Размещено на http://www.allbest.ru/

ПРИДНІПРОВСЬКА ДЕРЖАВНА АКАДЕМІЯ

БУДІВНИЦТВА та АРХІТЕКТУРИ

УДК 624.014.2:620.17

МІЦНІСТЬ І ВИТРИВАЛІСТЬ

ЕЛЕМЕНТІВ СТАЛЕВИХ КОНСТРУКЦІЙ,

ЩО ЗГИНАЮТЬСЯ, ПРИ ЦИКЛІЧНИХ НАВАНТАЖЕННЯХ

05.23.01 - будівельні конструкції, будівлі та споруди

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Псюк Віктор Васильович

Дніпропетровськ - 2003

АНОТАЦІЯ

Псюк В.В. Міцність і витривалість елементів сталевих конструкцій, що згинаються, при циклічних навантаженнях. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук зі спеціальності 05.23.01 - будівельні конструкції, будівлі та споруди. Придніпровська державна академія будівництва та архітектури, Дніпропетровськ, 2003.

Дисертація присвячена питанням оцінки міцності і витривалості елементів сталевих конструкцій, що згинаються, на основі повних діаграм деформування малогабаритних зразків. Отримано деформаційні криві утоми на малогабаритних сталевих зразках. Виконано розвиток методики А.В. Геммерлінга для розрахунку міцності елементів, що згинаються, в умовах циклічного навантаження на основі визначення величини пружного ядра з використанням деформаційних кривих утоми, отриманих на малогабаритних зразках. Запропоновано спосіб визначення розрахункового опору витривалості на основі повних діаграм деформування і енергопоглинання матеріалу при різній кількості циклів навантаження, який практично не потребує обмеження для всіх груп елементів і не допускає перенапружень при розрахунку витривалості конструкцій і з'єднань. За допомогою методу математичного моделювання визначено ступень впливу зменшення деформаційного ресурсу на величину пружного ядра перерізу елементів, що згинаються, і обмеження перерозподілу зусиль у статично невизначених конструкціях.

Ключові слова: діаграма деформування, зразок, міцність, витривалість, циклічне навантаження, двотаврова балка, сталеві конструкції, елементи, що згинаються.

Аннотация

Псюк В.В. Прочность и выносливость изгибаемых элементов стальных конструкций при циклических нагрузках. - Рукопись.

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук по специальности 05.23.01 - строительные конструкции, здания и сооружения. Приднепровская государственная академия строительства и архитектуры, Днепропетровск, 2003.

Диссертация посвящена вопросам расчёта прочности и выносливости изгибаемых элементов стальных конструкций на основе полных диаграмм деформирования малогабаритных образцов.

Проанализированы работы по оценке влияния циклического нагружения на характер изменения параметров диаграмм деформирования конструкционных сталей, методы оценки прочности и выносливости стальных конструкций. Рассмотрена целесообразность определения напряжённо-деформированного состояния и выносливости стальных конструкций при циклических нагружениях на основе полных диаграмм деформирования малогабаритных образцов.

Приведены результаты испытания малогабаритных стальных образцов в состоянии поставки и с предварительным циклическим нагружением в виде полных диаграмм деформирования сталей Ст3, 09Г2С и Д32 с выработкой деформационного ресурса в результате циклической наработки.

Закономерности изменения предельных деформаций от количества циклов нагружения представлены деформационными кривыми усталости и использованы для построения методики расчёта прочности и выносливости элементов стальных конструкций при циклическом нагружении.

Приведены результаты математического эксперимента по расчёту прочности изгибаемых элементов при циклических нагрузках в физически нелинейной постановке с использованием вычислительного комплекса “Мираж”. Ограничение величины предельных деформаций выполнено на основе деформационных кривых усталости, что позволило моделировать работу конструкций с предварительным циклическим нагружением. Результаты математического моделирования показали, что при расчёте статически определимых балок выработка деформационного ресурса с количеством циклов нагружений не приводит к снижению величины несущей способности. Для статически неопределимых балок наблюдалось снижение предельных прогибов и соответствующих максимальных усилий лишь при практически полной выработке деформационного ресурса.

Приведены результаты экспериментальных исследований прокатных двутавровых балок в условиях циклического нагружения. Установлено, что балки в исходном состоянии и с предварительным циклическим нагружением при амплитуде максимальных напряжений выше предела упругости и ниже предела текучести после циклов, имели одинаковую несущую способность. Получено снижение предельных прогибов на 20% для балок с предварительным циклическим нагружением в сравнении с балками в исходном состоянии.

Изложены методика расчёта на выносливость и прочность изгибаемых элементов при циклических нагрузках на основе диаграмм деформирования, полученных при испытании малогабаритных образцов.

