Теоретичні й експериментальні дослідження металоконструкцій коробчатой форми

Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство освіти і науки України

Одеський національний політехнічний університет

Юсеф Б.А. Абуайаш

УДК 620.172/178:669.017

ОБГРУНТУВАННЯ МЕТОДИКИ РОЗРАХУНКУ ДЕТАЛЕЙ МАШИН КОРОБЧАТОЇ ФОРМИ

Спеціальність 05.02.02 - Машинознавство

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Одеса - 2003

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Одеському національному політехнічному університеті

Науковий керівник:

доктор технічних наук, професор, заслужений діяч науки і техніки України Дащенко Олександр Федорович, Одеський національний політехнічний університет, завідувач кафедри “Динаміка, міцність машин та опір матеріалів”

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Коломієць Леонід Володимирович, директор Одеського Коледжу стандартизації, метрології та сертифікації

кандидат технічних наук, доцент Ніколенко Ілля Вікторович, доцент кафедри експлуатації та ремонту машино-тракторного парку Одеського державного аграрного університету, м.Одеса

Провідна установа:

Національний університет “Львівська політехніка”, м.Львів

Захист відбудеться “17” жовтня 2003р. о 1330 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 41.052.02 в Одеському національному політехнічному університеті, м.Одеса, пр.Шевченка, 1.

З дисертацією можна ознайомитися в науковій бібліотеці Одеського національного політехнічного університету, м.Одеса. пр.Шевченка, 1.

Автореферат розісланий “16” вересня 2003р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради професор Оборський Г.О.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

напруга розподіл металоконструкція зварений

Актуальність теми. Проблема визначення і забезпечення ресурсу конструкцій, у тому числі і зварюваних, має важливе народногосподарське значення. Це обумовлене широким застосуванням таких конструкцій і генеральним напрямком розвитку вітчизняного машинобудування - підвищення конкурентноздатності виробів. У той же час “внесок” втомлених ушкоджень конструкцій складає біля 40% від загального числа їх передчасних відмов. Джерелами руйнації звичайно є дефекти типу тріщин. Ці дефекти можуть з'являтися в процесі формування матеріалу, на стадії виготовлення конструкції і на будь-якій стадії її роботи, особливо при циклічних навантаженнях. Під дією зовнішніх навантажень тріщини вільно розвиваються, доходячи з часом до критичних розмірів, що за певних умов призводить до раптового руйнування конструкції.

Одним з основних чинників, що впливають на працездатність і тривалість зварних з'єднань, є характер розподілу напруг у конструкції.

Характер розподілу напруг залежить від множини чинників, тому при їхньому визначенні за допомогою теоретичних розрахункових методів уводяться деякі спрощення, у результаті чого одержувані дані стають якісними. Для більш достовірного урахування характеру розподілу напруг (залишкових напруг у зонi зварюваних швiв, тимчасових напруг вiд рiзноманiтних навантажень) на працездатність конструкції слід віддавати перевагу використовуванню експериментальних даних.

Методики одержання й аналізу таких даних поки ще залишаються недостатньо розробленими.

Цій проблемі і присвячена дана дисертаційна робота.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота над дисертацією проводилася в тісному зв'язку з науковими дослідженнями, виконуваними на кафедрі “Динаміка, міцність машин і опір матеріалів” Одеського Національного Політехнічного Університету в рамках держбюджетної науково-дослідної роботи №299-25 “Міцність деталей машин, конструкцій і сталевих канатів”.

Ціль і задачі дослідження. Ставилася ціль: визначити характер розподілу напруг у зварних металоконструкціях коробчатого перетину при вигині і спільній дії вигину і крутіння; на основі отриманих даних дати оцінку працездатності конструкції. Для досягнення поставленої цілі було необхідно вирішити такі задачі:

розробити чисельну модель;

досліджувати навантажуванність конструкції розрахунковим і експериментальним методами;

скорегувати чисельну модель з урахуванням отриманих даних;

оцінити характер розподілу напруг.

Метод дослідження. Чисельна модель розроблялася з використанням методу кінцевих елементів. Для визначення характеру розподілу напруг застосовувалося тензометрирування.

Наукова новизна отриманих результатів. За допомогою методу кінцевих елементів розроблена чисельна модель конструкції. Отримано характер розподілу напруг у стінках і полках зварної коробчатої балки при вигині і при спільній дії вигину і крутіння; експериментальні дані добре узгодяться з результатами розрахунку методом кінцевих елементів.

Розроблена чисельна модель може бути використана для дослідження напружено-деформованого стану об'ємних конструкцій оболонного типу як на етапі їхнього проектування, так і з метою перевірки міцностних характеристик існуючих конструкцій при зміні умов і характеру навантаження.

Практичне значення отриманих результатів. Запропоновано методики дослідження навантаженості зразків розрахунковим методом і на стендах.

