5

ЗМІСТ

Перелік позначень та скорочень……………………………………..………... 7

Вступ.………………………………………………………...………..…........... 8

1 Літературний огляд………….…………………………………………..…… 9

1.1 Література з різновиду трубопровідних арматур ..………........... 9

1.2 Література з теорії повзучості……………………………………. 10

1.3 Література з методів скінченних елементів……………………. . 12

1.4 Література з CAD - систем………………………………………..

1.5 Література з CAE - систем…………………………………….…..

2 Опис конструкції……………………………………..……………….............

13

14

15

3 Постановка задачі……………………………………………………………. 19

4 Системи автоматизованого проектування…………………………………..

4.1 Огляд існуючих САПР………………………………………..............

4.2 Огляд використаних у роботі САПР-систем………………………

21

21

23

5 Побудова комп’ютерної моделі у системі SolidWorks…………….………. 25

6 Методи розв’язання…….…………………………………………………….

6.1 Скінченні елементи……………………………………………………

6.2 Теорія повзучості……………………………………………………..

6.2.1 Закони повзучості……………………………………………..

26

27

35

37

7 Розрахунки…….………………………………………………………………

7.1 Завдання умов задачі………………………………………………….

7.2 Результати вирішення задачі ………………………………………...

44

44

47

8 Охорона праці навколишнього середовища……………………..….............

8.1 Загальні питання охорони праці……………………………………..

8.2 Промислова санітарія………………………………………………...

8.2.1 Мікроклімат……………………………………………………

8.2.2 Виробниче освітлення………………………………………...

8.2.3 Електромагнітне і іонізуюче випромінювання з екрану

монітора………………………………………………………..

8.2.4 Шум……………………………………………………………..

51

50

52

53

54

55

56

6

8.3 Забезпечення безпечних умов праці на робочому місці……………

8.3.1 Ергономічні вимоги до робочого місця………………………

8.3.2 Вимоги до електробезпеки при роботі за коп’ютером………

8.4 Пожежна безпека……………………………………………………...

8.5 Охорона навколишнього середовища……………………………….

9 Економічне обґрунтування бакалаврської роботи…………………………

9.1 Техніко-економічний огляд прийняття рішень……………………..

9.2 Розрахунки витрат на НДР…………………………………………...

9.2.1 Заробітна плата………………………………………………...

9.2.2 Відрахування в бюджет……………………………………….

9.2.3 Витрати на матеріали…………………………………………

9.2.4 Витрати на електроенергію…………………………………..

9.2.5 Витрати на воду й інші ресурси……………………………..

9.2.6 Витрати на устаткування і покупні вироби…………………

9.2.7 Витрати на малоцінний інвентар……………………………

9.2.8 Амортизаційні відрахування…………………………………

9.3 Висновки за економічним розділом……………………………

Висновки……………………………………………………………………….

57

57

61

63

64

66

66

67

67

68

69

69

70

71

71

71

72

73

Список джерел інформації…………………………………………….………. 74

7

ПЕРЕЛІК ПОЗНАЧЕНЬ ТА СКОРОЧЕНЬ

АЕС – атомна електростанція

ЕОМ – електронна обчислювальна машина

ТЕС – теплова електростанція

МСЕ – метод скінченних елементів

НДР – науково-дослідницька робота

ПЕОМ – персональна електронно-обчислювальна машина

ПК – персонаьний комп’ютер

САПР – системи автоматизованого проектування

СЕ – скінченний елемент

CAM – computer-aided manufacturing (системи автоматизованої

підготовки виробництва)

CAE – computer-aided engineering (системи автоматизованого

інженерного аналізу)

CAD – computer-aided design (системи автоматизованого

проектування, САПР)

8

ВСТУП

В останні десятиліття в енергомашинобудуванні отримали широке

розповсюдження методи розрахунку напружено-деформованого стану та

повзучості за допомогою скінченних елементів. Це дозволило реалізувати

проекти дослідження довготривалої повзучості арматурного обладнання для

електростанцій, які виробляють енергію для широкого кола споживачів.

У період з кінця 50-х до початку 90-х років 20-го століття за кожні 10 років

відбувалося подвоєння потужностей теплових електростанцій, яка поступово

зросла від 100 до 500 МВт. Особливо бурхливий розвиток отримало атомне

енергомашинобудування, де, за той же період часу, потужність досягла майже

1000 МВт. Таке зростання потужностей привело до підвищення питомих

навантажень на обладнання електростанцій і стало вимагати вирішення

наукових і прикладних інженерних задач для забезпечення безпеки на тлі

збільшеної загальної напруженості деталей і вузлів.

Накопичений досвід експлуатації, аналіз відомих випадків відмов і

пошкоджень, а також розвиток методів неруйнівного контролю

напівфабрикатів (заготовок) і готових виробів на стадії їх виробництва та

експлуатації сприяли радикальної зміни методології в підходах до оцінки

міцності, надійності та довговічності конструкцій. Тому питання довговічності

арматури, що становлять основний парк обладнання на промислових ТЕС і

АЕС, на тлі збільшення тривалості їх експлуатації набувають все більшої

актуальності.

Дану роботу присвячено дослідженню повзучості елементу арматури з

урахуванням напруження й деформації. Оскільки така модель є придатною для

оцінки повзучості при напруженому стані, то тема дипломної роботи є

актуальною, розробки за темою мають теоретичну цінність для спеціальності

«Інформаційні технології проектування» та практичну важливість для більш

коректних оцінок залишкового ресурсу і довговічності відповідальних

елементів високотемпературного обладнання.

9

1 ЛІТЕРАТУРНИЙ ОГЛЯД

1.1 Література з різновиду трубопровідних арматур

1) У каталозі «Арматура енергетична для АЕС і ТЕС» [1] приведені

відомості про енергетичну арматуру, що виробляється підприємствами

Міністерства енергетичного машинобудування колишнього СРСР:

Чеховським заводом енергетичного машинобудування.

Енергетична арматура, яка представлена в цьому каталозі,

призначена для установки на трубопроводах води і пари теплових і

атомних електростанцій, що значною мірою визначає її конструктивного

виконання і вибір матеріалів з функціональних особливостей роботи

поділяється на запірну,спеціальну, захисну і регулюючу.

До запірної арматури відносяться вентилі запірні і засувки з ручним і

електричним приводами, положення запірних органів, що забезпечують

шляхом зміни, повне відкриття або повне перекриття потоку середовища в

трубопроводі. Використання запірної арматури для регулювання витрати

середовища не допускається, тому цей тип арматури не розглядався у

даній дипломній роботі.

До захисної арматури відносяться запобіжні клапани, імпульсно-

запобіжні пристрої і зворотні клапани, що забезпечують захист

енергетичного устаткування від межі допустимого перевищення тиску і

зворотного потоку робочого середовища.

До регулюючої арматури відносяться регулюючі і дросельні клапани

і вентилі, регулювальники рівня, охолоджувачі пари, що дроселюють

пристрої, редукційні і редукційно-охолоджувальні установки. До цього

типу належить голчастий регулюючий вентиль серії ЮС, який був для

визначення напружено-деформованого стану та дослідження впливу

високотемпературної повзучості у даній дипломній роботі.

10

1.2 Література з теорії повзучості

1) У книзі Н.Н. Малініна «Прикладная теория пластичности и

ползучести» [2] викладено основні питання з теорії пластичності та

повзучості, а також надані рішення задач напружено-пластичної

деформації, несучої здатності і повзучості стрижнів, пластин та оболонок

стосовно до конструктивних розрахунків на міцність і жорсткість у

машинобудуванні. Наведено рішення технологічних задач.

Також у даній роботі наведено матеріал про деформації і пластичну

стійкість циліндричних і сферичних оболонок, розглянуті чисельні методи

рішення крайових задач плоскої деформації та приклади застосування їх,

короткочасна повзучість, використання критерію Тріска-Сен-Венана у

вирішенні завдань усталеної повзучості і приклади їх застосування,

визначення часу руйнування в умовах повзучості, в'язкопружність .

2) У книзі К.С. Колесникова «Машиностроение. Энциклопедия» [3]

викладена теорія деформацій і напруженнь, варіаційні принципи, критерії та

теорії пластичності, теорія повзучості, методи вирішення завдань пластичності і

повзучості; міцність і руйнування, термопрочіость; механіка композиційних

матеріалів і конструкцій (моделі, міцність і деформацій); коливання механічних

систем з зосередженими та розподіленими параметрами, включаючи

аерогідромеханіческіе коливання, параметричні і автоколивання, нелінійні

коливання, удар, принципи лінійної і нелінійної віброізоляції; стійкість

пружних і пружнопластичних механічних систем.

3) Книга С.А. Абярцумяна «Разномодульная теория упругости» [4]

присвячена систематичному викладу загальної теорії пружності матеріалів, що

по-різному чинять опір розтягуванню і стисненню.

Поряд із загальною теорією наводяться вирішення численних завдань, які,

як правило, доводять до результату або до розрахункових формул. Велике місце

в книзі займає теорія оболонок для різномодульного матеріалу. Розглядаються

безмоментна і слабомоментні оболонки. Викладається теорія оболонок

обертання з урахуванням поперечних зрушень. Наводяться вирішення багатьох

11

конкретних завдань оболонок. Обговорюються проблеми термопружності і

лінійної повзучості тіл, що по-різному чинять опір.

Книга призначена для вирішення проблем механіки тіл, що

деформуються, і її додатками в машинобудуванні, літакобудуванні, в

будівельній справі та інших галузях сучасної техніки.

4) У книзі В.А. Постнова «Теория пластичности и ползучести» [5]

викладені основні питання теорії пластичності і повзучості, приведені деякі з

методів рішення задачі механіки тіл, що деформуються, при врахуванні

властивостей пластичності і повзучості матеріалу. Розглядується зв'язок

компонентів напруження і деформації для пружного тіла. Принципи та їх

використання для вирішення задач механіки твердого тіла що деформується.

5) Дисертація Гораш Є.М. «Розробка моделі повзучості з

пошкоджуваністю для не ізометричного аналізу тривалої міцності в широкому

діапазоні напружень» [6].

Робота складається з чотирьох основних розділів, включаючи базові

припущення установчої моделі повзучості, загальноприйняті ізотропні та

анізотропні моделі повзучості з пошкоджуваністю, неізотермічна модель

повзучості з пошкоджуваністю для широкого діапазону напружень. Також,

продемонстроване практичне застосування до чисельно-аналітичного

розв’язання базових задач механіки повзучості і пошкоджуваності та аналізу

тривалої міцності інженерних конструкцій за допомогою МСЕ.

Установче рівняння повзучості відзначається залежною від напружень

поведінкою, демонструючи перехід від степеневої залежності до лінійної зі

зменшенням напруження. Для врахування первинної поведінки повзучості

впроваджується функція деформаційного зміцнення. З метою характеристики

поведінки руйнування матеріалу при повзучості установче рівняння

узагальнюється впровадженням двох параметрів пошкоджуваності та

відповідними еволюційними рівняннями. Ці рівняння відображають залежний

від напружень характер пошкоджуваності, демонструючи в’язке руйнування

при високих рівнях напружень і крихке руйнування при низьких рівнях.

12

Оскільки метод дослідження повзучості в даній дисертаційній роботі

сучасний і дає швидке рішення, у даній роботі також буде використаний MCE.

1.3 Література з методів скінченних елементів

1) Навчальний посібник Овчаренка В.А «Расчет задач машиностроения

методом конечных элементов» [7] містить основи методу скінченних елементів,

рішення різноманітних завдань машинобудування.

2) Книга Б.Е. Победрі «Метод конечных элементов в технике» [8]

присвячена викладенню основ методу скінченних елементів - одного з

найбільш ефективних сучасних методів чисельного рішення інженерних,

фізичних і математичних задач із застосуванням обчислювальних машин.

