерство науки и высшего образования Российской Федерации
САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ
ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ПЕТРА ВЕЛИКОГО
Институт энергетики
Высшая школа энергетического машиностроения
В. А. Щур Д. Г. Свобода И. О. Борщев
СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ
ПРОЧНОСТНЫХ РАСЧЕТОВ
ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИИ
ГИДРОМАШИН
Учебное пособие
Санкт-Петербург
2024
УДК 62-82:621.65.03
ББК 31.56я73
Щ98
Р е ц е н з е н т ы:
Доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой
гидромеханики и гидравлических машин Национального
исследовательского университета «МЭИ» В. А. Волков
Кандидат технических наук, заведующий отделом гидроэнергетики
и гидроэнергетического оборудования ОАО «НПО ЦКТИ» А. Н. Прокопенко
Щур В. А. Современные методы прочностных расчетов элементов конструкции
гидромашин : учеб. пособие / В. А. Щур, Д. Г. Свобода, И. О. Борщев. – СПб. :
ПОЛИТЕХ-ПРЕСС, 2024. – 103 с.
В учебном пособии изложен материал, необходимый для приобретения
студентами знаний и практических навыков применения современных методов прочностных расчетов элементов конструкции гидромашин при освоении дисциплин «САПР гидромашин», «Динамика и прочность гидромашин», «Компьютерное моделирование САПР».
Предназначено для студентов высших учебных заведений и широкого
круга специалистов в области энергетического машиностроения (научная
специальность 05.04.13 «Гидравлические машины и гидропневмоагрегаты»).
Табл. 11. Ил. 91. Библиогр.: 7 назв.
Печатается по решению
Совета по издательской деятельности Ученого совета
Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого.
© Щур В. А., Свобода Д. Г., Борщев И. О.,
2024
ISBN 978-5-7422-8608-0
doi:10.18720/SPBPU/2/id24-208
© Санкт-Петербургский политехнический
университет Петра Великого, 2024
Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation
PETER THE GREAT ST. PETERSBURG
POLYTECHNIC UNIVERSITY
Institute of Energy
Graduate School of Power Engineering
V. A. Shchur D. G. Svoboda I. O. Borshchev
MODERN METHODS
OF STRENGTH CALCULATIONS
FOR STRUCTURAL ELEMENTS
OF HYDRAULIC MACHINES
Training manual
Saint Petersburg
2024
R e v i e w e r s:
Doctor of Engineering, professor, head of the Department of Hydromechanics
and Hydraulic Machines at the National Research University “Moscow Power
Engineering Institute” V. A. Volkov
Candidate (PhD) of Engineering, head of the Hydropower and Hydropower
Equipment Department at JSC “NPO CKTI” A. N. Prokopenko
Shchur V. A. Modern methods of strength calculations for structural elements
ofhydraulic machines : training manual / V. A. Shchur, D. G. Svoboda, I. O. Borshchev. – St.Petersburg : POLYTECH-PRESS, 2024. – 103 p.
The training manual describes the material necessary for students to acquire
knowledge and practical skills to apply modern methods of strength calculations
for hydraulic machine structural elements when studying the disciplines “CAD
of hydraulic machines”, “Dynamics and strength of hydraulic machines”,
“CAD computer modeling”.
It is intended for students and a wide range of specialists in the eld of power
engineering (major 05.04.13 “Hydraulic machines and hydropneumatic units”).
Tables 11. Figures 91. References: 7 titles.
Printed by the Publishing Council
of the Peter the Great St. Petersburg polytechnic university Academic Council.
© Shchur V. A., Svoboda D. G.,
Borshchev I. O., 2024
ISBN 978-5-7422-8608-0
doi:10.18720/SPBPU/2/id24-208
© Peter the Great St. Petersburg
Polytechnic University, 2024
ОГЛАВЛЕНИЕ
Список условных обозначений и сокращений ........................................ 7
Введение .................................................................................................... 8
Г л а в а 1. Основы расчета на прочность элементов конструкции
гидромашин ................................................................................................ 9
1.1. Нагрузки, действующие в гидромашинах .......................................... 9
1.2. Виды разрушений элементов конструкции ..................................... 22
1.3. Основные методы расчета на прочность ......................................... 25
1.4. Учет касательных напряжений в расчете на срез ............................ 33
1.5. Основные узлы и детали гидромашины .......................................... 36
Г л а в а 2. Лабораторные работы ............................................................ 43
2.1. SolidWorks Simulation ........................................................................ 43
2.2. Лабораторная работа 1. Расчет штока на прочность ....................... 44
2.2.1. Исходные данные ........................................................................... 44
2.2.2. Проведение расчета ....................................................................... 47
2.2.3. Обработка и анализ результатов расчета ...................................... 55
2.2.4. Исследование сеточной сходимости в галтельных переходах.
