Влияние детализации модели съемного грузозахватного приспособления на результаты статического расчёта мостового крана

Введение. Обеспечение безопасности при эксплуатации грузоподъемных кранов, особенно на объектах использования атомной энергии (ОИАЭ) при транспортировке опасных грузов, таких как отработавшие тепловыделяющие сборки, требует высокой точности расчетов несущих конструкций. Существующие подходы к моделированию не всегда учитывают влияние детализации съемных грузозахватных приспособлений (СГП) на общую картину напряженно-деформированного состояния крана. Целью данного исследования является оценка влияния уровня детализации конечно-элементной модели СГП типа траверсы на гибком подвесе на сходимость и точность результатов статического расчета мостового крана.
Материалы и методы. Исследование проводилось на примере задачи транспортировки контейнеров ТУК-13 мостовым краном с использованием траверсы на гибком подвесе. Разработаны и проанализированы три варианта расчетно-статической модели (РСМ) крана, различающиеся способом моделирования СГП: 1) представление нагрузки от СГП и груза сосредоточенными массами (весом); 2) использование детализированной модели СГП с грузом с жесткими соединениями элементов; 3) применение детализированной модели СГП с грузом с учетом шарнирных соединений. Для каждой из трех моделей был выполнен статический расчет тремя различными методами: линейный статический анализ, статический расчет с учетом P-Δ и статический расчет с учетом P-Δ и больших перемещений.
Выводы. Сравнительный анализ показал, что учет гибких элементов подвеса и шарнирных соединений в конструкции СГП требует учета P-Δ эффекта и больших перемещений, для адекватного описания деформированного состояния системы «кран-СГП-груз». Линейные методы и упрощенные модели СГП могут приводить к существенным погрешностям. Выбор уровня детализации РСМ и метода расчета оказывает значительное влияние на достоверность получаемых результатов.
Рамки исследования и возможность последующего использования. Результаты применимы к статическому анализу мостовых кранов с гибкими подвесами и сложными СГП. В дальнейшем возможно расширение исследования на динамические режимы работы и другие типы СГП. Практическое значение. Полученные выводы важны для инженерной практики при проектировании и проведении поверочных расчетов мостовых кранов, позволяя выбрать рациональное сочетание уровня детализации модели и метода расчета для обеспечения требуемой точности и безопасности.
Оригинальность и ценность. Новизна работы заключается в систематическом сравнении влияния как уровня детализации модели СГП (от сосредоточенных масс до детализированной модели с шарнирами), так и различных методов статического расчета на результаты для крана с гибким подвесом. Результаты будут полезны инженерам-конструкторам, расчетчикам и специалистам по безопасности, работающим с грузоподъемным оборудованием в ответственных отраслях.

1. Niu C.M. Zhang H.W., Ouyang H.A comprehensive dynamic model of electric overhead cranes and the lifting operations // Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part C: Journal of Mechanical Engineering Science. 2012. Vol. 226, № 6. P. 1484–1503. DOI: https://doi.org/10.1177/0954406211423586.

2. Lei Z., Han S., Bouferguene A., Taghaddos H., Hermann U., & Al-Hussein M. Algorithm for Mobile Crane Walking Path Planning in Congested Industrial Plants. Journal of Construction Engineering and Management-Asce. 2015. 141(2), 05014016. https://doi.org/10.1061/(ASCE)CO.1943-7862.0000929

3. Abel P., & Spaeth H. Method for measuring loads for cranes. 2006. https://patents.google.com/patent/EP1748021B1/en

4. Belleri A., Labo S., Marini A.C., Riva P. The Influence of Overhead Cranes in the Seismic Performance of Industrial Buildings// Frontiers in Built Environment. 2017. Vol. 3. Article 64. DOI: https://doi.org/10.3389/fbuil.2017.00064.

5. Синельщиков А.В., Панасенко Н.Н. Сравнительный анализ расчетно-динамических моделей портовых кранов на основе одно- и двумерных конечных элементов // Вестник Астраханского государственного технического университета. Серия: Морская техника и технология. 2019. № 2. С. 127–144. DOI: https://doi.org/10.24143/2073-1574-2019-2-127-144

6. Jia Z., Song X., Xu Y. and Gu H. Static Analysis of Main Girder of Shipbuilding Gantry Crane-Based on ANSYS, n.d. DOI: https://doi.org/10.3969/j.issn.1671-5276.2012.05.032

7. Fatehi M.H.,Eghtesad M., Amjadifard R. Modelling and Control of an Overhead Crane System with a Flexible Cable and Large Swing Angle // Journal of Low Frequency Noise, Vibration and Active Control. 2014. Vol. 33, № 4. P. 395–409. DOI: https://doi.org/10.1260/0263-0923.33.4.395.