Розроблені методики і результати досліджень можуть бути використані при проектуванні нових і модернізації існуючих кранових конструкцій, а також для оцінки їхнього стану при технічних експертизах.

Достовірність отриманих у роботі результатів забезпечується застосуванням відомих у літературі положень механіки деформованого твердого тiла, коректністю постановки задач, використанням обгрунтованих методик одержання експериментальних даних і гарною збіжністю останніх із результатами розрахунку чисельної моделі методом кінцевих елементів.

Публікації й особистий внесок здобувача. За матеріалами виконаних досліджень опубліковані 6 робіт. Основні результати отримані автором самостійно. Постановка задач і обговорення результатів проведені разом із науковим керівником.

Апробація роботи. Основні положення й окремі результати дисертації доповідалися на Міжнародній конференції “Оцінка й обгрунтування продовження ресурсу елементів конструкцій” (Київ, 2000 р.), науковій конференції професорско-викладацького складу Одеського Національного Політехнічного Університету (Одеса, 2002 р.).

Структура й обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу, п'ятьох поділів, висновків і списку літератури. Загальний обсяг роботи 166 сторінок машинописного тексту, у тому числі 69 малюнків, 62 таблиці і бібліографічний список 70 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

В введенні обгрунтована актуальність теми дисертації, визначена ціль роботи й основні напрямки її досягнення, показані наукова новизна і практичне значення отриманих результатів.

У першому поділі зроблений огляд літератури за темою дисертації й обгрунтований вибір напрямку дослідження. Дано аналіз сучасного стану проблеми вивчення крихкого руйнування конструкційних матеріалів і їхніх зварних з'єднань. Розглянуто основні положення класичних теорій крихкого руйнування і поширення тріщин.

В другому поділі розглядається вплив залишкових напруг у зварних конструкціях на крихкого руйнування. Виділяються три аспекти впливу залишкових напруг: 1)підсумовування їх із напругами від зовнішніх навантажень і, як слідство, зменшення необхідного для руйнування зовнішнього навантаження; 2)підвищення об'ємності напруженого стану у визначених зонах конструкції через наявність залишкових напруг; 3)вплив на усталеність процесу поширення крихкої тріщини в елементі конструкції в зв'язку з урахуванням складного характеру розподілу залишкових зварювальних напруг у різноманітних перетинах зварних з'єднань. Приводяться методи визначення залишкових напруг у зварних конструкціях для одноосьового і плоского напружених станів.

Дано аналіз зварювальних задач теорії тріщин тендітного руйнування. Зварні з'єднання відрізняються видами швів, товщинами зварюємого матеріалу і його властивостями, габаритами і формами конструктивних елементів, характером і розміром зовнішніх навантажень, полем залишкових зварювальних напруг, а також кількістю, геометрією і місцем розташування можливих значних тріщин. Така розмаїтість зварних з'єднань породжує широкий клас аналізованих задач. Основою досліджень у цій області є лінійна механіка руйнування.

Зварювальні задачі теорії тріщин крихкого руйнування в більшості випадків ставлять у такому виді: для заданого зварного з'єднання з тріщиною або із системою тріщин визначити коефіцієнт інтенсивності напруг або розкриття тріщин і встановити закономірності їхньої зміни при поширенні тріщин у силовому полі зварювальних напруг, а також установити можливість поширення тріщин заданої початкової довжини. Завдання полягає у визначенні параметрів К и д і порівнянні їх із параметрами Кс і до (грузькість руйнування і критичне розкриття тріщини). У деяких випадках можуть бути поставлені й інші задачі, наприклад, пов'язані з визначенням траєкторії прямування тріщини, її швидкості, можливості розгалуження, встановленням усталеності процесу поширення тріщини.

Випадки руйнування конструкцій або їхніх окремих елементів у силовому полі тільки зварювальних напруг без впливу зовнішніх навантажень нетипові, хоча зустрічаються достатньо часто. Велике значення мають задачі по визначенню коефіцієнтів інтенсивності напруг для крихких тріщин у зварних елементах конструкцій при спільній дії зовнішніх навантажень і залишкових напруг. Під дією зовнішніх навантажень у загальному випадку відбувається визначена релаксація поля залишкових зварювальних напруг у конструкції, тому сумарний коефіцієнт інтенсивності напруг необхідно визначати як суму таких коефіцієнтів від зовнішніх навантажень і від частково прорелаксованих залишкових напруг. У літературі є багато вирішених задач по визначенню коефіцієнтів інтенсивності напруг в елементах конструкцій при дії різноманітних зовнішніх навантажень. Питання про закономірності зміни поля залишкових напруг при дії зовнішніх навантажень поки ще мало вивчені.