Предложенный метод определения максимального напряжения при расчёте на выносливость выполнен с использованием диаграмм деформирования и коэффициента энергопоглощаемости материала, характеризующего отношение удельной работы пластической деформации к соответствующей энергии упругих деформаций в момент достижения предела прочности и выраженного через деформационные кривые усталости. Расчётные сопротивления выносливости, определяемые по предлагаемой методике, не требуют ограничения для основных групп элементов и не допускают перенапряжений при расчёте выносливости конструкций и соединений. Представлен сравнительный анализ значений предела выносливости по действующим нормам и предлагаемой методике для различных коэффициентов асимметрии цикла напряжений.

В разделе приведен расчёт прочности изгибаемых элементов при циклическом нагружении с учётом пластических деформаций на основе развития расчётной методики А.В. Геммерлинга. Учёт влияния циклического нагружения на прочность изгибаемых элементов выполнен с помощью изменения относительной высоты упругого ядра сечения , определяемой по деформационным кривым усталости малогабаритных образцов в зависимости от количества циклов нагружения.

В разделе приведена методика расчёта прочности неразрезных и защемлённых изгибаемых элементов при циклическом нагружении с использованием параметра ограниченной пластичности , с учётом перераспределения опорных и пролётных моментов, в зависимости от выработки деформационного ресурса. Величины снижения перераспределения усилий при циклическом нагружении статически неопределимых конструкций определены на основе деформационных кривых усталости малогабаритных образцов.

Ключевые слова: диаграмма деформирования, образец, прочность, выносливость, циклическое нагружение, двутавровая балка, стальные конструкции, изгибаемые элементы.

summary

Psyuk V.V. Strength and fatigue life of curved steelworks under cyclical loadings. - Manuscript.

Thesis on competition of a scientific degree of the candidate of engineering sciences on the speciality 05.23.01 - building constructions, buildings and structures. Pridneprovsk State Academy of Civil Engineering and Architecture, Dnepropetrovsk, 2003.

The dissertation is devoted to creation of methods of estimation of fatigue life and strength of steelworks on the basis of full diagrams of small-sized steel patterns deformation. The deformation curves of fatigue on small-sized steel patterns are obtained. A.V. Hemmerling's method for calculation of a strength of creased elements in conditions of cyclical loading on the basis of determination of magnitude of elastic core by the deformation curves of fatigue, obtained on small-sized steel patterns, is developed. A method for definition of the quantity of cycles before destruction and fatigue life calculated resistance on a basis of full diagrams of deformation and energy-absorbing ability of material at a different amount of cycles of loading which almost doesn't require all groups of elements limitation through all the range of variations of a coefficient of skewness of a cycle of stress is suggested. With the help of the method of mathematical modeling the influence of decrease of deformation resource on the magnitude of elastic core of section of incurvated elements and limitation of reallocating forces in statically non-defined constructions is defined.

Keywords: the diagram of deformation, pattern, strength, fatigue life, cyclic loading, I-beam, steelworks, curved elements.

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Донбаському гірничо-металургійному інституті Міністерства освіти і науки України, м. Алчевськ.

Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент Давиденко Олександр Іванович, Донбаський гірничо-металургійний інститут, завідувач кафедри "Архітектура і будівельні конструкції".

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Маневич Аркадій Ісаакович, Дніпропетровський національний університет (м. Дніпропетровськ), професор кафедри обчислювальної механіки та міцності конструкцій;

кандидат технічних наук, Банніков Дмитро Олегович, Дніпропетровський національний університет залізничного транспорту імені академіка В. Лазаряна (м. Дніпропетровськ), доцент кафедри будівельних конструкцій.

Провідна установа: Київський національний університет будівництва і архітектури, кафедра металевих та дерев'яних конструкцій, Міністерство освіти і науки України, м. Київ.

Захист відбудеться “29” травня 2003 р. о 13.00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.085.02 Придніпровської державної академії будівництва та архітектури за адресою: 49600, м. Дніпропетровськ, вул. Чернишевського, 24а.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Придніпровської державної академії будівництва та архітектури за адресою: 49600, м. Дніпропетровськ, вул. Чернишевського, 24а.

Автореферат розісланий 18 квітня 2003 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Д 08.085.02 д.т.н., проф. Кваша Е.М.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Проблема зниження металоємності конструкцій при циклічних навантаженнях зв'язана з розробкою методів розрахунку міцності з урахуванням розвитку пластичних деформацій і встановленням величини їхнього обмеження для визначення відповідних коефіцієнтів розвитку пластичних деформацій.

Останні досягнення в галузі кінетики нагромадження пошкоджень і руйнування при циклічному навантаженні, виконані з використанням повних діаграм деформування малогабаритних зразків, показують, що зазначені обмеження можуть бути переглянуті.