У книзі розглянуто основні принципи методу скінченних елементів і їх

застосування до задач теорії пружності, теорії пластин та оболонок,

теплопровідності, теорії потенціалу.

Значну увагу приділено ізопараметричним криволінійним елементам,

динамічним завданням і нелінійним проблемам, обумовленим пластичністю і

великими переміщеннями. Наведено багато прикладів рішення задач

будівельної механіки, аеронавтики та електричних систем.

3) У книзі В.И. Мяченкова «Расчеты машиностроительных конструкций

методом конечных элементов» [9] викладено чисельні методи та алгоритми

розрахунку на міцність і жорсткість пластинчато-стрижневих систем,

тривимірних об'ємних тіл, тонкостінних оболонкових, призматичних і

складчастих конструкцій.

Всі алгоритми реалізовані на мові ПЛ-1 в ОС ЄС ЕОМ. Програмні

комплекси можуть бути включені в якості підсистем до складу САПР, які

успішно пройшли перевірку на ряді машинобудівних підприємств. І можуть

бути прикладом для написання підпрограм закону повзучості для даної

дипломної роботи.

13

1.4 Література з CAD-систем

Для побудови моделі голчастого регулюючого вентиля серії ЮС, можна

було обрати одну з CAD систем таких, як Solidworks, Pro/Engineer, Catia,

Siemens NX , AUTOCAD та інші. Був обраний SolidWorks, тому що в цій

системі досвід роботи більш ніж в інших і на даний програмний продукт багато

російськомовного учбового матеріалу, що дало змогу моделювати з високою

продуктивністю.

1) Книга Наталі Дударєвой и Сергія Загайко «SolidWorks 2006.

Самоучитель» [10] допоможе користувачеві Windows, який практично нічого

ще не знає про програму SolidWorks, відразу почати працювати в ній і

отримувати готові креслення проектованих деталей і виробів набагато швидше,

ніж в AUTOCAD. У книзі детально викладені усі головні принципи роботи з

SolidWorks. На прикладі простих деталей показано, як можна швидко і якісно

проектувати об'єкти машинобудування.

У книзі викладений матеріал по те, як пройти по всіх основних

"контрольних точках" проектування об'єктів машинобудування: побудова

ескіза, створення об'ємної моделі, створення збірок, генерація креслень,

інженерні розрахунки. Розглядаються приклади виконання міцністних

розрахунків виробів в додатках CosmosXpress і CosmosWorks, а також

створення різних конфігурацій деталей.

2) У книзі Алямовського А.А. «SolidWorks. Компьютерное

моделирование в инженерной практике» [11] розглядаються програми для

інженерного аналізу в сукупності з системою графічного моделювання пакету

SolidWorks. Описуються методики розрахунків на міцність, стійкість і

коливання в додатках CosmosWorks, CosmosDesignstar, аеродинаміки,

гідродинаміки і теплопередачі на основі програм CosmosFloworks, EFD.Lab,

кінематики і динаміки механічних систем за допомогою Cosmosmotion.

Показана оптимізація конструкцій за допомогою CosmosWorks Optimization.

Дана методика розробки виробів з листового металу з використанням додатків

Solidworks, Blankworks. Приділена увага проектуванню типових елементів

14

механічних систем в програмах Solidworks Toolbox, GearTrax,

светотехнічеському аналізу і проектуванню в додатках TracePro,

REFLECTORCAD. Всі методики проілюстровані реальними інженерними

розрахунками.

1.5 Література з CAE-систем

Для розрахунку тривалої міцності моделі в умовах

високотемпературної повзучості можна обрати одну з CAE систем таких,

як ANSYS, NX Nastran, ABAQUS і т.д. Був обраний ABAQUS, тому що це

програмний комплекс світового рівня в області скінченно-елементних

міцністних розрахунків, за допомогою якого можна отримувати точні і

достовірні рішення для найскладніших лінійних і нелінійних інженерних

проблем. В даному програмному забезпечений інтуїтивно-зрозумілий та

швидко засвоюваний інтерфейс.

1) У методичному посібнику «Abaqus для начинающих» Нуштаева Д.В. и

Тропкина С.Н. [12] розглянуті основні елементи графічного інтерфейсу

Abaqus / CAE, наводяться покрокові інструкції з розв'язання задач. У посібнику

описуються основні види великої документації по SIMULIA Abaqus та

рекомендації щодо її використання.

У посібнику розглянуті всі основні типи аналізу, включають статику,

динаміку, частотний аналіз, контактний аналіз, тепловий аналіз, електростатика

і т.п. Завдання розглядаються, починаючи від побудови геометрії і

властивостей конструкції, включають питання побудови сітки, застосування

граничних умов, умов контакту та навантажування, і закінчуючи отриманням і

наданням результатів. В основному, всі приклади розглядаються стосовно до

використання графічної оболонки Abaqus / CAE і фрагментарно описуються

питання вирішення завдань з використанням командного рядка, імпорту та

експорту геометрії моделей.

15

2 ОПИС КОНСТРУКІЇ

Регулюючий клапан - один з конструктивних видів регулюючої

трубопровідної апаратури. Це найбільш часто вживаний тип регулюючої

апаратури як для безперервного (аналогового), так і для дискретного

регулювання витрат робочого середовища та тиску. Виконання цієї задачі

регулюючі вентилі здійснюють за рахунок зміни витрати середовища через свій

прохідний перетин. У залежності від призначення і умов експлуатації

застосовуються різні види управління регулюючою арматурою, частіше за все

при цьому використовуються спеціальні приводи і управління за допомогою

промислових мікроконтролерів по команді від датчиків, які фіксують

параметри середовища в трубопроводі. Використовуються електричні ,

пневматичні , гідравлічні і електромагнітні приводи для регулюючих вентилів.

У сучасній промисловості вже досить рідко трапляється ручне управління.

За допомогою запірно-регуюючих клапанів здійснюється як регулювання

по заданій характеристиці, так і ущільнення затвору за нормальною

герметичністю для запірної апаратури, що забезпечується спеціальною

конструкцією плунжера, який має профільну частину для регулювання, а також

ущільнювальну поверхню для повного контакту з сідлом в положенні

«закрито».

Для приєднання регулюючих клапанів до трубопроводів застосовуються

всі відомі способи: фланцевий, муфтовий, штуцерний, цапковий,

приварюванням; але приварювання до трубопроводу використовується тільки

для вентилів, виготовлених зі сталей.

Більшість з регулюючих вентилів вельми схожі по конструкції з запірними

клапанами, але є і свої специфічні типи.

По напрямку потоку робочого середовища регулюючі вентилі діляться на:

1) прохідні – вентилі, які встановлюються на прямих ділянках

трубопроводу, напрямок потоку робочого середовища не змінюється у вентилях

такого типу. Це дуже зручні вентилі, але вони мають свої недоліки, які

16

виражаються в складності конструкції і, у зв'язку з цим, мають досить велику

вагу і розмір. Також прохідні вентилі мають порівняно високий гідравлічний

опір (величина втраченого тиску) і наявність зони застою (рис. 2.1);

2) кутові – вентилі даного типу використовуються при тиску робочого

середовища, меншому 6,5 МПа і при невисоких температурах. Тому вони

застосовуються зазвичай для з'єднання двох частин трубопроводу,

розташованних перпендикулярно один одному або для монтажу на повороті

(рис. 2.2);

3) триходові (змішувальні) - мають три патрубки для приєднання до

трубопроводу (два вхідних і один вихідний) для змішування двох потоків

середовищ з різними параметрами в один. У сантехніці такий пристрій має

назву змішувач (рис. 2.3).

Рисунок 2.1 – Прохідний вентиль Рисунок 2.2– Кутовий вентиль

Рисунок 2.3 – Триходовий вентиль

17

За допомогою трубопровідної арматури на АЕС і ТЕС здійснюється

управління всіма тепловими процесами, тому арматура є важливим і

відповідальним елементом устаткування АЕС і ТЕС. Вихід з ладу арматури

може спричинити необхідність припинення роботи АЕС і ТЕС або її окремих

систем у найважчих випадках може призвести до аварій і викиду радіації, у

зв'язку з цим надійність роботи арматури багато в чому визначає надійність

роботи АЕС і ТЕС. До особливо важливих вимог до арматури відносяться:

міцність, герметичність, безвідмовність і довговічність, тому розробка

арматури повинна проводитися ретельно і обґрунтовано. Необхідно

враховувати особливості різних конструкцій, їх експлуатаційні властивості,

спосіб управління і рівень надійності.

У даній дипломній роботі буде розглянуто вплив повзучості металу на

прикладі регулюючого голчастого вентиля прохідного типу. Спершу

розглянемо будову регулюючого вентиля.

Вентиль регулюючий голчастий серії ЮС застосовуються в якості

регуляторів витрати води та дроселювання пари і встановлюються в основному

на споміжних трубопроводах з умовним тиском до 25 МПа. Всі розміри

голчастого регулюючого вентиля приведені у таблиці 2.1.

Вентиль складається з корпусу 1, який виконаний литим з осьовим

розташуванням приєднувальних решт патрубків (прохідного типу) 2 і 5; сідла 3;

штока 6 з профільованою голкою (золотником) 4; сальникового ущільнення 7,

віджимного за допомогою грундбукси 8 і бугелем 9, прикріпленим до корпусу

кутовими болтами 13; грундбукса 8 з'єднується з кутовими болтами 13, за

допомогою яких забезпечується підтискання сальникового ущільнення;

ходового гвинта 12, встановленого в різьбове з'єднання з ходовою втулкою

(гайкою) 11; і маховика 10.

Вентиль управляється вручну від маховика 10. При відкриванні вентиля

маховик 10 обертається вліво, і шток 6 із золотником 4 під дією різьбової пари

гвинт - гайка піднімається вгору, завдяки чому сідло 3 відкривається і робоче

середовище починає перетікати через вентиль. При цьому регулювання витрати

18

і дроселювання середовища забезпечується за рахунок зміни площі прохідного

перерізу в сідлі, визначуваної профілем голки 4 і величиною ходу штока 6.

Закриття вентилів здійснюється в зворотному порядку (рис. 2.4).

рис. 2.4 - Вентиль регулюючий голчастий серії Юс

Таблиця 2.1 - Розміри голчастого регулюючого вентиля

19

3 ПОСТАНОВКА ЗАДАЧІ

Основне завдання роботи полягає у визначенні напруженно-

деформованного стану корпуса вентиля серії ЮС (рис.5) під дією робочих

навантажень та дослідженні впливу високотемпературної повзучості на тривалу

міцність елементів на існуючий напруженно-деформованний стан.

Досліджувану деталь виготовлено з литої вуглецевої сталі, якій притаманні такі

характеристики матеріалу:

- модуль пружності Па;

- коефіцієнт Пуассона .

Рисунок 5 – Регулюючий голчастий вентиль серії ЮС

Умови роботи вентиля:

- температура середовища, що проходить через вентиль 550 °С;

- тиск на внутрішні стінки корпусу вентиля 25 МПа.

На підставі отриманих результатів можна робити певні висновки щодо

достовірності розрахунків, проведених в системі Abaqus 6.10.1 і про можливість

20

вирішення завдань цього класу. Умовно завдання можна розбити на наступні

етапи:

- створення геометричної моделі регулюючого голчаного вентиля серії ЮС

в системі SolidWorks 2010;

- створення скінченно-елементної моделі корпусу регулюючого голчаного

вентиля серії ЮС, при моделюванні її твердотілими скінченними

елементами;

- проведення необхідних розрахунків напруженно-деформованного стану з

урахуванням повзучості на базі скінченно-елементної моделі в системі

Abaqus 6.10.1.

21

4 СИСТЕМИ АВТОМАТИЗОВАНОГО ПРОЕКТУВАННЯ

4.1 Огляд САПР

Система автоматизованого проектування (САПР; англ. Computer-aided

design) — комп'ютерна система обробки інформації, що призначена для

автоматизованого проектування (CAD), розробки (CAE) і виготовлення (CAM)

кінцевого продукту, а також оформлення конструкторської або технологічної

документації [13].