Аналіз рішень класичних задач теорії тріщин для різноманітних зовнішніх навантажень показує, що просто вони можуть бути вирішені тільки для випадків, коли можливе використання моделі безкінечної площини. Це ставиться і до аналогічних зварювальних задач. Проте на практику часто виникає необхідність рішення цих задач для пластин (зварювальних з'єднань) обмежених розмірів. Тріщини в пластинах кінцевих розмірів подають величезний практичний інтерес, але для таких випадків не існує замкнутих форм точних рішень; ці задачі складні через граничні умови.

При рішенні задач для зварювальних з'єднань обмежених розмірів із тріщинами, порівнянними по длині з розмірами з'єднань, проблема урахування поправок для К в зв'язку з наявністю меж з'єднання поблизу тріщини часто може істотно спотворювати не тільки кількісну, але і якісну сторону результату. Не менший інтерес подає можливість поширення щодо малих тріщин, тому що потенційними осередками крихкого руйнування в зварювальних з'єднаннях є порівняно невеличкі по длині тріщиноподібні дефекти, обумовлені зварюванням.

У світлі вищевикладеного рекомендується доцільним використання для аналізу напружено-деформованого стана зварювальних конструкцій чисельних методів і, у першу чергу, методу кінцевих елементів.

У третьому поділі викладені основні положення методу кінцевих елементів.

Основні етапи при реалізації методу:

Розбивка заданої області на кінцеві елементи (дискретизація області). Нумерація вузлів.

Побудова матриць жорсткості для всіх елементів.

Перетворення зовнішніх навантажень до вузлових зосереджених сил.

Перехід до загальної системи координат, урахування умов закріплення, формування і рішення системи рівнянь.

Визначення напруг і деформацій у кінцевих елементах.

Особо підкреслюється важливість першого етапу - дискретизація області. Неправильне або недосконале розбиття неминуче призведе до помилкових результатів.

Дискретизація області складається в завданні числа, розмірів і форми кінцевих елементів. При цьому з одного боку, елементи повинні бути обрані достатньо малими, що збільшить точність одержуваних результатів, а з іншого боку, невиправдане зменшення розмірів (а, виходить, і числа) елементів веде до збільшення обчислювальної роботи.

Найбільше поширені типи елементів, використовуваних при розбивці, приведені в табл.1.

Таблиця 1

Форма елемента	Область застосування	Число ступенів свободи
	стрижні, ферми	2
	балки, рами, стрижні	6
	плоска задача	6
	плоска задача	12
	плоска задача	8
	вигин плит	9
	вигин плит, оболонок	12
	об'ємна задача	12
	плоска задача	6

Показано побудову матриці жорсткості і матриці напруг для плоского кінцевого елемента.

У четвертому поділі викладається методика міцностного розрахунку коробчатих зварюваних конструкцій методом кінцевих елементів.

Для проведення розрахункової оцінки навантаженості коробчатих зварюваних конструкцій необхідно створити математичну модель, що достатньо вірогідно буде описувати не тільки геометричну форму, але і поводження даної конструкції при різноманітних видах навантаження зовнішніми силовими чинниками.

Для створення математичної моделі оптимальним є метод кінцевих елементів, що може бути реалізований різноманітними системами на ПЕОМ. Ці системи ("Ліра", "Парсек", …) призначені для автоматизації розрахунків статистично навантажених багатоелементних просторових конструкцій.

Алгоритм розрахунку методом кінцевих елементів містить у собі такі операції:

опис конструкції за допомогою кінцевих елементів (підготування інваріантної частини);

вибір основних невідомих;

визначення вузлових зусиль;

побудова основної системи рівнянь.

Перед підготуванням інваріантної частини вибираємо форму і тип кінцевих елементів у залежності від геометричних характеристик і функціонального призначення тих або інших складових частин конструкції, що вони описують. Для опису елементів конструкції, виготовлених з аркушевої або смугової сталі, застосовуємо кінцеві елементи у виді плоского трикутника або чотирьохкутника. Монолітні елементи: бруски, шпонки, сварні шви й інше описуємо кінцевим елементом, що має форму опуклого шостиграника. Деталі кріплення зварюваної конструкції до фундаментів або базових поверхонь, що дозволяють їй переміщатися під впливом зовнішніх зусиль (подушки, пружини й ін.), описуємо пружним кінцевим елементом.

При підготуванні інваріантної частини розрахунку передбачаємо використання властивостей симетрії конструкції, що дозволяють розробляти безпосередньо один повторюваний елемент, що, відображаючись у площині симетрії, дає цілісне уявлення про усю розраховуєму конструкцію. У алгоритмі розрахунку ідея використання властивостей симетрії зводиться до того, що системи основних рівнянь перетворяться до квазідиагонального виду і вирішувати їх можна як незалежні. Механічна інтепретація такого приведення основних рівнянь полягає в розчленовуванні вихідного об'єкта на незалежні підсистеми менших розмірів, що можуть відрізнятися друг від друга засобами закріплення і навантаженнями. Кожній підсистемі відповідає система рівнянь (елементарна підсистема). Елементарні підсистеми конструкції послідовно нумеруються, починаючи з нуля.

