OBLICZENIOWA ANALIZA CZĘŚCI MASZYN

 

 

 

Celem tego projektu jest zapoznanie się z  metodyką rozwiązywania zadań przy pomocy programów korzystających z elementów skończonych.

Niniejszy projekt  został zrealizowany  jest  przy wykorzystaniu programu obliczeniowego ANSYS wykorzystującą procedurę MES. 

Celem  projektu było wykonanie modelu w programie ANSYS, wykonanie analizy w zakresie liniowym i nieliniowym  oraz  przeprowadzenie optymalizacji konstrukcji. 

 

 

 

ZADANIE

 

W pewnej firmie wykonano siłownik hydrauliczny przedstawiony na rysunku pracujący pod ciśnieniem 
25 MPa. Siłownik wykonano ze stali 16HM. Na cylinder nasunięto i przyspawano kołnierz, a wysokość spoiny wynosi a=3mm. 

Po krótkim okresie eksploatacji zaczęła pękać spoina co powoduje wystąpienie awarii siłownika i niemożliwości jego dalszej pracy. 

Wykonać model obliczeniowy i zoptymalizować badaną konstrukcje.

 

 

DOPUSZCZALNE NAPRĘŻENIA

DLA KONSTRUKCJI

Re = 600MPa

x = 2   

k = Re/x

k = 600Mpa/2 = 300MPa

 

DLA SPOINY

kz = k`

k` = k*zo*z

k = 300MPa

zo = 0,65 - spoina pachwinowa

z = 0,5 - spoina zwykłej jakości

k` = 300MPa*0,65*0,5 = 97,5MPa

 

W przypadku zastosowania spoiny mocnej

z = 1

k` = 300MPa*0,65*1 = 195MPa

 

 

ROZWIĄZANIE PIERWSZE

 

 Model obliczeniowy 

Podział na elementy

 

 

 

 

Podparcie i obciążenie

 

Obciążenie konstrukcji

 

Zakres granicy plastyczności bez uwzględnienia współczynnika bezpieczeństwa

 

Zakres granicy plastyczności 

 

Obciążenie spoiny

 

 

Wnioski pierwsze

Spoina znacznie przekracza swoje dopuszczalne naprężenia które wynoszą k`=97.5MPa dla spoiny zwykłej, a dla kontrolowanej k`=195MPa

Zastosowano tutaj połączenie luźne o maksymalnym luzie Lmax=0,4mm w celu łatwego nałożenia kołnierza 

Zalecane byłoby pasowanie kołnierza, najlepiej ciasne -  aby wystąpiły wstępne naprężenia ściskające co może pozwolić na zmniejszenie naprężeń 

Należałoby wprowadzić spoiny kontrolowane

 

Ponieważ zmiany grubości spoiny (do a=5,5mm)  nie spowodowały zmiany naprężeń stosuję drugie rozwiązanie polegające na zastosowaniu ciasnego połączenia oraz luzu między kołnierzem a bokiem cylindra rzędu 0,02mm. Spoina grubości a 5,5mm. 

 

W powyższych zabiegów otrzymano następujący wynik

W zakresie plastyczności

Naprężenia w spoinie 

Spoina również nie przeniesie zadanego ciśnienia. Ponieważ zastosowano maksymalną możliwą spoine dla tej grubości blachy konieczna jest zmiana grubości cylindra. W miejscu luzu powstaje węzeł naprężeń który daleko wykracza poza granice plastyczności. 

 

 

Wnioski drugie:

Przy grubości blachy g=18mm otrzymamy spadek naprężeń do granicy dopuszczalne. 

Zastosowanie spoiny kontrolowanej  nie powoduje konieczności zwiększenia grubości blachy

Nadal maksymalne naprężenia w materiale są zbyt duże - 5746 MPa przy g=18mm, co powoduje znaczne deformacje cylindra.

 

OBLICZENIA NIELINIOWE

 

W związku z występowaniem dużych naprężeń w miejscu styku kołnierza i cylindra siłownik traci swoją stateczność. 

Dalszego zwiększania grubości blach nie powoduje spadku tak dużych naprężeń. Przy grubości blachy g=35mm uzyskano przeniesienie tylko 15% obciążenia. 

Dalsze zwiększanie grubości blachy jest nieekonomiczne. Powoduje to wzrost grubości spoiny i większe koszty jej wykonania. Wzrastają również większe koszty ogólne całej konstrukcji.

Wniosek:

Należy całkowicie zmienić rozwiązanie konstrukcyjne, tak aby zmniejszyć naprężenia w strefie kontaktu kołnierza z cylindrem.

 

OPTYMALIZACJA

 

Optymalizacja całej konstrukcji musi polegać na zmianie rodzaju podparcia lub sposobu ominięcia spoiny i oparcia kołnierza o ścianki cylindra. 

W zawiązku z tym wyeliminowano połączenie spawane. Zamiast tego zostało zastosowane połączenie gwintowe składające się z dwóch nagwintowanych kołnierzy, z których jeden spełnia role nakrętki a drugi kontrnakrętki. W celu wyeliminowania piętrzenia naprężeń korzystnie jest zastosowanie gwintu gubionego.

Dla blachy grubości g=11mm uzyskano wyniki

 

Widok połączenia

 

Naprężenia są poza granicą plastyczności. Udało się jednak nie zmieniając grubości blachy zmniejszyć naprężenia do 
ok. 460MPa. 

w celu zmniejszenia naprężeń stosuję zwiększenie grubości blachy co 1 mm aż do dojścia połączenia poniżej granicy plastyczności. 

W wyniku prób uzyskano naprężenia poniżej Re dla:

grubości g=19mm 

 

grubości g=20mm

 

 

WNIOSKI OSTATECZNE:

 

Materiał na siłownik był prawidłowo dobrany, nieprawidłowy był natomiast proces konstrukcyjny

Przy zwiększeniu grubości blachy do 19mm uzyskujemy zadowalające wyniki, pozwalające na pracę siłownika bez jego uszkodzenia.

Jeżeli zawęzić by współczynnik bezpieczeństwa do wartości x=1,7 (maksymalne naprężenia rzędu 353 MPa) to grubość ścianki zwiększylibyśmy do 15mm.

Zmiana połączenia ze spawanego na gwintowane spowodowała redukcję naprężeń, ograniczenie zwiększenia grubości blachy, oraz ogólne obniżenie kosztów wykonania siłownika.

Wprowadzone zmiany nie powodują ogólnego zwiększenia kosztów, ponieważ rury na siłowniki tych grubości są dostępnym materiałem hutniczym