Використання повних діаграм деформування представляється раціональним і для розвитку методів розрахунку міцності нерозрізних, защемлених балок з урахуванням перерозподілу зусиль, розрахунку на витривалість конструкцій, виготовлених зі сталей з різним ресурсом пластичності. В нормативних методиках для елементів працюючих при циклічних навантаженнях практично не передбачено урахування перерозподілу моментів, яке істотно залежить від типу конструкції і виду навантаження (динамічного, рухливого, вібраційного). Можливість такого урахування може привести до помітної економії матеріалу.

У відношенні оцінки витривалості, аналіз результатів розрахунку, виконаний у КНУБА і ДонДАБА згідно СНиП II-23-81* “Стальные конструкции”, СНиП 2.05.03.84 “Мости и трубы”, Eurocode, CIDECT показує, що жодна з перерахованих методик не забезпечує розрахунку на витривалість усіх груп елементів без перенапруження при різних значеннях коефіцієнта асиметрії циклу.

Одним зі шляхів вирішення проблеми зниження металоємності при забезпеченні безпечної експлуатації конструкцій в умовах циклічного навантаження є розвиток методів розрахунку міцності і витривалості на основі повних діаграм деформування малогабаритних зразків, що дозволяють установлювати величини пластичних деформацій, що допускаються, і ресурс пластичності матеріалу.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалася на кафедрі “Архітектура і будівельні конструкції” Донбаського гірничо-металургійного інституту в рамках науково - дослідницької теми з держбюджетним фінансуванням: “Розробка методів оцінки несучої здатності конструкцій з експлуатаційними пошкодженнями”, номер державної реєстрації 0198U005526, у 1998 - 1999 р.

Авторська участь полягала в побудові апроксимуючих залежностей деформаційних кривих утоми і розробці алгоритму розрахунку конструкцій з пошкодженнями.

Мета і задачі дослідження. Мета дисертаційної роботи - розробка методів розрахунку міцності і витривалості сталевих конструкцій при циклічних навантаженнях на основі повних діаграм деформування малогабаритних зразків.

Поставлена мета досягається рішенням наступних задач:

проведенням експериментальних досліджень малогабаритних зразків і зразків прокатних двотаврових балок в умовах циклічного навантаження;

одержанням експериментальних залежностей граничних деформацій малогабаритних зразків від кількості циклів навантажень (деформаційних кривих утоми);

проведенням математичного експерименту на основі обчислювального комплексу “Мираж” для оцінки міцності елементів, що згинаються, при різній кількості циклів навантаження;

розробкою способу визначення розрахункового опору витривалості на основі повних діаграм деформування малогабаритних зразків після попереднього циклічного навантаження;

розробкою методу розрахунку міцності елементів, що згинаються, з урахуванням розвитку пластичних деформацій при циклічному навантаженні на основі деформаційних кривих утоми малогабаритних зразків.

Об'єкт дослідження - елементи сталевих конструкцій, що згинаються.

Предмет дослідження - міцність і витривалість елементів сталевих конструкцій, що згинаються.

Методи дослідження - експериментальні методи досліджень малогабаритних зразків і зразків балок при циклічному навантаженні, методи статистичної обробки результатів досліджень, методи математичного моделювання з застосуванням обчислювального комплексу “Мираж”. Експериментальні дослідження, включаючи статичні і циклічні випробування малогабаритних зразків і прокатних двотаврових балок, проведені в лабораторіях Донбаського гірничо-металургійного інституту.

Наукова новизна одержаних результатів:

встановлено закономірності зміни граничної деформативності матеріалу , у залежності від кількості циклів навантажень на основі нових експериментальних даних про повні діаграми деформування в умовах циклічного навантаження;

запропоновано аналітичний метод визначення напружень і деформацій елементів сталевих конструкцій, що згинаються, які мають визначену кількість циклів експлуатаційних навантажень;

запропоновано спосіб визначення розрахункового опору витривалості на основі повних діаграм деформування сталі при циклічному навантаженні;

запропоновано методику розрахунку міцності розрізних, нерозрізних і защемлених балок з урахуванням розвитку пластичних деформацій при циклічному навантаженні на основі параметра обмеженої пластичності матеріалу.

Практичне значення одержаних результатів полягає в розробці ефективної методики розрахунку міцності елементів, що згинаються, при циклічному навантаженні. Ефективність методики полягає в зниженні металоємності конструкцій за рахунок збільшення рівня розвитку пластичних деформацій, визначених на основі повних діаграм деформування малогабаритних зразків при циклічному навантаженні. Визначення розрахункового опору витривалості за пропонованою методикою практично не потребує обмежень, встановлених СНиП II-23-81* “Стальные конструкции”, для основних груп елементів в діапазоні зміни коефіцієнта асиметрії циклу напружень і не допускає перенапруження при розрахунку витривалості конструкцій і з'єднань.

