Uporedna analiza proračuna mašinskih elemenata simuliranjem kombinovanog opterećenja i odvojenim simuliranjem komponentnih opterećenja - studija slučaja

Abstract

Na sadašnjem nivou razvoja tehnologije, u stvarnim radnim uslovima, gotovo svi mašinski elementi su opterećeni kombinovanim opterećenjima. Cilj istraživanja prikazanog u ovom radu je ukazivanje na značaj proračuna nosivosti mašinskih elemenata simuliranjem kombinovanog opterećenja. Istraživanje prikazano u radu inspirisano je jednim stvarnim otkazom turbinskog vratila hidroturbine. Vratilo sa prirubnicom i visokim odnosom prečnika vratila i prirubnice bilo je predmet obimnih proračuna u cilju pronalaženja uzroka otkaza. Klasični analitički proračun ovog vratila koristi Peterson-ov faktor koncentracije napona i proračun maksimalnih napona za pojedine naponske komponente kombinovanog opterećenja, a onda analitičku vrednost ukupnog napona proračunava na osnovu hipoteze o maksimalnom normalnom naponu. Sa druge strane, prikazani proračun naponskog stanja vratila metodom konačnih elemenata bazira se na simuliranju realnih radnih opterećenja u uslovima kombinovanog opterećenja istovremenim definisanjem svih komponenti (savijanja, uvijanja i zatezanja). Oba proračuna urađena su za nekoliko različitih radijusa na prelazu vratila ka prirubnici. Dobijeni rezultati prikazani su uporednim dijagramima dobijenih vrednosti ukupnih napona i odgovarajućih faktora koncentracije napona. Analiza ovih dijagrama vodi do zaključka da proračun ukupnog napona u slučaju kombinovanog i složenog opterećenja na bazi Peterson-ovih faktora koncentracije napona i standardnog analitičkog postupka treba da bude zamenjen naprednim tehnikama proračuna koji obezbeđuju tačnija rešenja koja se istovremeno i jednostavnije analiziraju i koriste.

At a present level of technology, almost all machine parts are subjected to combined loads in real working condition. The aim of research described in this paper is to highlight the importance of combined load simulation for the calculation of machine parts load capacity. This research is inspired by one failure case study of hydro turbine shaft. The shaft with flange and high ratio of shaft/flange diameter is the subject of excessive calculation in order to find the cause of failure. The classic analytical calculation of this shaft uses the Peterson's elastic stress concentration factor and calculates stress concentration factors and maximum stresses for different stress components of combined load and then calculate analytical values of total stress by the hypothesis of maximum normal stress. On the other hand, presented Finite Element Analysis simulates shaft stress state under real conditions of complex load by simultaneously applying all load components (bending, torsion and tension). Both of the calculations are performed for few different radii in shaft-flange sections. The results are presented by comparative diagrams for obtained values of total stresses and stress concentration factors. The analysis of these diagrams leads to conclusion that the use of Peterson's stress concentration factors and standard analytical techniques for total stress calculation has to be replaced with modern calculation techniques that provide a more accurate, easier-to-handle solution.