У якості невідомих у розрахунковій схемі приймаються узагальнені вузлові переміщення, а також розміри нормальних і дотичних напруг у вузлах і центрі ваги кожного кінцевого елемента.

При виборі координатних функцій необхідно оптимальною уявою зорієнтувати початок і напрямки осей місцевої системи координат із початком і напрямками осей декартовой системи.

Вузлові зусилля еквівалентні всім силовим чинникам (зосереджені сили, згинальні і крутні моменти, расподілене навантаження), що викликають напружно-деформований стан кінцевого елемента. Достовірність визначення вузлових зусиль залежить від точності оцінки розмірів зовнішніх силових чинників і визначення координат точок їхнього додатка, а також точок і умов закріплення конструкції.

Побудова основної системи рівнянь, при рішенні якої визначаються вихідні параметри крайової задачі, здійснюється шляхом використання принципу можливих переміщень.

Дано вхідну і вихідну інформацію для кінцевих елементів різноманітної форми.

Вихідна інформація про кінцевий елемент складається з коду елемента і його жорсткістних характеристик.

Код елемента містить:

тип елемента;

номера напрямків;

посилання на масив розмірів;

номер вузла.

Масив розмірів містить у рядку, номер якого зазначений у графі "посилання на масив розмірів", розмір C - жорсткість елемента.

Інформація про вплив типу "Д", прикладеного до елемента, записується в масив кодів позавузлових навантажень, що містить:

тип навантаження;

номер елементарного осередку;

номер елемента;

посилання на масив розмірів.

У масиві розмірів навантажень записується одне число, що дорівнює розміру дислокації.

Діагностичні повідомлення про кінцевий елемент пов'язані з помилками у вихідній інформації про елемент або навантажень на елемент. Діагностичні повідомлення з'являються також при різноманітних нестандартних ситуаціях.

Уявлення вихідних даних про елемент здійснюється у виді повідомлення, що містить

номер елемента;

тип елемента з номером напрямку;

номер вузла торкання;

значення жорсткості C.

У якості результатів розрахунку выдається на прінтер значення зусилля в елементі ("N"), позитивний знак якого виходить, якщо вузол торкання елемента має позитивне переміщення по напрямку i. У випадку якщо зусилля в елементі дорівнює нулю, весь рядок, що містить це зусилля, не друкується.

Дослідження чисельної моделі проводилося з застосуванням методу кінцевих елементів.

Підготування даних до дослідження чисельної моделі містило в собі такі операції:

визначення типу симетрії;

опис конструкції за допомогою кінцевих елементів, розробка чисельної моделі;

вибір координатних функцій;

визначення вузлових зусиль і переміщень, еквівалентних усім чинникам, що викликають напружно-деформований стан кінцевого елемента;

кодировку кінцевих елементів;

опис розмірів, що визначають фізико-механічні властивості елементів.

При визначенні типу симетрії враховувалися конструктивні особливості досліджуваного об'єкта. Краща для нашого випадку дзеркальна симетрія, при якій розробляється тільки один повторюваний елемент - нульовий елементарний осередок, другий елемент - перший елементарний осередок - описується автоматично і результати розрахунків рекомендуються для всієї суцільної конструкції, що розраховується.

Застосований для опису полиць і стінок чисельної моделі чотирикутний плоский елемент призначений для апроксимації тонких оболонок.

Для завдання координат вузлів і навантажень моделі були приміщені в праву декартовую систему координат x1, x2, x3. Початок координат розташовуємо в площині симетрії, до якої нормальна вісь x1, вісь x2 належить нижній полки і спрямована уздовж основної подовжньої осі моделі, вісь x3 лежить у площині симетрії і спрямована вертикально нагору.

У якості розмірів, що визначають фізико-механічні властивості елементів, задаємо:

модуль пругкості сталі E = 204000 Мпа;

коефіцієнт Пуассона = 0.3;

товщини сталевого листа 4 і 6 мм.

У основу розроблювальної чисельної моделі при іспиті макета за схемою двухопорної балки призначена:

Закріплення чисельної моделі відповідає закріпленню макета на стенді (мал.3). Опорні вузли - 1, 2, 3 і 4. Закріплення вузлів забороняє переміщення уздовж всіх осей, моменти дозволені тільки щодо осі x1.

Навантаження прикладене до вузлів 6 і 7, уздовж осі x3 у напрямку, протилежному позитивному.

Нумерація вузлів довільна.

Нумерація елементів - також довільна, номера укладені в трикутний символ.

Дані для запровадження в комп'ютер:

Симетрія дзеркальна.