Анализ результатов расчета в зависимости от типа решающей
программы .............................................................................................. 57
2.2.5. Обработка и анализ результатов расчета ...................................... 66
2.3. Лабораторная работа 2. Исследование влияния дефекта
материалов на прочность деталей .......................................................... 67
2.3.1. Исходные данные ........................................................................... 68
2.3.2. Проведение расчета ....................................................................... 70
2.3.3. Обработка и анализ результатов расчета ...................................... 74
2.4. Лабораторная работа 3. Расчет сварных конструкций
из металлопроката .................................................................................. 75
2.4.1. Исходные данные ........................................................................... 75
2.4.2. Порядок построения конструкции ............................................... 76
2.4.3. Проведение расчета ....................................................................... 80
2.4.4. Обработка и анализ результатов расчета ...................................... 82
2.5. Лабораторная работа 4. Связь расчетов Flow Simulation
и Simulation в SolidWorks ........................................................................ 84
2.5.1. Исходные данные ........................................................................... 84
2.5.2. Проведение расчета ....................................................................... 85
2.5.3. Обработка и анализ результатов расчета ...................................... 91
2.6. Лабораторная работа 5. Линейный и нелинейный анализ
прочности. Деформируемые тела .......................................................... 92
2.6.1. Исходные данные ........................................................................... 93
2.6.1. Проведение расчета ....................................................................... 93
2.6.3. Обработка и анализ результатов расчета ...................................... 98
Библиографический список ..................................................................101
Приложение. Расчет осевой силы в программе компьютерной
математики Мathcad ..............................................................................102
СПИСОК УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ И СОКРАЩЕНИЙ
SW – программный комплекс SolidWorks
μ – коэффициент Пуассона
E – модуль Юнга (модуль продольной упругости)
Δ – максимальный статический прогиб вала
FOS – обозначение коэффициента запаса прочности в SolidWorks
ГМ – гидравлическая машина
ЛН – лопастной насос
РК – рабочее колесо
ЦН – центробежный насос
σ – расчетное нормальное напряжение
[σ] – допускаемое нормальное напряжение
σ
= σ
lim
σ
– предел текучести
τ
R
– предел текучести при остаточной деформации 0,2 %
p02
σ
– предел прочности на растяжение (временное сопротивление)
в
T
R
– временное сопротивление при расчетной температуре
m
[σ]
– предел усталости (предел выносливости)
у
σ
, σ2, σ3 – главные нормальные напряжения
1
σ
– напряжение смятия
см
T
– расчетная температура
t
– предельное напряжение
пред
τ – расчетное касательное напряжение
[τ
] – допускаемое касательное напряжение среза
ср
[τ] – допускаемое касательное напряжение
7
ВВЕДЕНИЕ
Материал, представленный в учебном пособии, предназначен
для получения студентами и специалистами знаний прочностных расчетов элементов гидромашин с помощью современного
программного пакета SolidWorks. Даны основы теории прочности
применительно к гидромашинам, а также методы аналитического
и программного определения нагрузок в их основных элементах.
Представлены пять лабораторных работ по расчетам элементов
конструкций гидромашин с использованием программного пакета
SolidWorks Simulation. Данное учебное пособие позволит студентам
быстрее освоить и приобрести навыки его практического применения.
Учебное пособие предназначено для студентов профиля «Гидромашины, гидроприводы и гидропневмоавтоматика» Высшей
школы энергетического машиностроения Санкт-Петербургского
политехнического университета Петра Великого (СПбПУ). Оно
может быть использовано студентами при изучении дисциплин
«Лопастные гидромашины», «Динамика и прочность гидромашин»,
«Конструкции гидромашин», а также специалистами, работающими в области проектирования и расчета гидромашин.
8
Г л а в а 1
ОСНОВЫ РАСЧЕТА НА ПРОЧНОСТЬ ЭЛЕМЕНТОВ
КОНСТРУКЦИИ ГИДРОМАШИН
1.1. Нагрузки, действующие в гидромашинах
В процессе эксплуатации детали, отдельные элементы и узлы/
сборки конструкции гидромашины подвергаются разным типам
нагрузок, которые могут привести к их разрушению (рис. 1.1).
Возможность разрушений и их вид зависят от многих других
факторов, основными из которых являются:
– величина нагрузки и ее изменение во времени (постоянная
или переменная нагрузки);
– геометрия детали (ее форма, размеры, наличие концентраторов, галтелей, отверстий и т. д.);
– материал (физические свойства), из которого изготовлена деталь;
– агрессивность и загрязненность рабочей жидкости и внешней
среды;
– температура рабочей жидкости и внешней среды.
Статические нагрузки – нагрузки, которые прилагаются медленно и постепенно, пока не достигнут своих полных величин.
При достижении своих конечных значений нагрузки остаются
постоянными (неизменными во времени).
Задание при прочностном анализе статических нагрузок означает использование следующих допущений.
– Пренебрежение внутренними, демпфирующими и инерционными силами (из-за малых ускорений и скоростей, которые
принимают равными нулю).
Известно, что даже для слабодемпфированных конструкций 5%-ные колебания приводят к тому, что возникающие
9
{ }
[ ]
{ }
F Ku
Нагрузки
Статические Переменные
Рис. 1.1. Типы нагрузок
Нелинейный
анализ
Сила
Перемещение
Рис. 1.2. Зависимость реакции от нагрузки
Линейный
анализ
Нелинейный
анализ
(σ)
Ударные
Е
1
(ε)
в конструкции динамические напряжения в 10 раз больше, чем
статические напряжения.
Демпфирование – подавление/уменьшение нежелательных ко-
лебаний в системе.
– Все материалы в модели подчиняются закону Гука (напряжения
прямо пропорциональны деформации) (рис. 1.2).
– Линейная взаимосвязь между нагрузками и вызванными ре-
акциями.
Если нагрузку увеличить вдвое, то реакция модели (напряжения,
перемещения) тоже увеличится вдвое.
– Вызванные перемещения являются достаточно малыми, чтобы
можно было пренебречь изменениями жесткости.
Таким образом, при статическом анализе решается следующее
уравнение:
= ⋅ ,
10
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]