8. Mojallizadeh M.R., Brogliato B., Prieur C. Modeling and control of overhead cranes: a tutorial overview and perspectives // Annual Reviews in Control. 2023. Vol. 56. Article 100877. DOI: https://doi.org/10.1016/j.arcontrol.2023.03.002.

9. Jin Y. (n.d.). The finite element analysis of the QTZ63 tower crane. DOI: https://doi.org/10.3969/j.issn.1006-4303.2010.03.002

10. Garcia A.,Singhose W., Ferri A.A. Three-Dimensional Modeling and Experimental Verification of Off-Centered Crane Lifts // ASME 2015 Dynamic Systems and Control Conference (DSCC2015), Columbus, OH, October 28-30, 2015. Columbus: ASME, 2015. DOI: https://doi.org/10.1115/DSCC2015-9805.

11. Zhu C., Miao W., Xu K., Xiao M., Li C. Lifting Attachments of Cranes: text // Theory and technology of crane systems / edited by K. Xu, W. Miao, C. Zhu, C. Li, Y. Liu, M. Xiao. Singapore: Springer, 2024. P. 745–844. DOI: https://doi.org/10.1007/978-981-99-4848-2_8.

12. Панасенко Н.Н., Синельщиков А.В. Конечно-элементный анализ и проектирование подъёмных сооружений в сейсмостойком исполнении: монография; под ред. Н.Н. Панасенко. М.: Издательство АСВ, 2020. 760 с. ISBN 978-5-4323-0351-6.

13. Котельников В.С., Панасенко Н.Н., Синельщиков А.В. Системная оценка расчетно-проектировочного анализа грузоподъемных кранов // ТехНАД-ЗОР. 2022. № 7–8 (185). С. 28–31.

14. Lanz, N., Spescha, D., Weikert, S., Wegener, K. Efficient Static and Dynamic Modelling of Machine Structures with Large Linear Motions. International Journal of Automation Technology. 2018. 12(5). 622-630. DOI: https://doi.org/10.20965/IJAT.2018.P0622

15. Wu, Z. Application of Nonlinear Dynamic Model Combined With Static Model. 2008. https://en.cnki.com.cn/Article_en/CJFDTOTAL-ZGDC200829019.htm

16. Navale R.S.,Patil P.M., Tadamalle A.P. Design optimization of single overhead crane girder using finite element analysis. International Journal on Recent and Innovation Trends in Computing and Communication.// International Journal on Recent and Innovation Trends in Computing and Communication. 2023. Vol. 11, № 11. P. 733–737. DOI: https://doi.org/10.17762/ijritcc.v11i11.10088.

17. Valtchev S., Sinyukov A., Sinyukova T., Gracheva E., Miceli R., Goncalves J. Increasing the Damping Capacity of Crane Electric Drive Systems When Moving Cargo with a Flexible Suspension // 2024 International Conference on Development and Application Systems (DAS), Suceava, Romania, 2024. Suceava: IEEE, 2024. P. 53–58. DOI: https://doi.org/10.1109/DAS61944.2024.10541197.

18. Haniszewski T. Modeling the dynamics of cargo lifting process by overhead crane for dynamic overload factor estimation // Journal of Vibroengineering. 2017. Vol. 19, № 1. P. 75–86. DOI: https://doi.org/10.21595/JVE.2016.17310.

19. Строительная механика сварных пространственных металлоконструкций: коллективная монография / Н.Н. Панасенко, В.В. Смирнов, А.В. Синельщиков [и др.]. Волгоград: Волгоградское научное издательство, 2017. 480 с.

20. Синельщиков А.В. Большие перемещения в задачах расчетного анализа грузоподъемных кранов // Вестник Астраханского государственного технического университета. Серия: Морская техника и технология. 2007. № 2 (37). С. 10–16.

21. Liu S. Z., Guo X. Y. A Practical Calculation Method of P-Δ Effect in Frame Structure. Advanced Materials Research. 2010. 1844–1848. https://doi.org/10.4028/WWW.SCIENTIFIC.NET/AMR.163-167.1844

22. Cusmano, V., Pantò, B., Rapicavoli, D., Caliò, I. A discrete‐element approach accounting for P‐Delta effects. 2023. 52(7). 2047–2066. DOI: https://doi.org/10.1002/eqe.3867