Координати вузлів (мм):

№ вузла	x1	x2	x3	№ вузла	x1	x2	x3
1	0	0	0	13	110	250	210
2	0	1300	0	14	110	650	210
3	110	1300	0	15	110	250	140
4	110	0	0	16	110	650	140
5	0	0	280	17	110	250	70
6	0	650	280	18	110	650	70
7	110	650	280	19	110	650	0
8	110	0	280	20	110	1050	280
9	0	1300	280	21	110	1050	210
10	110	1300	280	22	110	1050	140
11	110	250	280	23	110	1050	70
12	110	250	0	24	110	1050	0

Примітка: вузли №№13, 14, 15, 16, 17, 18, 21, 22, 23 розташовані в точках наліпки тензоперетворювачей на макетах №№4, 7, 5, 8, 6, 9, 10, 11, 12 відповідно.

Закріплення вузлів 1, 2, 3 і 4.

Вузли в площині симетрії: 1, 2, 5, 6 і 9.

Коди елементів:

№ елемента	№ вузла	№ вузла	№ вузла	№ вузла
1	1	2	4	3
2	5	6	8	7
3	6	9	7	10
4	8	11	4	12
5	11	7	13	14
6	13	14	15	16
7	15	16	17	18
8	17	18	12	19
9	7	20	14	21
10	14	21	16	22
11	16	22	18	23
12	18	23	19	24
13	20	10	24	3

Примітка: елементи кодируються одноманітно визначеною уявою, у даному випадку: верхній ряд зліва праворуч, потім по діагоналі, нижній ряд зліва праворуч.

3

1, 3 , 2, 4

4

Розміри елементів:

модуль пружності сталі E = 204000 МПа;

коефіцієнт Пуассона = 0.3;

товщина сталевого листа 4мм - для макета №6, 6мм - для макета №7.

У основу розроблювальної чисельної моделі при іспиті макета за схемою консольного нагруження призначено:

схема навантаження балки (мал.4);

схема наліпки тензоперетворювачей на бічних стінках макета секції телескопічної стріли (мал.5);

кожному тензоперетворювачу макета відповідає визначений вузол чисельної моделі;

кожний кінцевий елемент обов'язково повинний мати чотирьох вузлів.

Закріплення чисельної моделі секції відповідає закріпленню макета на стенді (мал.6). Опорні вузли 1, 11, 12, 13, 21 і 22. Закріплення вузлів забороняє переміщення уздовж всіх осей, моменти дозволені тільки щодо осі x1.

Дані для запровадження в комп'ютер:

Симетрія дзеркальна.

Координати вузлів:

№ вузла	x1	x2	x3	№ вузла	x1	x2	x3
1	0	0	280	16	110	950	0
2	0	600	280	17	110	1000	0
3	0	1250	280	18	110	1050	0
4	110	1250	280	19	110	1250	0
5	110	1050	280	20	0	1250	0
6	110	1000	280	21	0	600	0
7	110	950	280	22	0	0	0
8	110	900	280	23	110	850	255
9	110	850	280	24	110	900	255
10	110	600	280	25	110	950	255
11	110	0	280	26	110	1000	255
12	110	0	0	27	110	1050	255
13	110	600	0	28	110	900	220
14	110	850	0	29	110	950	220
15	110	900	0	30	110	1000	220

Закріплення вузлів 1, 11, 12, 13, 21 і 22.

Вузли в площині симетрії: 1, 2, 3, 20, 21 і 22.

Коди елементів:

№ елемента	№ вузла	№ вузла	№ вузла	№ вузла
1	1	2	11	10
2	2	3	11	4
3	22	21	12	13
4	21	20	13	19
5	11	10	12	13
6	10	4	13	19
7	9	8	23	24
8	8	7	24	25
9	7	6	25	26
10	6	5	26	27
11	24	25	28	29
12	25	26	29	30
13	23	24	14	15
14	28	29	15	16
15	29	30	16	17
16	26	27	17	18
17	5	4	18	19

Примітка: елементи кодируються визначеною уявою, у нашому випадку вибрано порядок: верхній ряд зліва праворуч, потім по діагоналі, нижній ряд зліва праворуч.

4 6

4, 6, 5, 7

5 7

Розміри елементів:

модуль пружності сталі E = 204000 МПа;

коефіцієнт Пуассона = 0.3;

товщина сталевого листа = 4 мм.

Після запровадження в машину всієї необхідної інформації робимо запуск програми при нульовому значенні навантаження.

Якщо при розробці й описі чисельної моделі були допущені помилки: не замкнутий контур чотирикутника, не проставлений номер вузла, невірно закодирован елемент, помилкові координати вузлів і ін., програма працювати не буде і, як правило, зазначить на помилку (діагностика).

Якщо в процесі розробки чисельної моделі не було допущено помилок або вони усунуті, програма спрацює і видає в якості результатів нульові значення зусиль, напруг і переміщень.

Ввівши відповідні значення навантажень у відповідні вузли і запустивши програму, одержуємо для кожного вузла й елемента значення переміщень і напруг: нормальних, дотичних і еквівалентних.

