Расчет и конструирование сварной балки

18

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

БОБРУЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫЙ

ПРОФЕССИОНАЛЬНО-ТЕХНИЧЕСКИЙ КОЛЛЕДЖ

Специальность 2-36 01 06 Оборудование и

технология сварочного

производства

Специализация Производство сварных

конструкций

МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ

по выполнению курсового проекта

Расчет и конструирование сварной балки

Дисциплина: «Проектирование сварных конструкций»

Разработал преподаватель:

Юхневич К.Д.

2006

Содержание

Общие положения, состав и содержание курсового проекта

Введение

1. Конструкторский раздел

1.1 Описание конструкции балки

1.2 Выбор и обоснование металла сварной конструкции

1.3 Расчет и конструирование балки

1.4 Подбор сечения сварной балки

1.5 Проверка прочности и жесткости скомпонованного сечения балки

1.6 Расчет сварных швов, соединяющих пояса со стенкой

1.7 Проверка местной устойчивости стенок балки

1.8 Расчет опорных частей балок

1.9 Расчет стыков балок

1.10 Расчет массы балки

2. Технологический раздел

2.1 Выбор способа сварки и методов контроля качества сварных соединений

2.2 Выбор режимов сварки и сварочного оборудования

Список литературы

Приложение

Общие положения, состав и содержание курсового проекта

Курсовой проект является завершающей частью предмета «Проектирование сварных конструкций».

Тема курсового проекта - «Расчет и конструирование сварной балки».

Целью курсового проекта является самостоятельная работа учащихся, позволяющая систематизировать, обобщить и расширить теоретические знания учащихся по специальным и общетехническим дисциплинам с использованием технической, сварочной литературой и ГОСТов.

Задачами курсового проекта являются:

подбор сечения элементов конструкции по условиям

прочности и жесткости;

расчет сварных швов;

конструирование узлов.

Исходными данными для выполнения курсового проекта являются:

дина балки;

нагрузки, действующие на балки;

отношение прогиба балки и ее длины;

материал.

Курсовой проект включает:

пояснительную записку (объемом 20-25 листов) с

приложениями;

графическую часть (не превышающую 2 листа формата А1).

Введение

Во введении кратко изложите данные о развитии сварки и применении сварных конструкций в Республике Беларусь и за рубежом.

Поясните понятие «сварная конструкция», опишите ее преимущества перед другими видами конструкций. Какие виды сварки распространены в современной промышленности.

1. Конструкторский раздел

1.1 Описание конструкции балки

Подробно опишите части, из которых состоит сварная конструкция. Опишите назначение сварной конструкции, условия ее работы. Для этого изучите литературу [1, с. 153-174], [2, с. 155-169], [3, с. 162-168].

1.2 Выбор и обоснование металла сварной конструкции

Выбор и обоснование производить с учетом следующих требований:

- обеспечение прочности и жесткости при номинальных затратах на изготовление с учетом максимальной экономии металла и снижения массы сварной конструкции;

- гарантированное условие хорошей свариваемости при минимальном разупрочнении и снижении пластичности в зонах сварных соединений;

- обеспечение надежности эксплуатации конструкции при заданных нагрузках, агрессивных средах и переменных температурах.

Обосновав выбор марки стали, необходимо указать химический состав и механические свойства стали в форме таблицы 1 и таблицы 2 соответственно.

Таблица 1 - Химический состав стали

Марка стали	ГОСТ	Содержание элементов, %
		C	Mn	Si	Cr

Таблица 2 - Механические свойства стали

Марка стали	ГОСТ	Временное сопротивление разрыву, МПа	Предел текучести, МПа	Относи-тельное удлинение, %	Ударная вязкость, мДж/м2	Расчетное сопротивление, МПа

1.3 Расчет и конструирование балки

Определяем максимальный расчетный изгибающий момент и максимальную расчетную поперечную силу. Строим эпюры изгибающих моментов и поперечных сил - рисунок 1.

Первоначально определяем расчетные нагрузки F^p, kH

(1)

где F₁^H, F₂^H ,F₃^H , F₄^H - нормативные нагрузки, кН;

c - коэффициент условий работы, кН (c = 1,1).

Определяем сумму моментов относительно точки В, М_В, кН^.м

М_В = - F₄^H * (I - d) + F₃^H * (I - c) - F₂^H * (I - b) + F₁^H * (I - a) * R_A^H * I = 0 (2)

где а, b, c, d, I - расстояние между приложенными усилиями на балке, м.

Выражаем из уравнения реакцию опоры относительно точки А,R_A^H, кН

Определяем сумму моментов относительно точки А, М_А, кН^.м

М_А = F₁^H * а + F₂^H * b - F₃^H * c + F₄^H * d - R_B^H * I = 0 (3)

Выражаем из уравнения реакцию опоры относительно точки В,R_В^Н, кН

(4)

Определяем расчетные реакции опор, R_А^Р, R_В^Р, кН

R_А^Р = c * R_А^Н (5)

R_В^Р = c * R_В^Н

Производим проверку правильности определения реакций. Реакции будут определены правильно, если сумма реакций будет равна сумме всех сил, действующих на балку, взятых с их знаком, кН

R_А^Н + R_В^Н = F₁^H + F₂^H - F₃^H + F₄^H ,(6)

R_А^Р+ R_В^Р = F₁^Р + F₂^Р - F₃^Р + F₄^Р

Определяем нормативные моменты в точках 1,2,3,4,5,6, кН^.см

М₁^Н = 0,

М₂^Н = R_A^H * a,

M₃^H = R_A^H * b - F₁^H * (b - a),

M₄^H = R_A^H * c - F₁^H * (c -a) - F₂^H * (c -b),

M₅^H = R_B^H * (I - d),

M₆^H = 0

Указываем, в какой точке будет максимальный нормативный изгибающий момент М^Н_max, кН^.см.