Основна мета створення САПР — підвищення ефективності праці

інженерів, включаючи:

- скорочення трудомісткості проектування і планування;

- скорочення термінів проектування;

- скорочення собівартості проектування і виготовлення, зменшення витрат

на експлуатацію;

- підвищення якості і техніко-економічного рівня результатів

проектування;

- скорочення витрат на натурне моделювання і випробування.

Досягнення цілей створення САПР забезпечується шляхом:

- автоматизації оформлення документації;

- інформаційної підтримки та автоматизації прийняття рішень;

- використання технологій паралельного проектування;

- уніфікації проектних рішень і процесів проектування;

- повторного використання проектних рішень, даних і напрацювань;

- стратегічного проектування;

- заміни натурних випробувань та макетування математичним

моделюванням;

- підвищення якості управління проектуванням;

- застосування методів варіантного проектування і оптимізації.

Перш ніж перейти до детального розгляду використаних систем

проектування, необхідно точніше визначиться з CAD/CAM/CAE термінами:

22

CAD (англ. computer-aided design / drafting) - засоби автоматизованого

проектування, у контексті зазначеної класифікації термін позначає засоби

САПР призначені для автоматизації двовимірного та тривимірного

геометричного проектування, створення конструкторської та технологічної

документації, САПР загального призначення. Для позначення даного класу

засобів САПР використовується також термін CADD (англ. computer-aided

design and drafting) - автоматизоване проектування і створення креслень;

CAM – Computer-Aided Manufacturing, (системи автоматизованої

підготовки виробництва) – спільний термін для позначення програмних систем

підготовки інформації для верстатів з числовим програмним управлінням.

Традиційно початковими даними для таких систем були геометричні моделі

деталей, отримувані з CAD-систем. Дані системи призначені для проектування

обробки виробів на верстатах з числовим програмним управлінням і видачі

програм для цих верстатів (фрезерних, свердлувальних, ерозійних, пробивних,

токарних, шліфувальних та інших). В даний час вони є практично єдиним

способом для виготовлення складно-профільних деталей і скорочення циклу їх

виробництва.

CAE – Computer-Aided Engineering, (системи автоматизованого

інженерного аналізу) – спільний термін для позначення інформаційного

забезпечення автоматизованого аналізу проекту, що має на меті виявлення

помилок (розрахунки на міцність, колізії кінематики, тощо) або оптимізацію

виробничих можливостей. Зазвичай є обширним класом систем, кожна з яких

дозволяє вирішувати певну розрахункову задачу (групу задач), починаючи від

розрахунків на міцність, аналізу і моделювання теплових процесів до

розрахунків гідравлічних систем і машин, розрахунків процесів лиття.

У цих системах використовується тривимірна модель виробу, створена в

CAD-системі [14].

23

4.2 Огляд використаних у роботі САПР-систем

В даній дипломній роботі використовувалися такі системи, як: SolidWorks

2010 та Abaqus 6.10.1.

SolidWorks - система автоматизованого проектування, інженерного аналізу

і підготовки виробництва виробів будь-якої складності і призначення. Вона

являє собою інструментальну середу, призначену для автоматизації

проектування складних виробів в машинобудуванні і в інших галузях

промисловості.

SolidWorks є системою гібридного (твердотільного і поверхневого)

параметричного моделювання, вона призначена для проектування деталей і

зборок в тривимірному просторі (3-D проектування), а також для оформлення

конструкторської документації.

Система відноситься до САПР "середнього класу ". На відміну від

"важких" САПР (Unigraphics NX, Pro / Engineer, CATIA), розроблених для Unix-

платформ, SolidWorks спочатку створювалася для роботи на персональних

комп'ютерах в системі Microsoft Windows. SolidWorks має стандартний

графічний користувальницький інтерфейс Windows, максимально використовує

всі переваги системи Microsoft Windows, такі як контекстні меню, режим copy-

paste and-, режим drag-and-drop, швидкий перегляд, пошук і відкриття файлів за

допомогою провідника, можливість повернення на крок назад (Ctrl + z) та ін

Крім того, SolidWorks ефективно взаємодіє з такими Windows-додатками, як

Excel, Word та ін Очевидними перевагами системи є її повна русифікація і

підтримка єдиної системи конструкторської документації (ЄСКД), що вигідно

відрізняє SolidWorks від інших закордонних САПР. У системі SolidWorks

підтримуються всі основні стандарти представлення й обміну даними. До

складу базового пакета SolidWorks входить більше 20 трансляторів для

експорту та імпорту.

Одним з плюсів даного програмного забезпечення є наявність

російськомовної навчальної літератури [15].

24

Abaqus - програмний комплекс світового рівня в області скінченно-

елементних розрахунків на міцність, за допомогою якого можна отримувати

точні і достовірні рішення для найскладніших лінійних і нелінійних інженерних

задач. Сімейство продуктів Abaqus розробляється і підтримується компанією

Abaqus, Inc. (USA) з 1978 року.

З 2005 року Abaqus, Inc. входить в компанію Dassault Systemes (розробник

всесвітньо відомої CAD системи CATIA і систем управління життєвим циклом

виробів PLM SmarTeam і Enovia). Як стратегії подальшого розвитку компанією

Abaqus було анонсовано створення абсолютно нової універсальної середовища

моделювання SIMULIA, яка буде узагальнювати не тільки всі рішення

компаній Dassault Systemes і Abaqus, Inc. в області розрахунків на міцність, а й

об'єднувати кращі рішення третіх фірм для створення потужного

інструментарію для реалістичного проектування і багатодисциплінарного

аналізу конструкції.

SIMULIA дозволяє проводити реальне моделювання конструкцій,

перебуваючи в загальному життєвому циклі створення виробів, що дозволяє

значно покращувати споживчі якості створюваного виробу, зменшувати

кількість необхідних натурних експериментів та сприяти впровадженню

інновацій [16].

25

5 ПОБУДОВА КОМПЮТЕРНОЇ МОДЕЛІ У СИСТЕМІ SOLIDWORKS

Для побудови даної моделі використовувались такі інструменти:

- Revolve (повернутая бобышка);

- Extrude (вытянутый вырез);

- Loft (бобышка/основание по сечениям);

- Cut-Revolve (повернутый вырез);

- Mirror (зеркальное отражение);

- LPattern (линейный массив);

- Split (разделить);

- Fillet (скругление);

- Sweep (бобышка/основание по траектории);

- Chamfer (фаска);

- Combine (скомбинировать тела);

- CirPattern (круговой массив).

Рисунок 5.1 – Голчастий регулюючий вентиль серії ЮС

26

6 МЕТОД РОЗВ’ЯЗАННЯ

Метод скінченних елементів (МCЕ) виник з будівельної механіки й теорії

пружності, й одержав широке поширення для розв'язання завдання

гідродинаміки, електро- і магнітодинаміки при вивченні складних фізичних

процесів, пов'язаних з поширенням сейсмічних хвиль у земній корі й інших

фізичних явищах, що мають складну природу, й протікають у середовищах зі

складною структурою, геометрією й різноманітними фізичними властивостями.

Представники інженерного напрямку вирішують досить складні технічні

завдання, часто не замислюючись над суворим обґрунтуванням застосовуваних

ними прийомів, а побудовані алгоритми й програми перевіряють на відомих

точних розв'язаннях.

Область застосування методу скінченних елементів суттєво розширилася,

коли в 1968 р. було показано, що рівняння, що визначають елементи в задачах

будівельної механіки, поширення тепла, гідромеханіки, можуть бути легко

отримані за допомогою таких варіантів методу зважених нев'язань, як метод

Гальоркіна або спосіб найменших квадратів. Установлення цього факту зіграло

важливу роль у теоретичнім обґрунтуванні методу скінченних елементів,

оскільки дозволило застосовувати його при розв'язанні багатьох типів

диференційних рівнянь. Таким чином, метод скінченних елементів з чисельної

процедури розв'язання задач будівельної механіки перетворився в загальний

метод чисельного розв'язання диференційних рівнянь або систем

диференційних рівнянь. Насамперед, необхідно виділити, що число зв'язків між

будь-яким скінченним елементом, обмеженим уявлюваними поверхнями, і

сусідніми елементами нескінченно. Дискретизувати такі завдання можна за

допомогою застосування наступної методики:

1) Суцільне середовище розділяється уявлюваними лініями або

поверхнями на деяку кількість скінчених елементів.

27

2) Робиться припущення про те, що елементи зв'язані між собою у

вузлових точках, розташованих на межах цих елементів (основними

невідомими в такому випадку стають переміщення цих вузлових точок).

3) Вибирається функція, що однозначно визначає переміщення усередині

кожного елемента через переміщення вузлових точок.

4) Функції переміщень однозначно визначають деформації усередині

елемента через вузлові переміщення. Ці деформації при відомих початкових

деформаціях і пружних властивостях елемента дозволяють визначити

напруження як усередині елемента, так і на його межах.

5) Визначається система сил, зосереджених у вузлах, які урівноважують

напруження на межі й деякі розподілені навантаження, а потім записується

співвідношення для жорсткостей.

6.1 Скінченні елементи

Характеристики скінченного елемента й основні правила їх одержання

будемо зображувати в математичній формі. Використовуватимемо матричну

форму запису.

У прикладі використовуємо елементи трикутної форми, показані на

рисунку 6.1.

Рисунок 6.1 - Плоска область, розбита на скінченні елементи

28

Розглянемо функцію переміщення скінченного елемента. Типовий

скінченний елемент e визначається вузловими точками i, j, m і т.д. і

прямолінійними межами. Нехай переміщення будь-якої точки усередині

елемента задаються вектор-стовпцем:

, (6.1)

де компоненти [N] є, в загальному випадку, функціями розташування, а

являють собою переміщення вузлових точок розглянутого елемента.

У випадку плоского напруженого стану вектор-стовпець:

(6.2)

містить горизонтальне й вертикальне переміщення типової точки усередині

елемента, а стовпець:

(6.3)

містить відповідні переміщення вузла i.

Функції повинні бути обрані таким чином, щоб при

підстановці в (1) координат вузлів отримувати відповідні вузлові переміщення.

Тобто:

, (6.4)

чого можна досягти за допомогою відповідного вибору лінійних відносно x і y

функцій.

29

Функції [N] називаються функціями форми й відіграють важливу роль у

методі скінченних елементів.

Тепер можна приступати до розгляду деформації скінченного елемента.

Якщо відомі переміщення у всіх точках елемента, то в них можна

визначити й деформації. Вони знаходяться за допомогою співвідношення, яке

можна записати в наступному вигляді:

. (6.5)

Матрицю [B] можна легко одержати зі співвідношення (6.1), якщо відомі

функції форми . Якщо ці функції лінійні, деформації постійні по

всьому елементу.

Розглянемо тепер напруження скінченного елемента.

У загальному випадку матеріал, який перебуває усередині елемента, може

мати початкові деформації, обумовлені температурними впливами, усадкою,

кристалізацією і т.д. Якщо позначити ці деформації через { }, то напруження

будуть визначатися різницею між існуючими й початковими деформаціями.

Крім того, зручно припустити, що в розглянутий момент часу в тілі

існують деякі залишкові напруження { }, які, наприклад, можна виміряти, але

не можна передбачити без знання повної історії навантаження матеріалу. Ці

напруження можна просто додати до загального виразу. Таким чином, у

припущенні пружної поведінки, співвідношення між напруженнями й

деформаціями будуть лінійними:

= [D]({ } – { }) + { }, (6.6)

де [D]– матриця пружності, що містить характеристики матеріалу.

Для окремого випадку плоского напруженого стану необхідно розглянути

три компоненти напружень, відповідні до введених деформацій. У прийнятих

позначеннях вони записуються в наступному виді:

30

. (6.7)

Матрицю [D] легко отримати зі звичайних співвідношень між

напруженнями й деформаціями для ізотропного матеріалу:

(6.8)

Звідси можна одержати:

. (6.9)

Наступним етапом буде розгляд еквівалентних вузлових сил.