Вірогідність наукових положень, висновків і рекомендацій підтверджується значним обсягом експериментальних досліджень, задовільним співвідношенням дослідних даних з результатами математичного експерименту. двотавровий балка навантаження деформування

Результати наукових досліджень упроваджені на ВАТ “Стаханівський завод феросплавів” при розрахунку витривалості підкранових балок складу сировини і в учбовому процесі ДГМІ.

Особистий внесок здобувача полягає в наступному: автором проведені статичні і циклічні випробування малогабаритних зразків і прокатних двотаврових балок; вирішено задачі математичного експерименту з використанням обчислювального комплексу “Мираж”; розроблено методику розрахунку міцності елементів, що згинаються, при циклічному навантаженні з використанням параметру обмеженої пластичності; розроблено спосіб визначення розрахункового опору витривалості підкранових балок на основі повних діаграм деформування і енергопоглинання матеріалу.

Апробація результатів дисертації. Основні результати досліджень, представлені в дисертаційній роботі, доповідалися на: міжнародній конференції “Металобудівництво - 96” (Донецьк - Макіївка, 1996 р.); VI Українській науково - технічній конференції “Металеві конструкції” (Київ - Миколаїв, 1996 р.); міжнародній конференції “Теорія і практика металоконструкцій” (Донецьк - Макіївка, 1997 р.); III міжнародному симпозіумі “Механіка і фізика руйнування будівельних матеріалів та конструкцій” (Мукачеве, 1998 р.); міжнародній конференції “Сучасні будівельні конструкції з металу і деревини” (Одеса, 1999 р.), міжнародній конференції “Оцінка і обґрунтування продовження ресурсу елементів конструкцій” (Київ, 2000 р.); VII Українській науково-технічній конференції “Металеві конструкції” (Дніпропетровськ, 2000 р.); XXVII науково-практичній конференції студентів, аспірантів і молодих учених “Проблеми наукових досліджень і перспективи інноваційної діяльності молодих учених” (Макіївка, 2001 р.).

У повному обсязі дисертаційна робота доповідалася на кафедрі “Архітектура і будівельні конструкції” Донбаського гірничо-металургійного інституту в 2001р. і 2003 р., на кафедрі “Металеві, дерев'яні і пластмасові конструкції” Придніпровської державної академії будівництва та архітектури в 2001 - 2003 рр., на кафедрі “Металеві і дерев'яні конструкції” Київського національного університету будівництва і архітектури в 2001 р. і 2002 р.

Публікації. По тематиці дисертації опубліковано 11 робіт, з них 5 у виданнях, що входять у перелік, затверджений ВАК України.

Структура й обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, п'яти розділів, висновку, списку використаних джерел і додатків. Загальний обсяг роботи 130 сторінок, у тому числі 109 сторінок основного тексту, 19 таблиць, 41 рисунок, 131 найменування літератури на 13 сторінках, 2 додатка на 2 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовані актуальність і практична цінність роботи. Сформульовано мету роботи і задачі дослідження, наукова новизна і практичне значення одержаних результатів.

У першому розділі виконано аналіз робіт, присвячених оцінці впливу циклічного навантаження на механічні характеристики конструкційних сталей, розглянуті існуючі методи розрахунку міцності і витривалості сталевих конструкцій, що працюють в умовах циклічного навантаження. Показано вплив циклічного навантаження на зміну механічних властивостей сталі: границі текучості, міцності, модуля пружності, а також деформативності сталі в процесі циклічного навантаження.

Проведений аналіз методів оцінки несучої здатності елементів, що згинаються, в умовах циклічного навантаження показав, що урахування повторності навантажень достатньо відпрацьовано для параметра міцності сталей, а щодо впливу зазначеного фактора на параметри повної діаграми деформацій, то такі дані практично відсутні. Відзначаються також суперечливі результати, одержані при визначенні граничного навантаження пристосовності за параметрами міцності і деформативності. Проаналізовано роботи А.В. Геммерлінга, Д.А. Гохвельда, Н.Д. Жудіна, І.А. Одінга, В.П. Когаєва, А. Мразіка, Дж. Черадіні, М.Л. Чернова, В.С. Шебаніна та інших щодо впливу циклічного повторного навантаження на зміну величини несучої здатності елементів сталевих конструкцій, що згинаються. Відзначається, що відсутність достовірних результатів впливу циклічного навантаження на числові значення параметрів повної діаграми деформацій і суперечливість результатів експериментальних досліджень є причиною розробки наближених розрахункових моделей обліку впливу повторності навантажень на несучу здатність елементів, що згинаються, заснованих на заміні фактичній епюри напружень умовною. Розглянуто доцільність визначення напружено-деформованого стану конструкцій при циклічних навантаженнях на основі повних діаграм деформування, отриманих при випробуванні малогабаритних зразків з різною кількістю циклів навантажень.