Цікавлячих нас розмірів для визначених вузлів і елементів заносимо в таблицю з екрана монітора. При необхідності можна всі результати і вихідні дані вивести на прінтер.

П'ятий поділ присвячений експериментальним дослідженням моделей коробчатих конструкцiй. Викладено робочу методику дослідження металоконструкцій, складену відповідно до вимог РД 50-360-82, що передбачає порядок підготування і проведення іспитів. Описано стендове устаткування для проведення тензодосліджень навантаженості зразків зварюваних металоконструкцій.

Приведено докладні результати експериментальних досліджень. При опрацюванні результатів тензометричних досліджень розміри напруг визначалися як твір коефіцієнтів перетворення тензоканалів, отриманих при їхній тарировці, і показань тензоперетворювачів, отриманих при іспитах моделей. Отримані розміри напруг занесені в таблиці, кожна з яких відповідає конкретної моделі, її положенню в просторі і виду іспитів.

У процесі аналізу результатів дані, приведені в таблицях, можуть бути подані у виді графіків залежності розмірів напруг у конкретних перетинах від розмірів навантажень, утворюваних при іспитах.

Графіки дають наочне уявлення про розподіл напруг у різноманітних перетинах моделі і дозволяють шляхом порівняння подібний кривих оцінити достовірність результатів іспитів у цілому. Крім того, графіки дають можливість оцінити, при яких розмірах навантажень в елементах моделей мають місце пружні деформації, при яких залишкові.

Графіки зміни напруг , що виникають у стінці від навантажень Р при іспиті зразка 6 на вигин(перетин В-В)	Графіки зміни напруг , що виникають у стінці від навантажень Р при іспиті зразка 7 на вигин(перетин В-В)
Графіки зміни напруг , що виникають у протилежних стінках від навантаження Р при іспиті зразка №6 на вигин (перетин В-В)	Графіки зміни напруг , що виникають у різноманітних перетинах стінок моделі від навантажень Р при іспиті зразка №10 на вигин
Графіки зміни напруг , що виникають у стінці від навантажень Р при іспиті зразка №6 на вигин у прямому і перевернутому положенні (перетин А-А)	Графіки зміни напруг , що виникають у стінках від навантажень Р при іспиті зразків №6 і №7 на вигин (перетин В-В)

Приведено результати іспитів зразків №5, №6, №7, №8, №9, №10 на руйнацію зварюваних швів:

Модель №5 (виготовлена з прокату товщиною 6 мм):

Зварюваний шов типу Т3 при навантаженні 300 кН (30 т) відрив полки по краю. Руйнації в зоні навантаження не відбулося.

Зварюваний шов типу Т3 при навантаженні 305 кН (30,5 т) відрив полки по краю. Руйнації в зоні навантаження не відбулося.

Модель №6 (виготовлена з прокату товщиною 4 мм):

Зварюваний шов типу Т3 при навантаженні 225 кН (22,5 т) руйнація в зоні навантаження по металі бічної стінки в околошовній зоні.

Зварюваний шов типу Т3 при навантаженні 232 кН (23,2 т) відрив полки по краю. Руйнації в зоні навантаження не відбулося.

Модель №7 (виготовлена з прокату товщиною 6 мм):

Зварюваний шов типу Т3 при навантаженні 265 кН (26,5 т) відрив полки по краю по шві Т6. Руйнації в зоні навантаження не відбулося.

Зварюваний шов типу Т6 при навантаженні 206 кН (20,6 т) руйнація в зоні навантаження по шві з розшаруванням металу полки.

Модель №8 (виготовлена з прокату товщиною 4 мм):

Зварюваний шов типу Т6 при навантаженні 100 кН (10 т) руйнація в зоні навантаження по металі полки в околошовній зоні.

Зварюваний шов типу Т3 при навантаженні 163 кН (16,3 т) відрив полки по краю по шві Т6, вигин усього зразка, деформація полки в зоні навантаження, руйнації зварюваного шва не відбулося.

Модель №9 (виготовлена з прокату товщиною 6 мм):

Зварюваний шов типу Т1 при навантаженні 105 кН (10,5 т) відрив полки по краю непровару. Руйнації в зоні навантаження не відбулося.

Зварюваний шов типу Т1 при навантаженні 120 кН (12 т) руйнація в зоні навантаження, відрив металу шва від металу полки (непровар).

Модель №10 (виготовлена з прокату товщиною 4 мм):

Зварюваний шов типу Т1 при навантаженні 85 кН (8,5 т) руйнація в зоні навантаження по металу полки в околошовній зоні.

Зварюваний шов типу Т1 при навантаженні 78 кН (7,8 т) руйнація в зоні навантаження, відрив шва від металу полки (непровар).