Допустимо, що стовпець:

(6.10)

визначає сили, які статично еквівалентні граничним напруженням і діючим на

елемент розподіленим навантаженням. Кожна із сил { } повинна мати стільки

ж компонент, скільки й відповідне вузлове переміщення { }, і діяти у

відповідному напрямку.

31

Розподілені навантаження {p}визначаються як навантаження, що

доводяться на одиниці об'єму матеріалу елемента й діюче в напрямках,

відповідних до напрямків переміщень у цій точці.

В окремому випадку плоского напруженого стану вузлові сили будуть

записані в наступному виді:

, (6.11)

де U і V – компоненти, відповідні до переміщень u і v. Розподілене

навантаження буде мати такий вигляд:

= , (6.12)

де X і Y – компоненти «об'ємних сил».

Найпростіший спосіб зробити вузлові сили статично еквівалентними

діючим граничним напруженням і розподіленим навантаженням полягає в

завданні довільного (віртуального) вузлового переміщення й прирівнюванні

зовнішньої й внутрішньої робіт, здійснюваних різними силами й напруженнями

на цьому переміщенні.

Нехай d – віртуальне переміщення у вузлі. Тоді, скориставшись

співвідношеннями (6.1) і (6.5), можна одержати відповідно переміщення й

деформації в наступному вигляді:

(6.13)

Робота, чинена вузловими силами, дорівнює сумі добутків компонент

кожної сили на відповідні переміщення, що в матричному виді буде виглядати

так:

. (6.14)

32

Аналогічно, внутрішня робота напружень і розподілених сил, що

доводяться на одиниці об'єму, буде дорівнювати:

(6.15)

або, виходячи із правил матричної алгебри по транспонуванню матриць

здійснюється по формулі й складе:

(6.16)

Дорівнюючи роботу зовнішніх сил сумарній внутрішній роботі,

одержуваній інтегруванням за обсягом елемента, отримаємо:

. (6.17)

Оскільки це співвідношення слушне для будь-якого віртуального

переміщення, коефіцієнти в правій і лівій частинах повинні бути, відповідно,

рівні. Після підстановки (6.5) і (6.6), одержуємо наступний результат:

+

(6.18)

Ця залежність є однією з основних характеристик будь-якого елемента.

Матриця жорсткості тоді прийме наступний вид:

(6.19)

Вузлові сили, обумовлені розподіленими навантаженнями, мають такий

вигляд:

33

(6.20)

а сили, обумовлені початковою деформацією, будуть виражені як:

= (6.21)

Вузлові сили, обумовлені початковим напруженням, будуть записані в

наступному вигляді:

= (6.22)

Якщо система початкових напруженнь самоврівноважена, то після

складання ансамблю сили, обумовлені співвідношенням (6.22), тотожно

дорівнюють нулю. Тому звичайно оцінка компонентів цих сил не проводиться.

Однак, якщо, наприклад, досліджуються виробки гірської породи, у якій задані

тектонічні напруження, то необхідно враховувати, що видалення матеріалу

може викликати порушення силового балансу.

При використанні трикутного елемента в завданнях про плоский

напружений стан, основні характеристики одержують після відповідної

підстановки. У цьому випадку матриця [B] й інтегрування виконується

тривіально.

Складання ансамблю й подальший розв'язок проводяться за допомогою

досить простої процедури. У загальному випадку у вузлах можуть бути

прикладені зосереджені зовнішні сили. Тоді для збереження рівноваги у вузлах

слід додатково ввести матрицю сил:

(6.23)

34

Важливо зробити акцент на елементах, що стикаються із межею. Якщо на

межі задані переміщення, то ніяких утруднень і складностей не виникне. Тому

розглянемо випадок, коли на межі задане розподілене зовнішнє навантаження,

наприклад, навантаження на одиницю площі. Тоді у вузлах граничного

елемента необхідно прикласти додаткове навантаження. Для цього

використовуємо принцип віртуальної роботи:

= (6.24)

де інтегрування проводиться по межі елемента. Важливо відзначити

наступне: для того, щоб записаний вище вираз був слушний, навантаження на

одиницю площі повинне мати таке ж число компонентів, що й {f}.

На фігурі (рис. 6.1) показаний граничний елемент для випадку плоского

напруженого стану. Інтегрування в (6.24) рідко вдається виконати точно. Часто,

виходячи з фізичних міркувань, поверхневе навантаження просто заміняється

прикладеними в граничних вузлах зосередженими силами, які визначаються з

умов статистичної рівноваги. Для розглянутого окремого випадку результати

будуть еквівалентні.

Після того, як з розв'язку загальної системи рівнянь визначені вузлові

переміщення, зі співвідношень (6.2) і (6.3) можуть бути знайдені напруження в

будь-якій точці елемента:

(6.16)

У цьому виразі матриця напруженнь елемента буде мати такий вигляд:

. (6.17)

До цієї матриці повинні бути додані напруження

35

(6.18)

Відсутність складової напруження, викликане розподіленим

навантаженням , пояснюється тим, що розглядаються тільки умови

загальної рівноваги, а не рівноваги всередині кожного елемента.

Узагальнений характер переміщень, деформацій і напружень можна

зобразити у такий спосіб. Фізичний зміст переміщень, деформацій і напружень

у розглянутому випадку очевидний. У розглянутому плоскому елементі термін

«переміщення» може позначати прогин і нахил у даній точці. Тоді

«деформаціями» будуть кривизни серединної поверхні, а «напруженнями» –

внутрішні згинаючі моменти.

Усі отримані тут вирази слушні й у загальному випадку за умови, що сума

добутків переміщень на відповідні компоненти навантажень визначає зовнішню

роботу, тоді як сума добутків деформації на відповідні компоненти напружень

– внутрішню роботу [17].

6.2 Теорія повзучості

Повзучість — явище зростання деформації твердого тіла з часом при

сталому навантаженні. Повзучість пов'язана із пластичністю і особливо

властива м'яким матеріалам, наприклад полімерам. Деформація тіла, що

виникає внаслідок повзучості, має незворотний характер.

Повзучість зростає з підвищенням температури, що необхідно враховувати

при проектуванні машин і механізмів, призначених для роботи в умовах

великих навантажень при високій температурі.

У вуглецевих сталях і чавуні повзучість починає проявлятись при

температурах 300...400 °C, в легованих сталях при температурах, вищих за 500

°C. За порівняно невисоких температур повзуть легкі алюмінієві і магнієві

сплави, які широко застосовуються в авіації. Повзучість властива також

пластмасам, текстилеві, гумі, склу тощо. Для будівельників важливою

36

проблемою є повзучість бетону, деревини, у гірничій механіці і геофізиці

велике значення має повзучість гірських порід і льоду.

Повзучість також становить небезпеку для нормальної роботи важливих

конструкцій. Наприклад лопатки і диски газових і парових турбін, які під час

роботи зазнають дії великих відцентрових сил і високих температур, поступово

деформуються у радіальному напрямку, що може привести до вичерпування

зазору між лопаткою і корпусом турбіни, зруйнування лопатки і виходу з ладу

турбіни.

Повзучість зумовлена різними повільними процесами, що можуть

протікати в матеріалах: дифузією, переповзанням дислокацій тощо.

Вивченням повзучості, а саме, процесів зміни у часі деформацій і

напружень в тілах різної природи займається наука реологія. Класична область

досліджень теорії повзучості — це деформації металів і сплавів при високих

температурах.

Типова крива повзучості представлена на рис. 8. Вертикальний відрізок до

ε0 показує миттєву деформацію в момент прикладання навантаження; ділянка

кривої "перша стадія" дає зростання деформації у часі при сталому

навантаженні і видно, що швидкість деформування, котра дорівнює похідній

dε/dt, зменшується. Це ділянка неусталеної повзучості, після якої настає

усталена повзучість із сталою швидкістю dε/dt=const (ділянка "друга стадія"),

котра суттєво залежить від величини прикладеного напруження. Третя ділянка

("третя стадія") характеризуєтся зростанням швидкості і завершується

руйнуванням зразка (рис. 6.2) [18].

37

Рисунок 6.2 - Крива повзучості

6.2.1 Закони повзучості

Величезний внесок у розвиток теорії повзучості вніс один з засновників

російської наукової школи теорії повзучості Работнов Ю.М. Слід відзначити і

інших вчених, що працюють над розвитком теорії повзучості: Шестеріков С.А.,

Соснін О.В., Качанов Л.М., Ф. Удквіст, А. Надаї, Бойл Дж., Спенс Дж,

Гарофало Ф., Малінін М.М., Розенберг В.М., Журко С.М. та ін Однак у своїх

роботах більшу увагу ними приділялася легованим (жаростійким, жароміцним,

корозійностійким) сталей, тому дослідні роботи, випробування на повзучість

проводилися здебільшого тільки відносно цих сталей, а даних про

конструкційних сталях на сьогоднішній день украй мало.

У загальному випадку деформація повзучості є функцією напруження

σ, часу t, і температури T [19, 20]:

(6.19)

При математичному описі першої і другої стадій повзучості може

використовуватися припущення про подібність кривих повзучості з розподілом

38

змінних [2], при якому деформація повзучості може бути представлена

наступним чином:

(6.20)

Опис третьої стадії повзучості в практичних розрахунках на повзучість не

розглядається, оскільки вважається, що до початку третьої стадії конструкції

втрачають несучу здатність. Функціональні залежності деформації повзучості

від часу для першої стадії повзучості (несталих повзучість):

- закон Бейлі;

exp (k, t) – закон Андраде;

- закон Грехема та Уоллеса;

- закон Мак-Ветті;

- закон Одінга;

- закон Работнова;

- закон Фройденталя;

- закон Содерберга;

- Филипс, Боас и Шмид, Смит, Шевенар, Доре и Оде;

- закон Мотта и Наббаро;

- закон Мак Хенри;

;

- закон Вефера;

, -

залежності, запропоновані в роботі [21],

де t - час;

інші параметри є постійними властивостей матеріалу, отримані

емпіричним шляхом.

39

Для другої стадії повзучості (стабільна повзучість) функціональна

залежність деформації повзучості від часу має вигляд (t) = t.

Функціональні залежності деформації від напруження (σ):

- закон Нортона (Бейлі), показник для сталей

коливається від 3 до 8, іноді виявляється більше 8 [19], для чистих металів ≈

4 [22]. Аналіз експериментальних даних показав, що ступеневій закон

справедливий при малих напруженнях [19, 23]. Автор [22] зазначає, що закон

справедливий при напруженнях в діапазоні , а при підвищенні

температури до значень, близьких до температури плавлення для

напружень порядка постійна наближається до одиниці. При великій

напруженні встановилася повзучість описується експоненціальним законом

Людвіка [19, 22];

- закон Людвіка (Дорну). Недолік залежності в тому, що

вона дає відмінну від нуля швидкість повзучості при = 0, і, отже, не може

давати задовільних результатів при малих . Закон справедливий при

напруженні порядку і більш і при температурах нижче [22]. Для

виправлення цього недоліку Надаї запропонувавши замінити експоненціальну

функцію гіперболічним синусом;

- закон Надаї (закон Прандтля). Подальші

дослідження показали, що цей закон виконується не завжди;

- закон Гарофало, містить як окремі випадки

закони Нортона, Надаї і Людвіка [19, 20, 22]. Як відзначає автор [23],

залежність мало придатна для практичного вживання і не завжди відповідає

експериментальним даним;

- закон Содерберга, який запропонував виправити

закон Людвіка в області малих ;

- закон Одінга;

- закон Одінга, справедливий при ;

-закон, запропонований у роботі [20];

40

- закон Ардела, для випадку, коли графік залежності

швидкості сталої повзучості від напруження має точку перегину. У роботі [23]

наголошується, що дана залежність погано описує вказану криву повзучості;

- залежність, запропонована Русовим [23], може

апроксимувати найбільш відомі рівняння (закони Нортона, Людвіка, Надаї),

отримати рішення в тих випадках, коли цього не вдається зробити при

використанні навіть степеневого закону, інші параметри є постійними

властивостей матеріалу, отримані емпіричним способом.