У рамках оцінки витривалості елементів сталевих конструкцій розглянуті теоретичні й експериментальні дослідження проблеми дійсних умов експлуатації підкранових балок, визначення локального напруженого стану балок від дії рухомого навантаження й експериментального визначення границі витривалості підкранових балок, виконаних: О.О. Бать, Є.І. Бєлєня, Б.М. Броудє, В.Н. Валь, А.В. Васильєвим, В.М. Горпінченко, О.І. Кікіним, Б.Н. Кошутіним, А.С. Лазаряном, І.Н. Малишкіною, Є.А. Мітюговим, Н.С. Москальовим, К.К. Нєждановим, С.Ф. Пічугіним, І.Е. Спенглєром, В.І. Труфяковим та іншими.

Приведено дослідження, виконані в КДУБА і ДонДАБА, по оцінці витривалості конструкцій згідно діючих норм проектування і Eurocode. Відзначено, що жодна з чинних методик визначення утомної міцності не забезпечує витривалість усіх груп елементів сталевих конструкцій при різній кількості циклів навантаження і різних коефіцієнтах асиметрії напруження. Показано, що дослідження і методики оцінки витривалості конструкцій орієнтовані в основному на визначення межі утоми елементів конструкцій. Значно менше уваги приділено урахуванню вироблення деформаційного ресурсу матеріалу конструкцій, оцінці впливу попереднього циклічного навантаження на параметри діаграм деформування. Разом з тим, сталі, що використовуються в конструкціях, мають різні пластичні властивості, що не враховується нормативними методиками розрахунку витривалості і приводить до частої невідповідності з дійсною витривалістю конструкцій.

В другому розділі приведені матеріали щодо планування й обсягу експерименту, конструкції дослідних малогабаритних зразків, фізико-механічні характеристики конструкційних сталей, статистична обробка одержаних результатів, параметри утомних випробувань, оснащення й устаткування для одержання повних діаграм деформування, а також методика проведення випробувань.

Відповідно до мети і завдань досліджень, першу партію зразків кожної серії, виготовлених зі сталей Ст3, 09Г2С и Д32, випробували на розтягання без попереднього циклічного навантаження для одержання основних параметрів повних діаграм деформування. Інші партії зразків піддавали попередньому циклічному навантаженню і наступному випробуванню на розтягання до руйнування. Коефіцієнт асиметрії циклу приймали приблизно відповідним реальним умовам експлуатації. Параметри циклічного навантаження були прийняті такі: , , де - навантаження, що відповідає тимчасовому опору сталі.

Обсяг основних випробувань визначений на основі методики планування експерименту. У дослідженнях варіювалися: марка сталі і кількість циклів навантажень. Циклічне навантаження малогабаритних зразків при заданих параметрах динамічних випробувань виконували на утомній машині УМЕ-10ТМ. Після циклічного навантаження малогабаритні зразки доводили до руйнування при статичному навантаженні на розривній машині ГРМ-100 а зі спеціальним оснащенням для одержання повних діаграм деформування .

У результаті випробувань були отримані повні діаграми деформування малогабаритних зразків з попереднім циклічним навантаженням (рис.1) і визначені їхні основні параметри.

Одержані діаграми циклічно напрацьованих зразків відрізнялися від базових величиною граничних абсолютних подовжень () і відповідними значеннями граничних деформацій .

Аналіз результатів проведених досліджень за допомогою апроксимуючої функції:

, (1)

при коефіцієнті кореляції -0,972, дозволив одержати закономірності зміни граничних деформацій від кількості циклів навантаження, з обмеженням циклів. Деформаційна крива утоми, що використовувалася для побудови методики розрахунку міцності елементів сталевих конструкцій, що згинаються, при циклічному навантажені, приведена на рис.2. Числові величини граничних деформацій наведено в одиницях відносних деформацій.

У третьому розділі приведені результати математичного експерименту з розрахунку міцності елементів, що згинаються, в умовах циклічного навантаження за допомогою методу математичного моделювання з використанням обчислювального комплексу “Мираж”. Рішення завдання з розрахунку скінчено-елементних моделей балок виконували у фізично нелінійній постановці з використанням крокового процесора. Діаграма матеріалу конструкції балок була задана за законом ламаної кривої . Параметри граничних деформацій визначали на основі деформаційних кривих утоми, одержаних при випробуванні малогабаритних зразків, що дозволяло моделювати роботу конструкцій з попереднім циклічним навантаженням. Як величину, що характеризує вплив циклічного навантаження на напружено-деформований стан перерізів елементів, що згинаються, використовували параметр обмеженої пластичності .

Результати розрахунків показали, що вироблення деформаційного ресурсу зі збільшенням кількості циклів навантаження для статично визначених балок, при врахуванні обмежень другої групи граничного стану, не викликає зниження несучої здатності. Для статично невизначених балок, з урахуванням обмежень по другій групі граничного стану, спостерігалося зниження граничних прогинів і відповідних максимальних зусиль при значному виробленні деформацій (0,729), а також зниження рівня перерозподілу зусиль, відповідно зниженню параметра обмеженої пластичності.

