ЗАО «Псковэлектросвар» – крупнейшее российское предприятие по разработке и изготовлению автоматизированных машин, комплексов и сварочных роботизированных линий для сварки различных комплектующих изделий. Основной деятельностью компании является разработка, проектирование и изготовление тяжелого электросварочного оборудования для предприятий различных отраслей промышленности.

По заказу компании «Псковэлектросвар» в 2015 году специалисты «МЦД» выполнили проект по расчету статической прочности деталей центратора КСС-04У и свариваемой трубы при зажиме центратором с учетом отклонений формы трубы по овальности.

Целями проекта являлось: проведение численного моделирования испытания на рабочую нагрузку центратора и свариваемой трубы с учетом наличия в трубе отклонений от идеальной цилиндрической формы; оценка статической прочности всех деталей центратора и свариваемой трубы; оценка максимального статического усилия зажима свариваемой трубы, не приводящего к выходу материала за предел текучести, что повлекло бы за собой необратимые изменения формы сечения свариваемой трубы.

Расчеты прочности проводились методом конечных элементов (МКЭ), с помощью программного комплекса Ansys Structural.

Центратор является устройством для центрирования и силового зажима свариваемых труб для стыковой контактной сварки встык. Он представляет собой рычажный механизм с синхронным поджатием силовых вкладышей и токоподводящих электродов. Процесс стыковки свариваемых поверхностей выполняется в два этапа: сначала осуществляется равномерное обжатие внутренней поверхности трубы опорными башмаками – силовой зажим, затем осуществляется осадка – продольное смещение подвижной части центратора с целью стыковки свариваемых труб. Конструкция центратора обладает циклической симметрией вокруг оси трубы.

Для решения задачи использовался подход, состоящий в разделении исходной задачи на два этапа.

Этап I. Расчетная модель состоит из башмаков, силовых вкладышей и электродов, а также свариваемой трубы с эллиптическим сечением, подобранным в соответствие с нормативно-технической документацией на используемые трубы, регламентирующей максимальную допустимую эллипсность трубы. В качестве внешней нагрузки задавалось одновременное, одинаковое для всех башмаков перемещение в радиальном направлении. Поскольку устройство центратора не обладает обратной связью, и усилия во всех гидроцилиндрах в каждый момент времени одинаковы, перемещения опорных башмаков в каждый момент нагружения также устанавливались одинаковыми, что обеспечило синхронность их перемещений в процессе нагружения. Учитывалась симметрия характера нагружения, а также геометрических характеристик конструкции. В процессе нагружения вычислялись реакции в башмаках с учетом неравномерности сил упора между башмаками и перераспределения сил контактных взаимодействий. Решение производилось с учетом геометрической нелинейности в идеализированной упругопластической постановке. В результате решения задачи были получены реакции в башмаках, соответствующие моменту окончания силового зажима, а также напряжения и другие параметры НДС в свариваемой трубе, силовых вкладышах и электродах. Так как в рамках данного этапа НДС в башмаках не имеет значения и незначительно влияет на величины реакций, в целях экономии вычислительных ресурсов башмаки рассматривались как абсолютно твердые тела. Окончание нагружения, как следует из условия равновесия, соответствует моменту, когда сумма нормальных реактивных усилий в башмаках будет равна суммарному усилию в гидроцилиндрах зажима, передающемуся на трубу. Далее специалистами «МЦД» был вычислен поправочный коэффициент, определяющий увеличение или снижение реакции в башмаках по сравнению с реакцией, возникающей при обжатии трубы, не имеющей отклонений от идеальной цилиндрической формы.

Для интегральной оценки параметров НДС свариваемой трубы с целью определения возможности превышения уровня допускаемых напряжений и, как следствие, возникновения необратимых пластических деформаций была получена зависимость максимальных эквивалентных относительных пластических деформаций трубы от радиальных перемещений опорных башмаков.

В целях верификации математической модели и результатов расчета НДС в свариваемой трубе выполнен аналогичный расчет на силовой зажим свариваемой трубы девятью опорными башмаками в полном соответствии с заданным алгоритмом расчета за  тем  исключением,  что  в  рамках  обсуждаемого  дополнительного расчета свариваемая труба рассматривалась как идеально-цилиндрическая, т.е. без эллипсности. На первом этапе для последующего расчета была создана геометрическая трехмерная (3D) модель расчетной области.

Этап II. Для расчета НДС в элементах центратора использовался метод конечных элементов (МКЭ), реализованный в рамках программного комплекса ANSYS Mechanical.

Расчетная модель на данном этапе полностью аналогична модели, использованной в расчете, за исключением изменений в конструктивных элементах центратора и свойствах применяемых материалов, произведенных с учетом результатов расчета, а также  соответствующих  рекомендаций  по  оптимальному  проектированию, а также направленных на снижение общей материалоемкости. Модель учитывала циклическую симметрию задачи и включала в себя секторальной сегмент, составляющий 1/9 от всей подвижной части центратора, Так как допускаемые значения эллипсности трубы составляют менее 1%, при этом размер сегмента также мал, в рамках данной задачи пренебрегалось неравномерностью обжатия трубы опорными башмаками, а поверхность трубы принималась идеально цилиндрической. Такой подход позволяет ограничиться рассмотрением данной задачи в линейной постановке в рамках каждой из стадий нагружения (силовой зажим и осадка), что значительно упрощает расчеты и снижает вычислительную сложность задачи. В качестве внешней нагрузки задавалось усилие в гидроцилиндрах зажима. Решение производилось в линейно-упругой постановке. Результат решения задачи – получены значения НДС в составных частях центратора. Полученные результаты показали соответствие силовому зажиму и осадке цилиндрической трубы, однако в силу справедливости  линейной  зависимости  между  усилиями  и  соответствующими параметрами  отклика  конструкции,  для  учета  дополнительной  нагрузки внутренних деталей центратора, связанной с действительной неравномерностью обжатия свариваемой трубы и соответствующей неравномерностью в распределении реакций по опорным башмакам, чтобы получить максимальные напряжения в центраторе с учетом эллипсности, достаточно умножить полученные напряжения на максимальный коэффициент дополнительной нагрузки деталей центратора, т.е. на максимальный поправочный коэффициент, полученный на первом этапе. Вычисленные таким образом максимальные значения напряжений во внутренних деталях центратора в полной мере соответствуют наиболее неблагоприятному НДС (для башмака с наибольшим реактивным усилием) в центраторе при неравномерном обжатии свариваемой трубы, имеющей эллиптические отклонения от цилиндрической формы.