На думку автора [20], закон Нортона витікає з фізичних міркувань і дуже

широко використовується у практиці. На думку автора [21, 2], найбільш

експериментально перевіреними є закон Нортона, зручний для розрахунку, і

закон Надаї. Проте, на думку Мак-Ветті [19], за- кон Надаї дає точніші

результати, ніж закон Нортона. Також автори книги [24] вважають, що закон

Людвіка для швидкості повзучості є точнішим, ніж закон Нортона [19].

Функціональні залежності деформації повзучості від температури

- закон Ареніуса, найбільш прийнятний для чистих

металів [19];

де - енергія активації;

- структурно-чутливий елемент;

R - універсальна газова постійна;

- матеріальні константи, отримані емпіричним способом;

T - температура, К.

Для ділянки малих температур Моттом і Наббаро була запропонована

модель, для якої швидкість повзучості пропорційна [19].

Використовуючи степеневий закон для напруження і закон Ареніуса для

температури, можна отримати наступну залежність для швидкості повзучості:

= . (6.21)

41

Проте припущення про подібність кривих повзучості з розділенням

змінних може використовуватися не завжди, деформація може представлятися

у вигляді залежності від напруження і температури f( ), наприклад:

f( ) = - залежність, запропонована у роботі [21];

f( ) = - закон Каузмана і Махліна;

f( ) = k exp( ) - формула Мілейко, перевірена на багатьох сплавах

в разі короткочасної повзучості [19, 25],

де

.

Автор [19] передбачає, що формула Каузмана і Махліна дасть кращі

результати в області помірних температур, при вищих температурах слід

користуватися залежністю Ареніуса. Розенберг Ст М-коду [22] для різних

напружень і температур пропонує наступні залежності для швидкості

повзучості:

при низьких температурах і високій напрузі

; (6.22)

при T>0.5

; (6.23)

при T→

; (6.24)

універсальна, придатна для всього напруження і температур

. (6.25)

42

Слід відзначити й інші залежності:

- залежності,

запропоновані в роботі [21];

- справедливий для дифузійної повзучості, при

температурах, близьких до [19].

Вибір тієї або іншої залежності, що описує повзучість, визначається

теорією повзучості, вживаної у кожному конкретному випадку. Основне

завдання теорії повзучості полягає в тому, щоб зв'язати вимірювані величини:

напруження, деформації, температуру і час – за допомогою деякого рівняння

або системи рівнянь, що носять універсальний характер [19]. Можна виділити

наступні теорії повзучості: теорія старіння, теорія течії, теорія зміцнення,

спадкова теорія повзучості, теорія структурних параметрів.

Найбільш загальною, включаючу як окремі випадки теорії, описані вище, є

теорія структурних параметрів, згідно якої , де

- деякі структурні параметри матеріалу. Досить загальне

припущення полягає в тому, що зміни параметрів описується кінетичними

рівняннями вигляду де = - деякі

функції від [19].

При вирішенні завдань вогнестійкості з врахуванням властивостей

реологій стали для стадії сталої повзучості пропонується [24] використовувати

теорію структурних параметрів, що приводить до наступної залежності між

швидкістю деформації, напруженням і температурою:

. (6.26)

До того ж, найбільш достовірні результати випробувань є в основному для

ділянки сталої повзучості [19]. Згідно цієї теорії наявністю першої ділянки на

кривій повзучості можна нехтувати. Крива повзучості замінюється прямою,

такою, що проходять через початок координат.

43

Істотне удосконалення теорії сталої повзучості належить Одквісту [19],

який запропонував враховувати першу ділянку повзучості, замінивши криву

повзучості ламаної ОАВ (рис.6.1). Величина є функцією від і T, тоді

(6.27)

Деформація включає пружну деформацію, миттєву пластичну і

деформацію повзучості, накопичену на першій ділянці кривої.

Рисунок 6.1

Вибір того або іншого закону зв'язаний, перш за все, з його застосовністю

для вирішення завдання із заданими умовами. Розрахунок повзучості можна

вважати надійним лише в тому випадку, якщо є дослідні дані по повзучості

матеріалу, що розглядається, у всьому діапазоні робочих напружень і

температур [19].

44

7 РОЗРАХУНКИ

7.1 Завдання умов задачі

Для того щоб скінченно-елементна сітка була рівномірна, модель потрібно

правильно порізати, цей крок був виконаний в CAD-системі SolidWorks 2010.

Для подальшого розрахунку на високотемпературну повзучість, модель

була імпортована в CAE-систему ABAQUS у форматі step (рис. 7.1).

Рисунок 7.1 – Корпус голчастого регулюючого вентиля серії ЮС

Так як модель симетрична, вона була розрізана навпіл, для скорочення

часу розрахунку в два рази.

45

Далі був заданий матеріал з якого повинен бути виготовлений корпус

даного вентиля. Вуглецева сталь марки 08Х8Н10Т має такі характеристики:

- модуль пружності Па;

- коефіцієнт Пуассона .

У моделі використовуються такі типи скінчених елементів:

- чотирьох вузловий тетраедральний скінченний елемент;

- восьми вузловий гексаедральний скінченний елемент.

Для отримання достовірних результатів, модель була розбита декілька

разів на скінченно-елементну сітку із зменшенням її у два рази, поки різниця у

результатах не перевищувала 10%, скінченно-елементні моделі наведені на

рисунках 7.2, 7.3.

Рисунок 7.2 – Скінченно-елементна модель з Рисунок 7.3 – Скінченно-елементна

розміром елементів 6 мм, кількістю вузлів – 6,5 тис. модель з розміром елементів 3 мм,

та кількістю елементів – 23 тис. кількістю вузлів – 38,5 тис. та

кількістю елементів – 149 тис.

Точність розрахунків залежить від правильності скінченних елементів,

була проведена перевірка на правильність геометрії СЕ. З 23 тис. елементів, у

скінченно-елементної моделі з розміром елементів 6 мм було 2 неправильних,

що становило 0.015% від загальної кількості скінченних елементів.

Були накладені обмеження:

- симетричність (рис. 7.1.4);

46

- закріплення бокових патрубків від рухів по осі x та обертання по всім

трьом осям (рис. 7.5);

- закріплення верхньої частини корпуса вентилявід рухів по осям y і z та

обертання по всім трьом осям (рис. 7.6);

- навантаження у вигляді тиску 9,8 МПа і температура робочоі середи, що

проходить через вентиль 550 °C (рис. 7.7).

Рисунок 7.4 – Завдання Рисунок 7.5 – Закріплення

симетричності бокових патрубків

Рисунок 7.6 - Закріплення Рисунок 7.7 – Заданий тиск і

верхньої частини температура

Також були задані наступні властивості і коефіцієнти матеріалу:

- коефіцієнт температурного розширення 20 °C;

47

- коефіцієнт лінійного розширення ;

- коефіцієнт закону повзучості A = ;

- ступеневій множник напруження n = 4.,354;

- період часу впливу навантаження і температури на корпус вентиля

100 тис. год;

- початковий крок ;

- мінімальний крок приросту часу год;

- максимальний крок приросту часу 500 год;

- точність рішення ;

Закон повзучості вбудований в Abaqus:

(7.1)

де, – швидкість деформації повзучості, – напруження.

7.2 Результати вирішення задачі

Виводимо графік деформації для вузлів № 22, 43, 1377, 1496 (рис 7.8).

Рисунок 7.8 – Графіки деформації в чотирьох вузлах

48

Прослідкуємо поведення напруження в вузлах № 22, 43, 1377,

1496 при довготривалоій повзучості на рисунку 7.9.

Рисунок 7.9 – Графіки напруження в чотирьох вузлах

Виводимо графіки деформації повзучості для вузлів № 22, 43, 1377, 1496

Рисунок 7.10 – Графік деформації повзучості

49

Рисунок 7.11 - Напруження по Мізесу

через 100 тис. годин роботи

Рисунок 7.14 - Деформація через

100 тис. годин роботи

50

Рисунок 7.15 - Деформація повзучості

через 100 тис. годин роботи

Різниця між розрахунками моделей з розміром скінченних елементів 6 мм

та 3 мм складає приблизно 10%, що означає похибку у часі руйнування.

Визначмо через скільки корпус вентиля буде зруйновано (рис. 7.10), за

допомогою кривої тривалої міцності сформованої експериментальним

способом. Для цьогопотрібен графік напруження (рис. 7.9)

Рисунок7.10 – Руйнування конструкції

Отже, конструкція у даних умовах пропрацює приблизно 750 тис. годин,

що дорівнює приблизно 85 років.

51

8 ОХОРОНА ПРАЦІ ТА НАВКОЛИШНЬОГО СЕРЕДОВИЩА

8.1 Загальні питання з охорони праці

Охорона праці - це система правових, соціально-економічних,

організаційно-технічних, санітарно-гігієнічних і лікувально-профілактичних

заходів та засобів, спрямованих на збереження

життя, здоров'я і працездатності людини у процесі трудової діяльності [26].

Головною метою охорони праці є: поліпшення умов праці та підвищення

її продуктивності, запобігання професійним захворюванням, виробничому

травматизму тощо.

Основним завданням охорони праці є гуманізація праці, під якою

розуміють профілактику перевтоми, професійних захворювань, запобігання

виробничому травматизму, підвищення змістовності праці, створювання умов

для всебічного розвитку особистості.

Завданнями охорони праці є також:

- знаходження оптимальних співвідношень між різними факторами

виробничого середовища;

- впровадження норм гранично допустимих рівнів шкідливих виробничих

факторів, визначення ступенів шкідливості й небезпеки праці;

- розробка та планування заходів з поліпшення умов праці;

- забезпечення безпеки виконання робіт працівниками;

- впровадження технічних засобів і заходів щодо боротьби з травматизмом

і профзахворюваннями;

- розробка методів оцінки соціальної та економічної ефективності заходів з

удосконалення умов та охорони праці.

У процесі праці на людину можуть впливати шкідливі й небезпечні

виробничі фактори.

Шкідливі виробничі фактори - це виробничі фактори, вплив яких, при

визначених умовах приводить до зниження працездатності або до

професіонального захворювання.

52

Небезпечні виробничі фактори – це виробничі фактори, дія яких за

певних умов може призвести до травм або іншого раптового погіршення

здоров'я працівника.

Згідно з ГОСТ 12.0.003-74 [27] небезпечні й шкідливі фактори по природі

дії поділяються на такі групи: фізичні, хімічні, біологічні й психофізіологічні.

При розробці дипломної роботи у обчислювальному центрі на нас діють

такі групи шкідливих факторів: фізичні – електромагнітне випромінювання,

недостатньо або відсутність природного світла, недостатня освітленість

робочого місця; нервово-психічні перевантаження – розумова перенапруга,

перенапруга органів почуттів, монотонність праці, емоційні перевантаження,

навантаження на органи зору. При роботі за ЕОМ виникають наступні

небезпечні й шкідливі фактори, які зведенні в таблицю 8.1 відповідно до ГОСТ

12.0.003-74:

Таблиця 8.1 – Таблиця небезпечних і шкідливих виробничих факторів

Найменування фактора Джерела виникнення

Мікроклімат у приміщенні Незадовільна система природної й штучної

вентиляції і опалення, підвищена або

знижена температура повітря робочої зони,

підвищена вологість, рухомість повітря

Підвищена яскравість Екран монітора комп’ютера

Пульсація світлового потоку Лампи денного світла й екран монітора

Висока електрична напруга Мережа живлення ЕОМ

Підвищений рівень шуму Пристрій охолодження комп’ютера,

допоміжне устаткування

Психофізіологічні фактори Перенапруга зору, монотонність праці

8.2 Промислова санітарія

Одним з важливих засобів охорони праці є промислова санітарія, що

забезпечує санітарно - гігієнічні умови праці, зберігає здоров'я працівників на

виробництві, сприяє високій продуктивності праці.