Четвертий розділ присвячено експериментальним дослідженням прокатних двотаврових балок в умовах циклічного навантаження. У розділі приведені характеристики матеріалу балок, конструкція зразків, устаткування й оснащення для проведення циклічних випробувань, схема розташування тензорезисторів і методика проведення випробувань з використанням тензометричної системи СІВТ-3.

Для проведення випробувань були виготовлені балки з двотаврового профілю №10. Першу серію балок випробували при статичному навантаженні в умовах чистого згину на установці ГРМ-50. Другу серію балок після попереднього циклічного навантаження на утомній машині УМЕ-10 ТМ (, , циклів) випробували при статичному навантаженні за методикою випробувань балок першої серії на установці ГРМ-50.

За результатами статичних випробувань зразків першої і другої серій, у розділі приведені залежності (навантаження - прогин) і (момент - кривизна). Граничні прогини для серії зразків з попереднім циклічним навантаженням були, приблизно, на 20% менше значень для серії зразків у початковому стані. Двотаврові зразки балок у початковому стані і з попереднім циклічним навантаженням при амплітуді максимальних напружень вище межі пружності і нижче границі текучості після циклів, мали практично однакову несучу здатність (рис.3). При цьому, кривизна балок з попереднім циклічним навантаженням була менша в порівнянні з балками у початковому стані на 22%.

Епюри розподілу напружень по висоті перерізу одержували за законом Гука. В області пружної роботи матеріалу напруження по висоті перерізу зразків першої і другої серії практично не відрізнялися. В області пластичного деформування спостерігалося розходження в розмірі пружного ядра перерізу балок у бік збільшення для зразків з циклічним навантаженням.

Результати математичного експерименту і дослідження балок з попереднім циклічним навантаженням показали, що при величині пружного ядра, що не перевищує визначеної межі, зниження несучої здатності балок не відбувається. Вплив циклічного навантаження виявляється лише при дуже розвинутих пластичних деформаціях, що відповідають практично повному виробленню деформаційного ресурсу.

У п'ятому розділі викладена методика розрахунку на витривалість і міцність елементів, що згинаються, при циклічних навантаженнях на основі повних діаграм деформування малогабаритних сталевих зразків.

Визначення максимального напруження при розрахунку на витривалість виконано з використанням діаграм деформування і коефіцієнта енергопоглинання матеріалу (), запропонованого Інститутом проблем міцності НАН України. У даних дослідженнях коефіцієнт , що характеризує відношення питомої роботи пластичної деформації до відповідної енергії пружних деформацій у момент досягнення межі міцності, виражали через деформаційні криві утоми .

Величину границі витривалості визначали по формулі:

, (2)

у якій розрахунковий опір утоми приймали згідно СНиП ІІ-23-81* у залежності від тимчасового опору сталі і груп елементів конструкцій.

Для розрахунку витривалості верхніх зон стінок підкранових балок формула (2) запропонована у вигляді:

(3)

Друга складова частина у формулі (2) виконує функцію коефіцієнта (СНиП ІІ-23-81*), враховуючого кількість циклів навантаження, і дозволяє диференційовано визначати границі витривалості в залежності від енергопоглинання матеріалу.

Порівняльний аналіз значень границі витривалості за діючими нормами і пропонованою методикою, виконано для різних коефіцієнтів асиметрії циклу напружень (рис.4).

Розрахункові опори витривалості, визначені за пропонованою методикою, обґрунтовані параметром енергопоглинання, зв'язаним з в'язкістю руйнування, не вимагають обмеження для основних груп елементів і не допускають перенапруження при розрахунку витривалості конструкцій і з'єднань.

У розділі приведений розрахунок міцності елементів, що згинаються, при циклічному навантаженні на основі розвитку розрахункової методики А.В. Геммерлінга.

За основну передумову розрахункової методики прийнята епюра розподілу напружень у перерізі у вигляді діаграми Прандтля. Облік впливу циклічного навантаження на міцність елементів, що згинаються, виконаний за допомогою зміни відносної висоти пружного ядра перерізу в залежності від кількості циклів навантажень, визначеної по деформаційним кривим утоми малогабаритних зразків.

При розрахунку по першій групі граничного стану рівняння прийнято у вигляді:

, (4)

де - координата центра ваги другого розрахункового перерізу щодо центра ваги дійсного перерізу, визначена в залежності від .

У розділі приведена методика розрахунку міцності нерозрізних і защемлених елементів, що згинаються, при циклічних навантаженнях з використанням параметра обмеженої пластичності , розглянутий випадок перерозподілу зусиль у статично невизначених системах на прикладі балки з защемленими кінцями, завантаженої рівномірно розподіленим навантаженням (рис.5).