Для більшої наочності при порівнянні взаємозалежних розмірів, що змінюються, побудовані також графіки зміни напруг, що виникають у стінках макета при іспиті на вигин за схемою двухопорної балки і отриманих розрахунковим методом при відповідному навантаженні.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ І ВИСНОВКИ

напруга розподіл металоконструкція зварений

Чисельна модель, побудована з застосуванням кінцевих елементів, може бути використана для дослідження напружно-деформованого стану об`ємних конструкцій оболонного типу, як на етапі проектування, так і з метою перевірки міцностних характеристик існуючих конструкцій при зміні умов і характеру їхнього навантаження.

Четирикутний плоский кінцевий елемент є достатньо надійним інструментом дослідження напружно-деформованого стану конструкцій як у випадку простого виду навантаження, так і у випадку складного.

Запропонована методика експериментальних досліджень дозволяє установити вплив зварюваних швів типів Т3 і Т6 на усталеність бічних стінок і міцність конструкцій коробчатого типу.

При дії згинального моменту результати розрахунку чисельної моделі практично збігаються з результатами експерименту (розбіжність складає в середньому 1,6%).

При спільній дії згинального і крутного моментів результати чисельного розрахунку й експериментальні дані також близькі (розбіжність складає в середньому 4,3%).

Hезначну відмінність розр убік збільшення щодо екс може бути пояснено наявністю неврахованих конструктивних і технологічних особливостей і хиб (наприклад, наявність зварювальних швів, наявність тріщин у прокаті, нерівномірність товщини сталевого листа, неперпендикулярність зварюваних елементів).

Ці й інші можливі хиби можна ліквідувати або збільшенням кількості кінцевих елементів за рахунок зменшення їхніх геометричних елементів, або розробкою і побудовою більш складної чисельної моделі, що враховує більшість особливостей конструкції і технології, або уведенням відповідних коригувальних коефіцієнтів.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ РОБІТ ЗДОБУВАЧА ПО ТЕМІ ДИСЕРТАЦІЇ

Панкратов Н.М., Юсеф Абу Айаш. Несуча спроможність зварюваних металоконструкцій коробчатого перетину // Холодильна техніка і технологія. - 2000. - Вип. 69. - С. 95-97.

Панкратов Н.М., Юсеф Абу Айаш. Оцінка міцності зварюваних металоконструкцій замкнутого профілю на стадії проектування // Праці Одеського політехнічного університету. 2000. - Вип. 3(12). - С. 33-35.

Дащенко А.Ф., Панкратов Н.М., Юсеф Абу Айаш. Критерії граничного стану секцій стріл кранів // Праці Міжнародної конференції “Оцінка й обгрунтування продовження ресурсів елементів конструкцій”. Київ, 2000. - С. 71-73.

Кравчук В.С., Юсеф Абу Айаш, Кравчук А.В. Опір деформуванню і руйнації поверхнево-зміцнених деталей машин і елементів конструкцій // Монографія. - Одеса: Астропринт, 2000. - 160 с.

Панкратов Н.М., Юсеф Абу Айаш. Розподіл напруг у зварюваних металоконструкціях // Праці Одеського політехнічного університету. 2001. - Вип. 1(13). - С. 19-21.

Юсеф Абу Айаш. Чисельна модель для оцінки напружено-деформованого стана типової металоконструкції // Вісник Одеської державної академії будівництва й архітектури. - 2001. - Вип. 3. - С. 96-101.

АННОТАЦИИ

Юсеф Абу Айаш. Теоретические и экспериментальные исследования конструкций коробчатой формы. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.02.02. - машиноведение - Одесский национальный политехнический университет, Одесса, 2003.

Диссертация посвящена разработке теоретико-экспериментальной методики получения и анализа данных о распределении напряжений в сварных металлоконструкциях коробчатой формы. Остаточные сварочные напряжения являются одним из основных факторов, влияющих на работоспособность и долговременность сварных соединений. Характер распределения остаточных сварочных напряжений зависит от множества факторов, поэтому при их определении с помощью теоретических расчетных методов вводятся некоторые упрощения, в результате чего получаемые данные становятся качественными. Для более достоверного учета влияния остаточных сварочных напряжений на работоспособность конструкции предпочтительнее использовать экспериментальные данные.

Изложена рабочая методика исследования металлоконструкций, составленная в соответствии с требованиями РД 50-360-82, предусматривающая порядок подготовки и проведения испытаний. Описано стендовое оборудования для проведения тензоисследований нагруженности образцов сварных металлоконструкций.

При помощи метода конечных элементов разработана численная модель конструкции, которая может быть использована для исследования напряжённо-деформированного состояния объёмных конструкций оболочечного типа, как на этапе проектирования, так и с целью проверки прочностных характеристик существующих конструкций при изменении условий и характера их нагружения.