53

8.2.1 Мікроклімат

Мікроклімат характеризується: температурою навколишнього

середовища, показником відносної вологості, швидкості руху повітря,

інтенсивністю теплового випромінювання. Ці параметри як окремо, так і разом

впливають на організм людини, визначаючи його самопочуття.

Параметри мікроклімату можуть мінятися в широких межах, тоді як

необхідною умовою життєдіяльності людини є підтримка постійності

температури тіла завдяки терморегуляції, тобто здібності організму регулювати

віддачу тепла в оточуюче середовище. Принцип нормування мікроклімату –

створення оптимальних умов для теплообміну тіла людини з навколишнім

середовищем.

Обчислювальна техніка є джерелом істотних тепловиділень, що може

привести до підвищення температури і зниження відносної вогкості в

приміщенні. В приміщеннях, де встановлені комп’ютери, повинні

дотримуватися певні параметри мікроклімату згідно ГОСТ 12.1.005-88 [28]. В

санітарних нормах встановлені величини параметрів мікроклімату, що

створюють комфортні умови. Ці норми встановлюються залежно від пори року,

характеру трудового процесу і характеру виробничого приміщення (див. табл.

8.2).

Таблиця 8.2 – Параметри мікроклімату

Період року Параметри мікроклімату Величина

Холодний

Температура повітря в приміщенні 22–24 °С

Відносна вологість 40–60%

Швидкість руху повітря До 0,1 м/с

Теплий

Температура повітря в приміщенні 23–25°С

Відносна вологість 40–60%

Швидкість руху повітря 0,1–0,2 м/с

54

Об’єм приміщень, в яких розміщені працівники обчислювальних центрів,

не повинен бути меншим 19,5 з урахуванням максимального числа

одночасно працюючих в зміну. Норми подачі свіжого повітря в приміщення, де

розташовані комп’ютери, приведені в таблиці 8.3.

Для забезпечення комфортних умов використовуються як організаційні

методи (раціональна організація проведення робіт залежно від пори року і доби,

чергування праці і відпочинку), так і технічні засоби (вентиляція,

кондиціювання повітря, опалювальна система).

Таблиця 8.3 – Норми подачі свіжого повітря в приміщення, де розташовані

комп’ютери

Характеристики приміщення Об’ємна витрата свіжого повітря, що подається в

приміщення на людину в годину, м3

До 20 м3 на людину Не менше 30

20–40 м3 на людину Не менше 20

Більше 20 м3 на людину Природна вентиляція

8.2.2 Виробниче освітлення

Освітлення – використання світлової енергії сонця і штучних джерел

світла для забезпечення зорового сприйняття навколишнього середовища.

Правильно спроектоване і виконане виробниче освітлення покращує

умови зорової роботи, знижує стомлюваність, сприяє підвищенню

продуктивності праці, благотворно впливає на виробниче середовище, надаючи

позитивну психологічну дію на працюючого, підвищує безпеку праці і знижує

травматизм. Недостатність освітлення приводить до напруги зору, ослабляє

увагу, приводить до настання передчасної стомленості. Надмірно яскраве

освітлення викликає засліплення, роздратування і різь в очах, неправильний

напрям світла на робочому місці може створювати різкі тіні, відблиски,

дезорієнтувати працюючого. Всі ці фактори можуть призвести до нещасного

випадку або профзахворювань.

Існує три види освітлення – природне, штучне і комбіноване.

55

Природне освітлення – це освітлення приміщень світлом неба, що

потрапляє через світлові отвори в зовнішніх захищаючих конструкціях

приміщення. Природне освітлення характеризується тим, що міняється в

широких межах залежно від часу дня, пори року і ряду інших чинників.

Штучне освітлення – це освітлення застосовується при роботі в темний

час доби і вдень, коли не вдається забезпечити нормовані значення коефіцієнта

природного освітлення (похмура погода, короткий світловий день). Штучне

освітлення підрозділяється на робоче, аварійне, евакуаційне, охоронне.

Комбіноване освітлення – це освітлення, при якому до загального

додається місцеве освітлення. Згідно СНіП II-4-79 [29] в приміщеннях

обчислювальних центрів необхідно застосувати систему комбінованого

освітлення. При виконанні робіт категорії високої зорової точності (найменший

розмір об’єкту розрізнення 0.3–0.5мм) величина коефіцієнта природного

освітлення (КЕО) повинна бути не нижчою 1.5%, а при зоровій роботі середньої

точності (якнайменший розмір об’єкту розрізнення 0.5–1.0 мм) КЕО повинен

бути не нижчим 1.0%. У якості джерела штучного освітлення звичайно

використовуються люмінесцентні лампи типа ЛБ, або ДРЛ, які попарно

об’єднуються в світильники, які повинні розташовуватися рівномірно над

робочими поверхнями.

Вимоги до освітленості в приміщеннях, де встановлені комп’ютери,

наступні: при виконанні зорових робіт високої точності загальна освітленість

повинна складати 300 лк, а комбінована – 750 лк; аналогічні вимоги при

виконанні робіт середньої точності – 200 і 300 лк відповідно.

8.2.3 Електромагнітне і іонізуюче випромінювання з екрану монітора

Більшість вчених вважає, що як короткочасна, так і тривала дія всіх видів

випромінювання від екрану монітора не небезпечна для здоров’я персоналу чи

обслуговуючого комп’ютери. Проте вичерпних даних щодо небезпеки дії

випромінювання від моніторів на працюючих з комп’ютерами не існує і

дослідження в цьому напрямі продовжуються. На електронно-променевій

трубці кінескопа є потенціал близько 20 000 вольт (в 100 разів вище напруги в

56

мережі). Цей потенціал створюється між екраном дисплея і обличчям

оператора, і розганяє порошинки, що осіли на екран, до величезних

швидкостей. І ці порошинки, як кулі, врізаються в шкіру того, хто сидить перед

екраном.

Високочастотні електромагнітні поля порівнюються з радіацією, але вони

дуже швидко зменшуються з відстанню, елементарно екрануються і

управляються. Основне їх джерело – відхиляюча електромагнітна система

кінескопа. В сучасних моніторах все випромінювання відводиться вгору і

часткове назад. Вперед не випромінюється нічого. Тому приміщеннях

комп’ютерну техніку розставляють уздовж стін так, щоб люди не могли

знаходитися біля їх задніх стінок.

Максимальний рівень рентгенівського випромінювання па робочому

місці оператора комп’ютера звичайно не перевищує 10 мкбэр/ч, а інтенсивність

ультрафіолетового і інфрачервоного випромінювань від екрану монітора

лежить в межах 10..100 .

Для зниження дії цих видів випромінювання рекомендується

застосовувати монітори із зниженим рівнем випромінювання (MPR-II, ТСО-

92, ТСО-99, ТСО-03), а також дотримувати регламентовані режими праці і

відпочинку.

8.2.4 Шум

Шум – безладне поєднання звуків різної частоти і інтенсивності або

сукупність звуків різної частоти. Нормується відповідно до

ГОСТ 12.1.003-83* [30].

Відповідно до ГОСТ 12.1.003 – 83* і ДНАОП 0.03-3.14-85 [31] в

приміщеннях програмістів обчислювальних машин рівні звуку і еквівалентні

рівні звуку не повинні перевищувати 50 дБА. Захистом від шуму в приміщенні

можуть служити кришки на принтері, зменшити шум можна також відстанню,

за допомогою установки перебірки, ізоляцією принтерів в інші приміщення і

так далі.

57

8.3 Забезпечення безпечних умов праці на робочому місці

8.3.1 Ергономічні вимоги до організації робочого місця

Згідно ГОСТ 20.39.108-85 [32] ергономічні вимоги мають бути направлені

на підвищення ефективності діяльності співробітника за рахунок оптимізації

багатьох умов праці.

Згідно ГОСТ 12.2.032-78 [33] конструкцією робочого місця має бути

забезпечене виконання трудових операцій в межах зони досяжності моторного

поля. Зони досяжності моторного поля для середніх розмірів тіла людини

приведені на рисунках 8.1 і 8.2.

Рисунок 8.1 – Зона досяжності моторного поля у вертикальній площині.

Рисунок 8.2 – Зона досяжності моторного поля в горизонтальній площині при висоті

робочої поверхні над підлогою 725 мм.

58

Виконання частих трудових операцій має бути забезпечене в межах зони

легкої досяжності і оптимальної зони моторного поля, приведених на рисунку

8.3.

Рисунок 8.3 – Зони для виконання ручних операцій:

1 – зона для розміщення найбільш важливих і дуже часто використовуваних предметів

(оптимальна зона моторного поля); 2 – зона для розміщення часто використовуваних

предметів (зона легкої досяжності моторного поля); 3 – зона для розміщення рідко

використовуваних предметів (зона досяжності моторного поля).

Конструкція робочого місця повинна забезпечувати оптимальне

положення співробітника, що досягається за рахунок регулювання висоти

сидіння і підставки для ніг. Висота робочої поверхні береться по номограмі

(малюнок 4) для робітника зростом 1800 мм. Оптимальна робоча зона для

працівників низького зросту досягається за рахунок збільшення висоти

робочого сидіння і підставки для ніг на величину, рівну різниці між висотою

робочої поверхні для робітника зростом

1800 мм і висотою робочої поверхні, оптимальної для зросту даного

працівника.

59

Підставка для ніг має бути регульованою по висоті. Ширина має бути не

менше 300 мм, довжина — не менше 400 мм. Поверхня підставки має бути

рифленою. По передньому краю слід передбачати борт заввишки 10 мм.

Рисунок 8.4 - Номограма залежності висоти робочої поверхні (1), простори для ніг (2)

і висоти робочого сидіння (3) від зросту людини.

Важливим фактором є простір під столом, його повинно бути досить щоб

зручно згинати і розгинати коліна (рис. 8.5).

Рисунок 8.5 – Простір для ніг (ширина не менше 500 мм): а – відстань від сидіння до

нижнього краю робочої поверхні не менше 150 мм; h – висота простору для ніг не

менше 600 мм.

Стіл повинен мати криволінійну форму, за рахунок увігнутості його

велика частина виявляється використовуваною, оскільки потрапляє в зону

досяжності моторного поля. Оскільки робота інженера по стандартизації

поєднує в собі роботу за комп'ютером і паперову, то стіл окрім місця для

60

монітора, клавіатури, системного блоку повинен містити ще і додаткові

полички і ящики, щоб не завантажувати паперами робочий простір столу. Стіл

повинен дозволяти міняти глибину положення монітора. Площа стільниці не

має бути менше 1 м2. Чим масивніше стіл, тим краще, менше вібрації від

техніки.

Крісло повинне забезпечувати фізіологічно раціональну робочу позу, при

якій не порушується циркуляція крові і не відбувається інших шкідливих дій.

Для цього необхідно щоб в крісла була пружна спинка анатомічної форми, яка

зменшить навантаження на хребет. Також для того, щоб знімати навантаження

з м'язів плечового поясу, крісло обов'язково має бути з підлокітниками і мати

можливість повороту, зміни висоти і кута нахилу сидіння і спинки. Важливо,

щоб всі регулювання були незалежними, легко здійсненними і мали надійну

фіксацію. Крісло має бути регульованим, з можливістю обертання, щоб

дотягнутися до далеко розташованих предметів.