Формула згинаючого моменту в другому перерізі отримана у виді:

. (5)

Враховуючи, що досягнення граничних деформацій другого перерізу при циклічному навантаженні може відбутися при роботі першого перерізу як у пружної, так і в пружно-пластичної стадії, формули для визначення згинаючого моменту в першому перерізі мають вигляд, при пружній роботі:

 (6)

при роботі в пружно-пластичної стадії:

(7)

де - навантаження, що відповідає досягненню деформацій у другому перерізі граничних значень при .

Формули (5-7) були використані для одержання числових значень згинальних моментів двотаврових балок у залежності від кількості циклів навантаження, з використанням параметра обмеженої пластичності (табл.1). Значення й у табл.1 приймали за результатами випробувань малогабаритних зразків зі сталі Ст3.

Таблиця 1

Результати оцінки несучої здатності на основі параметра обмеженої пластичності

Геометричні характеристики перерізу і марка сталі	, о.в.д.		Згинаючі моменти	Величина граничного навантаження, кН/м
			, кНм	, кНм
згідно рис.5. Ст3; =310 МПа; =0,001476 о.в.д.	0,262500	0,994	4115	4116	457
	0,007381	0,800	3896	4061	442
	0,004920	0,700	3622	3992	423
	0,002952	0,500	2744	3773	362
	0,002109	0,300	1960	3443	300
	0,001640	0,100	1524	3004	252

Криві перерозподілу зусиль в елементах, що згинаються, відповідно до результатів табл.1, приведені на рис.6.

Приведені криві перерозподілу зусиль відбивають вплив циклічного навантаження на міцність защемлених балок у залежності від параметра обмеженої пластичності, визначеного на основі деформаційних кривих утоми малогабаритних зразків.

ВИСНОВКИ

Виконані дослідження дозволяють сформулювати основні результати і загальні висновки.

1. Експериментально встановлено вплив попереднього циклічного навантаження на параметри повної діаграми деформування малогабаритних зразків. Отримано нові експериментальні дані про зниження деформацій для зразків, що мають циклічне напрацювання в умовах осьового розтягання і згинання при асиметричному циклі навантажень у порівнянні зі зразками у початковому стані (без попереднього циклічного навантаження).

2. На основі одержаних експериментальних залежностей і встановлено, що попереднє циклічне навантаження з динамічними параметрами , циклів, частотою навантаження 0,125 Гц і практично не впливає на несучу здатність двотаврових балок у порівнянні з балками без циклічного навантаження. Вплив циклічного навантаження значно позначається на зменшення прогинів, кривизни і збільшенні пружного ядра двотаврових балок.

3. Встановлено, що при розрахунку конструкцій з урахуванням розвитку пластичних деформацій в умовах циклічного навантаження з амплітудою максимальних напружень у межах можливе зниження пластичних деформацій до рівня, при якому значно збільшується висота пружного ядра перерізу. На основі результатів математичного експерименту показано, що таке збільшення пружного ядра впливає на зниження діючого навантаження лише при значному, практично повному виробленню деформаційного ресурсу, що відповідає ділянці знеміцнення діаграми деформування. Тому, як величину обмеження граничної пластичної деформації при циклічному навантаженні і з урахуванням обмежень по другій групі граничного стану, запропоновано прийняти значення деформації (де ), що не перевищує нормативних вимог, прийнятих при статичному навантаженні.

4. Запропоновано нові пропозиції з розрахунку міцності нерозрізних і защемлених балок з урахуванням перерозподілу зусиль у випадку циклічного навантаження. Пропозиції засновані на розвитку методу граничної рівноваги з використанням параметра обмеженої пластичності, визначеного на основі деформаційних кривих утоми малогабаритних зразків.

5. Удосконалено методику А.В. Геммерлінга для розрахунку міцності елементів, що згинаються, в умовах циклічного навантаження. Метод розрахунку заснований на визначенні величини пружного ядра з використанням деформаційних кривих утоми, отриманих на малогабаритних зразках і дозволяє виконувати розрахунки при екстремальних навантаженнях і виробленні деформаційного ресурсу, що відповідає динамічному окрихченню.

6. Запропоновані розрахункові залежності для визначення границі витривалості верхньої зони стінок підкранових балок на основі зниження параметра енергопоглинання матеріалу при циклічному навантаженні, що мають фізичне обґрунтування і зв'язані зі зниженням в'язкості руйнування при відповідному виробленні деформаційного ресурсу. Проведений досить повний порівняльний аналіз границь витривалості по СНиП ІІ-23-81* і пропонованій методиці, а також його графічна інтерпретація показали, що результати визначення розрахункового опору витривалості, отримані за пропонованою методикою практично не вимагають обмеження для всіх груп елементів і мають експериментальне обґрунтування для діапазону коефіцієнту асиметрії циклу напружень . Залежності для визначення розрахункового опору витривалості представляються особливо ефективними для розрахунку витривалості конструкцій, виготовлених зі сталей, що мають приблизно рівні параметри міцності й розходження в ресурсі пластичності.