Приведены подробные результаты экспериментальных исследований. При обработке результатов тензометрических исследований величины напряжений определялись как произведение коэффициентов преобразования тензоканалов, полученных при их тарировке, и показаний тензопреобразователей, полученных при испытаниях моделей. Полученные величины напряжений занесены в таблицы, каждая из которых соответствует конкретной модели, её положению в пространстве и виду испытаний.

В процессе анализа результатов данные, приведенные в таблицах, представлены в виде графиков зависимости величин напряжений в конкретных сечениях от величин нагрузок, создаваемых при испытаниях.

Графики дают наглядное представление о распределении напряжений в различных сечениях модели и позволяют путём сравнения подобных кривых оценить достоверность результатов испытаний в целом. Кроме того, графики дают возможность оценить, при каких величинах нагрузок в элементах моделей имеют место упругие деформации, при каких остаточные.

Для большей наглядности при сравнении взаимозависимых изменяющихся величин построены также графики изменения напряжений , возникающих в стенках макета секции телескопической стрелы при испытании на изгиб по схеме двухопорной балки экс и полученных при соответственном нагружении её численной модели расч.

При действии изгибающего момента результаты расчета численной модели практически совпадают с результатами эксперимента - расхождение составляет в среднем 1,6%. При совместном действии изгибающего и скручивающего моментов результаты численного расчета и экспериментальные данные также близки - расхождение составляет в среднем 4,3%.

Ключевые слова: трещины, хрупкое разрушение, метод конечных элементов, сварочные напряжения, численная модель, тензометрирование, эксперимент.

Юсеф Абу Айаш. Теоретичні й експериментальні дослідження металоконструкцій коробчатой форми. - Рукопис.

Дисертація на здобуття ученого ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.02.02 - машинознавство. - Одеський національний політехнічний університет, Одеса, 2003.

Дисертація присвячена розробці теоретико-експериментальної методики одержання й аналізу даних про розподіл напруг у зварених металоконструкціях коробчатой форми. Для більш достовірного обліку впливу характеру розподілу напруг на працездатність конструкції переважніше використовувати експериментальні дані.

Викладено робочу методику дослідження металоконструкцій, що складено відповідно до вимог РД 50-360-82, що передбачає порядок підготовки і проведення іспитів. За допомогою методу кінцевих елементів розроблена чисельна модель конструкції. Приведено докладні результати експериментальних досліджень. Отримані величини напруг занесені в таблиці, кожна з який відповідає конкретної моделі, її положенню в просторі і виду іспитів.

У процесі аналізу результатів дані, приведені в таблицях, представлені у виді графіків залежності величин напруг у конкретних перетинах від величин навантажень, створюваних при іспитах.

Графіки дають наочне уявлення про розподіл напруг у різних перетинах моделі і дозволяють шляхом порівняння подібних кривих оцінити вірогідність результатів іспитів у цілому. Крім того, графіки дають можливість оцінити, при яких величинах навантажень в елементах моделей мають місце пружні деформації, при яких залишкові.

Для більшої наочності при порівнянні взаємозалежних величин, що змінюються, побудовані також графіки зміни напруг , що виникають у стінках макета секції телескопічної стріли при іспиті на вигин за схемою двухопорной балки екс і отриманих при відповідному навантаженні її чисельної моделі роз.

Ключові слова: тріщини, тендітне руйнування, метод кінцевих елементів, зварювальні напруги, чисельна модель, тензометрірування, експеримент.

Yousef Abu Ayyash. Theoretical and experimental research on box-shaped constructions. - Manuscript.

The dissertation seeking a scientific degree of the candidate of technical science in speciality 05.02.02 - Engineering science. - Odessa national polytechnic university, Odessa, 2003.

The dissertation is devoted to development of the experimental-theoretical methods of obtaining and analysis of data about stress distribution in welded metal box-shaped constructions. It is preferable to use experimental data for more reliable considering of residual welding stresses influence on working-capacity of the construction.

The working methods of research on metal constructions, meeting the requirements WD 50-360-82, providing for order of preparation and carrying out testing are stated. By means of the finite elements method the numerical model of the construction is developed. Detailed results of the experimental research are adduced. Obtained stress values are tabulated according to a particular model, its attitude and a type of testing.

In analysing the results, the data adduced in the tables are represented as graphs of dependence of stress values in particular sections on load values produced while testing.

The graphs give pictorial presentation of stress distribution in various sections of the model and allow evaluating the reliability of testing results overall by comparing similar curves. Moreover, the graphs enable to evaluate under which load values there is resilience and residual deformation in the model elements.

In comparing the interdependent values, the graphs of changing the stresses arising in walls of the telescopic gibbet section prototype at the bending test by the double-seat girder scheme exp and obtaining at the corresponding loading its numerical model calc are constructed for more visualisation.

Key words: cracks, brittle fracture, finite elements method, welding stresses, numerical model, strain measurement, experiment.

Размещено на Allbest.ru

...