Монітор повинен розташовуватися на робочому столі прямо, і віддалений

від очей мінімум на 50-60 см. Верхній кордон екрану має бути на рівні очей або

не нижче 15 см за рівень очей. Важливе значення мають не лише оптимальне

розташування монітора, але і його технічні параметри. Перш за все, це

роздільна здатність монітора і частота оновлення зображення. Оскільки у

функції інженера по стандартизації входить нормоконтроль документації, то до

технічних параметрів монітора пред'являються особливі вимоги. Для роботи

монітор з діагоналлю мінімум 17‖ або 19‖ оптимальний дозвіл – 1024*768 або

1280*1024 відповідно. Проте при цьому частота оновлення зображення не має

бути менше 100 Гц, оскільки коливання яскравості приводять до нервової

перевтоми і швидкого погіршення зору.

Неправильне положення рук при друці на клавіатурі призводить до

хронічних розтягувань кисті. Важливо не стільки відсунути клавіатуру від краю

столу і обперти кисті об спеціальний майданчик, скільки тримати лікті

паралельно поверхні столу і під прямим кутом до плеча. Тому клавіатура

повинна розташовуватися в 10-15 см (залежно від довжини ліктя) від краю

61

столу. В цьому випадку навантаження доводиться не на кисть, в якої вени і

сухожилля знаходяться близько до поверхні шкіри, а на "м'ясистішу" частину

ліктя. Глибина столу повинна дозволяти повністю покласти лікті на стіл,

відсунувши клавіатуру до монітора.

Рисунок 8.6 – Правильна робота за клавіатурою

8.3.2 Вимоги до електробезпеки при роботі за комп'ютером

Персональний комп'ютер не є джерелом механічних і теплових небезпек,

але є споживачем електроенергії. Тому, при розгляді питань техніки безпеки,

обмежимося розглядом електробезпеки.

Згідно ДНАОП 0.00-1.31-99 [34] при проектуванні систем

електропостачання, монтажі силового електроустаткування і електричного

освітлення в будівлях і приміщеннях для ЕОМ необхідно дотримуватися вимог

нормативно-технічній документація. Комплекс необхідних заходів з техніки

безпеки визначається, виходячи з видів електроустановки, її номінальної

напруги, умов середи, типа приміщення і доступності електроустаткування.

ЕОМ є однофазним споживачем електроенергії, що живиться від

змінного струму 220 В від мережі із заземленою нейтраллю. Персональний

комп'ютер відноситься до електроустановок до 1000 В закритого виконання, всі

струмопровідні частини знаходяться в кожухах. За способом захисту людини

від ураження електричним струмом, ЕОМ і периферійна техніка повинні

відповідати 1 класу захисту.

ПУЭ – 87 [35] передбачені такі заходи електробезпеки: конструктивні,

схемно-конструктивні, експлуатаційні.

62

- Конструктивні заходи забезпечують захист від випадкового дотику до

струмопровідних частин за допомогою захисних оболонок і ізоляції

струмоведучих частин. Ступінь захисту оболонки повинен відповідати класу

пожежонебезпечної зони приміщення П-IIа. Для ступеня захисту оболонки

IP-44.

- Схемно-конструктивні заходи призначені для забезпечення захисту від

ураження електричним струмом при дотику до металевих оболонок, які можуть

опинитися під напругою в результаті аварії. У даному приміщенні в

комп'ютерах застосовується занулення. Біля монітора передбачена подвійна

ізоляція.

Лінія електромережі для живлення ЕОМ і периферійної техніки

виконується як окрема групова трипровідна мережа, шляхом прокладки

фазового, нульового провідника і нульового захисного провідників.

Використання нульового робочого провідника як нульового захисного

забороняється. Нульовий захисний провідник прокладається від групового

розподільного щита до розеток живлення. Не допускається підключення на

щиті до одного контактного затиску нульового провідника і нульового

захисного провідників. Конструкція штепсельних з'єднань електророзеток

повинна забезпечити раніше під'єднування нульового захисного провідника в

порівнянні з фазовим і нульовим провідником. Площа перетину нульового

провідника, нульового захисного провідників має бути не менше площі

перетину фазового провідника. Всі провідники повинні відповідати

номінальним параметрам мережі і навантаження, умовам навколишнього

середовища, типам апарату захисту і іншим вимогам. Підключення ЕОМ до

звичайної двопровідної мережі, у тому числі з використанням перехідних

пристосувань неприпустимо. При розташуванні в приміщенні до п'яти ЕОМ по

його периметру дозволяється прокласти трьохпровідниковий кабель в оболонці

з матеріалу, що не згорає і важко запалюється, без металевих труб. Якщо є

понад п'ять комп'ютерів, то кабель прокладають в металевих трубах і гнучких

металевих рукавах з відведеннями. Якщо ЕОМ розміщені в центрі приміщення

63

– електромережа прокладається в каналах або під знімною підлогою в

металевих трубах або гнучких металевих рукавах. У даному приміщенні

знаходиться сім комп'ютерів, які розміщені вздовж стін.

З цієї причини був прокладений трьохпровідниковий кабель в металевих

трубах і гнучких металевих рукавах з відведеннями.

Експлуатаційні заходи.

Необхідно дотримуватись правил техніки безпеки при роботі з високою

напругою і наступних запобіжних засобів:

- монтаж, обслуговування, ремонт і наладка ЕОМ, заміна деталей,

пристосувань, блоків повинна здійснюватися тільки при повному відключенні

живлення;

- заземлені конструкції приміщення мають бути надійно захищені

діелектричними щитками або сітками від випадкового дотику.

8.4 Пожежна безпека

Згідно з вимогою ГОСТ 12.1.004-91 [36], пожежна безпека забезпечується

наступними заходами:

- системою запобігання пожежам;

- системою пожежного захисту;

- організаційними заходами щодо пожежної безпеки;

Запобігання пожежі досягається наступними заходами:

- запобігання утворенню горючого середовища;

- запобігання наявності в горючій середі джерел запалення.

Для зменшення небезпеки займання в горючому середовищі передбачено:

1) Використання устаткування, відповідного класу пожежонебезпечної

зони П-II а: ступінь захисту електроапаратури має бути не менше IP-44, ступінь

захисту світильників IP-23;

2) Блискавкозахист будівель, споруд і устаткування; для даного класу

виробничих будівель класу пожежонебезпечної зони П-ІІа і місцевості з

64

середньою грозовою діяльністю 20, тобто для умов м. Харкова встановлено III

категорію блискавкозахисту;

3) Забезпечення захисту від короткого замикання (контроль ізоляції,

використання запобіжників);

4) Вживання заземлення захисного екрану для стоку статичної електрики.

У системі пожежного захисту передбачено аварійне відключення апаратів

і комунікацій. Як сповіщення використовуються термоелектричні датчики

диференціальної дії. При вибиранні засобу гасіння пожежі для забезпечення

безпеки людини від можливості ураження електричним струмом в приміщенні

передбачено використовувати вуглекислотний вогнегасник типа ОУ-5. У

приміщенні знаходиться чотири вогнегасники оскільки, загальна площа

приміщення 36 м2, а на кожних 20 м

2 призначається мінімум два вогнегасника.

Вогнегасники знаходиться на видному і досяжному місці. При виникненні

пожежі передбачена можливість повідомлення в пожежну охорону по

телефону. Ступінь вогнестійкості будівлі – II.

8.5 Охорона навколишнього середовища

25 червня 1991 року ухвалений Закон України ― Про охорону

навколишнього природного середовища‖ [37]. Завданням законодавства про

охорону навколишнього середовища є регулювання стосунків в області

охорони, використання і відтворення природних ресурсів, забезпечення

екологічної безпеки, попередження і ліквідації негативної дії господарської і

іншої діяльності на навколишнє середовище.

Закон визначає правові, економічні, соціальні основи охорони

навколишнього середовища. Завдання Закону полягає в регулюванні стосунків

в області охорони природи, використанні і відтворенні природних ресурсів,

забезпеченні і ліквідації наслідків негативної дії на навколишнє середовище

господарською і іншою діяльністю людини, збереження природних ресурсів,

генетичного фонду нації, ландшафтів і інших природних об'єктів.

65

При масовому використанні моніторів і комп'ютерів не можна не

враховувати їх вплив на навколишнє середовище на всіх стадіях: при

виготовленні, експлуатації і після закінчення їх терміну служби. Сьогодні діють

екологічні стандарти, які визначають вимоги до виробництва і матеріалів, що

використовуються в конструкції приладів. Вони не повинні містити фреонів,

хлоридів, бромідів і полівінілхлориду (ТCO’95, BS 7750). ТCO’95 включають

вимоги зниженого енергоспоживання і обмежують допустимі рівні потужності,

споживані в неактивному стані.

У стандартах TCO’99 закладено обмеження з кадмію в світлочутливому

шарі екрану дисплея і ртуті в батареях. Апарати, тара і документація повинні

допускати нетоксичну переробку після використання.

Міжнародні стандарти, починаючи з TCO’92 включають вимоги

зниженого енергоспоживання і обмеження допустимих рівнів потужності,

споживаних в неактивному режимі.

Всі комп'ютери встановлені в даному приміщенні були виготовлені не

раніше 2004-го року. Монітори відповідають міжнародним стандартам

[ТCO’95, ТCO’99]. Комп'ютери відповідають стандарту [ISO 9001]. Робота на

ПК типа IBM PC\AT\ATX не надає шкідливої дії на навколишнє середовище.

Після закінчення терміну служби він повністю підлягає вторинній переробці, а

також апарати, тара, документація, диски та інші супроводжуючі дану роботу

речі повинні допускати нетоксичну переробку після використання (утилізацію).

Необхідно виконувати вимоги стандарту ДСТУ (ISO – 14000), який

визначає вимоги до організації виробничого процесу з мінімальним збитком

для навколишнього природного середовища.

66

9 ЕКОНОМІЧНЕ ОБГРУНТУВАННЯ БАКАЛАВРСЬКОЇ РОБОТИ

Провідну роль в економічному розвитку займає науково-технічний

прогрес, а на даному етапі він пов’язаний з розвитком персональних

комп’ютерів (ПК) та комп’ютерних технологій. Тому потрібно впроваджувати

системи автоматизованого проектування, за допомогою яких буде значно

скорочено весь процес від моменту постановки технічного завдання до моменту

початку виготовлення готової продукції, що в свою чергу сприятиме зростанню

продуктивності праці.

Це можна досягти завдяки тому, що на сучасних комп’ютерах можна

змоделювати просторову модель конструкції практично будь-якої складності.

Після моделювання конструкції в одній з САПР систем можна приступити до

розрахунку її механічних властивостей. Такі розрахунки дозволяють визначити

придатність моделі і її відповідність висунутим вимогам. Більш того, відпадає

потреба в проведенні великої кількості натурних іспитів.

Вибір конкретних програмних комплексів здійснюється виходячи з кола

поставлених задач і економічної віддачі від упровадження цих комплексів. Для

конструкторського складу буває необхідно створити адаптований під

полегшене використання спеціалізований програмний комплекс. Цей комплекс

створюється таким чином, що зводить спілкування конструктора з

комп’ютером до введення декількох параметрів в окремій формі.

9.1 Техніко-економічний огляд прийняття рішень

В даній бакалаврській роботі об’єктом дослідження є голчастий

регулюючий вентиль серії ЮС. Розрахунки виконані методом скінченних

елементів, модель проектувалася в програмних комплексах SolidWorks 2010 й

Abaqus 6.10.1. Проведені розрахунки. Результатом застосування комплексу

може бути:

- скорочення часу, потрібного на розрахунок конструкції;

- підвищення довговічності проектованого виробу;

67

- спрощення процесу проектування.

Все це потребує розрахунку загальних витрат, пов’язаних з

розробкою НДР.

9.2 Розрахунок витрат на НДР

Виконання наукових досліджень вимагає визначених витрат, що

розглядаються як додаткові капіталовкладення. Визначимо основні параметри,

які необхідно враховувати при розрахунках:

- площа приміщення S=15 м2;

- потужність ПЕОМ W1 =0,09 кВт;

- потужність освітлювального приладу W2 =0,35 кВт;

- вартість електроенергії 1 кВт год, Тт =0,7626 грн;

- коефіцієнт невиходів а= 5%;

- вартість ПЕОМ SK = 6800 грн;

- кількість робочих днів у місяці Др = 25;

- час роботи на комп’ютері Тк = 5 міс;

- час розробки НДР tp = 5 міс;

- вартість 1 м2 площі/міс. 120 грн.