ПУБЛІКАЦІЇ

1. Давиденко А.И., Псюк В.В. Использование полных диаграмм деформаций для оценки трещиностойкости сталей и несущей способности конструкций при повторных нагружениях // Сб. науч. трудов “Строительство, материаловедение, машиностроение”. - Днепропетровск: ПГАСА. - 1998. - Вып. 5, ч.2. - С. 162-167. (Автору належить одержання параметрів повних діаграм деформацій малогабаритних зразків з конструкційних сталей Ст3 та Д32 у стані постачання і з попереднім циклічним навантаженням).

2. Псюк В.В. К вопросу расчёта сжато-изогнутых стержней при повторных нагружениях // Зб. наук. праць Донбаського гірничо-металургійного інституту. - Алчевськ: ВПЦ “Ладо” ДГМІ. - 1998. - Вип. 7. - С. 144-146.

3. Псюк В.В. Развитие методов оценки долговечности конструкций на основе полных диаграмм деформаций // Вісник Приазовського державного технічного університету. - Маріуполь: ВПЦ ПДТУ.- 1998. - Вип. 6. - С. 117- 119.

4. Давиденко А.И., Псюк В.В. К вопросу учета повторности нагружений на основе параметра ограниченной пластичности // Зб. наук. праць Донбаського гірничо-металургійного інституту. - Алчевськ: ВПЦ “Ладо” ДГМІ. - 1999. - Вип.10. - С. 225-229. (Автору належить розрахунок співвідношення впливу циклічного навантаження на міцність елементів сталевих конструкцій, що згинаються, з використанням параметра обмеженої пластичності і методу граничної рівноваги).

5. Давиденко А.И., Псюк В.В. Определение расчётного сопротивления выносливости на основе параметра энергопоглощаемости материала // Вісник Придніпровської державної академії будівництва та архітектури. - Дніпропетровськ: ПДАБтаА. - 2002. - №1. - С. 10-16. (Автору належить проведення порівняльного аналізу визначення розрахункового опору витривалості за пропонованою методикою і діючими нормами розрахунку).

6. Давиденко А.И., Псюк В.В., Коняшкина О.А. Методика оценки долговечности конструкционной стали на основе полных диаграмм деформирования малогабаритных образцов // Тезисы докладов VI Украинской науч.-техн. конф. “Металлические конструкции”. - Киев - Николаев. - 1996. - С. 35. (Автору належить розробка методики проведення випробувань для оцінки довговічності конструкційних сталей на основі повних діаграм деформування малогабаритних зразків).

7. Псюк В.В. Методика построения полных диаграмм конструкционных сталей // Сб. тр. междунар. конф. “Металлостроительство-96” (Состояние и перспективы развития). - Донецк - Макеевка: ДонГАСА. - 1996. - Т.1. - С. 79-80.

8. Давиденко А.И., Псюк В.В. Оценка остаточного ресурса на основе испытаний малогабаритных образцов // Сб. тр. междунар. конф. “Теория и практика металлических конструкций”. - Донецк-Макеевка: ДонГАСА. - 1997. - Т.1. - С. 70-72. (Автору належить одержання експериментальних даних випробування малогабаритних зразків сталі Ст3 у стані постачання і з попереднім циклічним навантаженням).

9. Давиденко О.І., Чаусов М.Г., Псюк В.В. До розвитку засобів оцінки довговічності з використанням повних діаграм деформацій // Зб. наук. праць “Механіка і фізика руйнування будівельних матеріалів та конструкцій”. - Львів: “Каменяр”. - 1998. - Вип.3. - С. 265-269. (Автору належать результати повних діаграм деформування малогабаритних сталевих зразків при різній кількості циклів навантаження).

10. Давиденко А.И., Псюк В.В. Оценка напряжённо-деформированного состояния прокатных двутавров при повторных нагружениях // Доповіді на VII Українській науково-технічній конференції “Металеві конструкції”. - Дніпропетровськ: ВАТ ДЗМК ім. І.В. Бабушкіна. - 2000. - С. 56-59. (Автору належить методика проведення експериментальних досліджень прокатних двотаврових балок при повторному навантаженні й аналіз отриманих результатів).

11. Псюк В.В. Экспериментальное исследование напряжённо-деформированного состояния прокатных двутавров при повторном нагружении // Вісник Донбаської державної академії будівництва і архітектури (Матеріали 27 наукової конференції студентів). - Макіївка: ДонДАБА. - 2001. - №3. - С. 46-49.

Размещено на Allbest.ru

...