Розраховуємо ефективний фонд часу:

(9.1)

9.2.1 Заробітна плата

Розрахунок основної заробітної плати робітників здійснюється на основі

штатного розкладу виконавців НДР, результати показані в таблиці 9.1.

68

Таблиця 9.1 – Штатний розклад

Посада Кількість

виконавців

Оклад на

місяць, грн

Кількість

місяців

зайнятості

Загальна сума

витрат

Керівник

проекту 1 1800 1 1800

Інженер-

дослідник 1 1200 5 6000

Всього 2 7800

9.2.2 Відрахування в бюджет

На заробітну плату з урахуванням преміального фонду нараховуються

відрахування, що спрямовуються в бюджет держави:

(9.2)

(9.3)

(9.4)

де ВПФ = 33,2% – відрахування в пенсійний фонд;

ВФС = 1,5% – відрахування в фонд страхування;

ВСБ = 1,3% – страхування від безробіття;

0,8% – страхування від нещасного випадку;

1800 грн. – зарплатня керівника проекту;

1200 грн. – зарплатня інженера дослідника.

69

(9.5)

(9.6)

(9.7)

9.2.3 Витрати на матеріали

Витрати на матеріали, канцелярсько-письмові приналежності

розраховуються на основі визначених кількостей й прейскурантних цін.

Перелік матеріалів що були використані і їх ціни наведені в таблиці 9.2.

Таблиця 9.2 – Витрати на матеріали

Найменування Ціна за

одиницю грн Кількість Сума грн

Flаsh накопичувач

16 Gb

430 1 430

Папір для друку А4 36 1 36

Чорно-білий друк на

принтері А4

0.3 500 150

Папка 10 1 10

Ручка кулькова 2 3 6

Олівець 1.5 3 4.5

Всього 479,8 636,5

9.2.4 Витрати на електроенергію

Витрати на електроенергію розраховуються по потужності

електроустановок. До переліку електроустаткування належать:

- прилади освітлення лабораторії;

- ПЕОМ.

70

Витрати на електроенергію розраховуються за формулою:

(9.8)

де - тариф на електроенергію;

– час використання ПЕОМ;

– час використання приладів освітлення;

W1 – потужність ПЕОМ;

W2 – потужність приладів освітлення.

(9.9)

де – кількість годин використання ПЕОМ в день.

(9.10)

де – кількість годин використання приладів освітлення в день.

(9.11)

(9.12)

(9.13)

9.2.5 Витрати на воду й інші ресурси

Витрати на воду і т.д. для технічних цілей визначаються аналогічно

витратам на електроенергію, виходячи з добової потреби і поточних роздрібних

цін. При виконанні НДР витрати на воду й інші ресурси враховуються у

орендній платі.

71

9.2.6 Витрати на устаткування і покупні вироби

До кошторису включається вартість тільки того устаткування, що

безпосередньо використовується для проведення даної НДР, тобто одноразове

застосування. Ці витрати визначаються з розрахунку числа такого устаткування

і його цін. При виконанні даної НДР подібне устаткування не

використовувалося.

9.2.7 Витрати на малоцінний інвентар

Витрати на малоцінний інвентар та інструмент, що швидко зношується,

приймають у розмірі 10 – 15 % вартості використовуваного устаткування. При

виконанні даної НДР подібне устаткування не використовувалося.

9.2.8 Амортизаційні відрахування

Амортизаційні відрахування розраховуються на основні фонди

лабораторії, що знаходяться в експлуатації тривалий час. При виконанні даної

НДР використовувався наступний елемент основних фондів:

- ПЕОМ.

Розрахунок амортизаційних відрахувань має такий вигляд:

(9.14)

де – норма амортизації основних фондів, %;

– вартість основних фондів, грн;

– тривалість виконання НДР, міс;

= 60 %;

6800 грн.

(9.15)

Розрахунок витрат на НДР приведений в таблиці 9.3.

72

Таблиця 9.3 – Розрахунок витрат на НДР

№ Стаття витрат Методика розрахунку Сума, грн

1 Основна зарплата за

штатним розкладом

Таблиця …. 9.1 7800

2 Відрахування в бюджет Пункт…. 9.2.2 2870.4

3 Витрати на матеріали Таблиця…. 9.2 636,5

4 Витрати на електроенергію Пункт…. 9.2.4 201.4

5 Амортизаційні відрахування Пункт…. 9.2.8 1700

6 Всього 13208,5

9.3 Висновки за економічним розділом

Проведене техніко-економічне обґрунтування НДР з застосуванням

САПР показало перевагу цього метода перед базовим і можливість

використання систем SolidWorks 2010, Abaqus 6.10.1 в проектуванні і

розрахунку механічних властивостей деталі, що істотно економить кошти на

проектування і час дослідження нових об’єктів.

73

ВИСНОВКИ

В представленій роботі було створено:

- 3D модель голчастого регулюючого вентиля серії ЮС в системі

SolidWorks 2010;

- розроблена скінченно-елементна модель корпуса голчастого

регулюючого вентиля серії ЮС;

- проведений розрахунок напружено-деформованого стану корпуса

вентиля під дією робочих навантажень;

- досліджено вплив високотемпературної повзучості на тривалу міцність

елементів на існуючий напружено-деформований стан.

В результаті виконаної роботи можна заключити наступні висновки:

1) Отримані підтвердження ефективності розрахунку на ЕВМ.

2) Розроблений підхід може бути застосований до широкого класу

машинобудівних конструкцій.

3) Різниця у результатах між СЕ 3мм та СЕ 6 мм не перевищує 10%.

4) Необхідно проводити додаткові експерименти з кращою скінченно-

елементною моделлю, для отримання більш точних результатів.

5) При виконанні роботи дотримані всі вимоги охорони праці та

навколишнього середовища.

6) Робота має економічну ефективність при впровадженні у практику

проектування та дослідження в умовах реального виробництва.

74

СПИСОК ДЖЕРЕЛ ІНФОРМАЦІЇ

1 Е.Г. Васильченко, А.П. Майоров, Н.П. Зубков, В.И. Черноштан, Б.Я.

Ивницкий, В.Л. Хмельникер, В.В. Ермолев, В.П. Семенов, Т.А. Рябых, И.Г.

Примурова, В.К. Дворцов, В.Г. Беляев, В.С. Чистяков «Арматура

энергетическая для АЭС и ТЭС», 1986 г.

2 Малинин Н.Н., д-р техн. наук проф. «Прикладная теория пластичности

и ползучести». – М: Машиностроение, 1968. – 400 с.

3 Машиностроение. Эниклопедия / Ред. совет: К.В. Фролов (пред.) и др. –

М: Машиностроение. Динамика и прочность машин. Теория механизмов и

машин. Т. 1-3. В-2-х кн. Кн. 1 / К.С. Колесников, Д.А. Александров, В.К.

Асташев и др.; Под общ. Ред. К.С. Колесникова. 1994. – 534 с.

4 Абарцумян С.А. «Разномодульная теория упругости». - М: Наука.

Главная редакция физико-математической литературы, 1982. – 320 с.

5 В.А. Постнов «Теория пластичности и ползучести», 1976. – 130 с.

6 Гораш Є.М. Розробка моделі повзучості з пошкоджуваністю для

неізотермічного аналізу тривалої міцності в широкому діапазоні напружень. –

Рукопис. Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

за фахом 05.02.09 – динаміка та міцність машин. – Національний технічний

університет «Харківський політехнічний інститут». – Харків, 2010.

7 Овчаренко В.А. Расчет задач машиностроения методом конечных

элементов: Учеб. пособие. – Краматорск: ДГМА, 2004. – 128 с.

8 Б.Е. Победра «Метод конечных элементов в технике», 1975. – 541 с.

9 Расчеты машиностроительных конструкций методом конечных

элементов: Справочник/ В.И. Мяченков, В.П. Мальцев, В.П. Майборода и др.;

Под общ. Ред. В.И. Мяченкова. – М.: Машиностроение, 1989. – 520 с.

10 Наталья Дударева, Сергей Загайко "SolidWorks 2006. Самоучитель",

2006. - 166 с.

11 Алямовский А.А. «SolidWorks. Компьютерное моделирование в

инженерной практике», 2005. – 800 с.

75

12 Нуштаева Д.В. и Тропкина С.Н. методическое пособие «Abaqus для

начинающих», 2010. – 78 с.

13 http://uk.wikipedia.org – Система автоматизованого проектування.

14 http://www.ci.ru/inform01_02/p_22-23.htm - Система автоматизации

проектных работ.

15 http://solidworks.dwg.ru - Cистема автоматизированного

проектирования – SolidWorks.

16 http://www.tesis.com.ru - SIMULIA/ABAQUS.

17 Методичні вказівки до лабораторних робіт з курсу «Математичне

моделювання в маркшейдерії» для магістрів спеціальності 8.090307. Частина 1 /

Сост.: В.В. Назимко, Н.А. Бугайова, І.В. Назимко - Донецьк: ДонНТУ, 2010. –

78 с.

18 Опір матеріалів. Підручник /Г. С. Писаренко, О. Л. Квітка,

Е. С. Уманський. За ред. Г. С. Писаренка — К.: Вища школа,1993 .- 655 с.

19 Работнов Ю.Н. Ползучесть элементов конструкций. -М.: Наука,

1966. - 752 с.

20 Бойл Дж., Спенс Дж. Анализ напряжений в конструкциях при

ползучести: Пер. с англ. – М.: Мир, 1986. – 360 с.

21 Малинин Н.Н. Основы расчетов на ползучесть. -М., Машгиз, 1948,

120 с.

22 Розенберг В.М. Основы жаропрочности металлических материалов. -

М.: Металлургия, 1973. – 324 с.

23 Русов Б.П. Методы расчѐта конструкций на ползучесть: Учебное

пособие – Новосибирск: НГАСУ, 1998. – 88 с.

24 Одинг И.А. и др. Теория ползучести и длительной прочности

металлов. –М.:Металлургиздат, 1959.

25 Ильин В.Н., Парцевский В.В. Ползучесть металлических элементов

конструкций в условиях пожара: Лекции. - М.: ВИПТШ МВД СССР,

1990. – 56 с.

26 Закон Украины «Про охрану труда» – Введ 21.11.2002 г.

76

27 ГОСТ 12.0.003-74. ССБТ. Опасные и вредные производственные

факторы. Классификация. – Введено 01.01.76. Изменения: 1978.

28 ГОСТ 12.1.005–88 ССБТ. Общие санитарно-гигиенические требования к

воздуху рабочей зоны. Введ 01.01.89.

29 СНиП II-4-79. Строительные нормы и правила. Естественное и

искусственное освещение. Нормы проектирования –М. Стройиздат, 1982.

30 ГОСТ 12.1.003 – 83*. ССБТ. Шум. Общие требования безопасности. –

Введ. 01.07.89.

31 ДНАОП 0.03-3.14-85 Санітарні норми допустимих рівнів шуму на

робочих місцях №3223-85 с.

32 ГОСТ 20.39.108-85 Требования по эргономике, обитаемости и

технической эстетике.

33 ГОСТ 12.2.032-78 ССБТ. Рабочее место при выполнении работ сидя.

Общие эргономические требования.

34 ДНАОП 0.00-1.31-99. Правила охорони праці при експлуатації ЕОМ,

Київ, 1999г.

35 ПУЭ – 87. Правила устройства электроустановок. – М:

Энергоатомиздат, 1987. – 648 с.

36 ГОСТ 12.1.004-91. ССБТ. Пожарная безопасность. Общие требования.

Введено 01.07.92.

37 Закон Украины об охране окружающей среды от 25.06.91.