Определяем расчетные изгибающие моменты в точках 1,2,3,4,5,6, кН^.см

М₁^Р = c * М₁^Н, (7)

М₂^Р = c * М₂^Н,

М₃^Р = c * М₃^Н,

М₄^Р = c * М₄^Н,

М₅^Р = c * М₅^Н,

М₆^Р = c * М₆^Н

Указываем, в какой точке будет максимальный расчетный изгибающий момент М^Р_max, кН^.см.

На листе формата А4 строим эпюру изгибающих моментов в масштабе.

Определяем нормативные поперечные силы в точках 2,3,4,5,6, кН

Q₂^H = R_A^H,

Q₃^H = R_A^H - F₁^H,

Q₄^H = R_A^H - F₁^H - F₂^H,

Q₅^H = R_A^H - F₁^H - F₂^H + F₃^H,

Q₆^H = -R_В^H

Указываем сечение балки, где действует максимальная нормативная поперечная сила Q^H _max, кН.

Определяем расчетные поперечные силы в токах 2,3,4,5,6, кН

Q₂^P = _c * Q₂^H, (8)

Q₃^P = _c * Q₃^H,

Q₄^P = _c * Q₄^H,

Q₅^P = _c * Q₅^H,

Q₆^P = _c * Q₆^H

Указываем максимальную расчетную поперечную силу Q^Р _max, кН.

На листе формата А4 строим эпюру поперечных сил в масштабе.

1.4 Подбор сечения сварной балки

Определяем требуемый момент сопротивления сечения балки с учетом развития в ней пластических деформаций при работе на изгиб Wтр, см³

(9)

где Rу - расчетное сопротивление материала сварной балки [1, с.40], кН/см².

М^Р_max = 1,1 * М^Н_max

Максимальный нормативный изгибающийся момент М^Н_max берется из эпюры, кН^.см.

Главной задачей при подборе сечения сварной балки является установление ее высоты h, так как высота является главным размером сечения.

Определяем наименьшую высоту сечения балки h_min, см из условия жесткости

(10)

где l - длина балки, см;

[f/l] - допускаемый относительный прогиб балки.

В практических расчетах отношение М^Н_max/ М^Р_max принимается равным 0,8.

Определяем оптимальную высоту стенки балки h_опт, см из условия экономичного расхода металла

(11)

где Sст - толщина стенки, возрастает с увеличением высоты сечения

балки и определяется по эмпирической формуле, мм.

Sст = 7 + 3 * h, (12)

где h - ориентировочная высота балки, м.

(13)

где l - пролет балки, м.

По конструктивным соображениям толщина стенки обычно принимается не менее 6 мм.

Окончательно высоту стенки балки h_ст принимаем, руководствуясь данными ГОСТ 82-70 [2, с.358], близкую к оптимальной, но не менее минимальной.

Установив высоту стенки балки и толщину стенки, переходит к компоновке поясов.

Определяем требуемую площадь сечения одного поясного листа, Ап, см²

(14)

Выразив площадь сечения пояса Ап, см² через ширину пояса и толщину пояса, получим

Ап = bп * Sп,(15)

где bп - ширина пояса, см;

Sп - толщина пояса, см.

Ширину поясного листа принимаем в пределах, bп, см

По техническим условиям эта ширина должна быть не менее 180 мм.

Тогда толщина поясного листа, Sп, см определяется по формуле

Причем, Sп назначается в пределах 8-40 мм, но не меньше, чем S_ст с градацией по ГОСТ 82-70 и определяем действительное значение сечения поясного листа , см²

Причем отношение должно быть меньше или равно 20.

1.5 Проверка прочности и жесткости скомпонованного сечения балки

По назначенным размерам определяем геометрические характеристики сечения:

- момент инерции сечения балки относительно оси х Ix, см⁴

(16)

- действительное значение момента сопротивления сечения балки W_д, см³

(17)

где h - высота балки, см.

h = h_ст + 2 * S_п^д, (18)

- статический момент половины сечения балки относительно оси х Sх, см³

(19)

где А_ст - площадь сечения стенки балки, см².

А_ст = h_ст * S_ст

Производим проверку балки на прочность по нормальным напряжениям от максимального изгибающего момента, у, кН/см²

(20)

Производим проверку балки на прочность по касательным напряжениям от максимальной силы, , кН/см²

(21)

где R_s - расчетное сопротивление материала срезу, кН/см².

Производим проверку балки на жесткость по относительному прогибу

(22)

где Е - модуль упругости, Е = 21000 кН/см²;

[f/I] - нормативный прогиб, зависит от назначения балки и дается в условии.

1.6 Расчет сварных швов, соединяющих пояса со стенкой

При работе балки на изгиб в сварных швах, соединяющих пояса со стенкой, возникают сдвигающие усилия Т, которые вызывают касательные напряжения .

Рисунок 1 - Балка сварная

Величина сдвигающего усилия на длине 1 см балки Т, кН

(23)

где S_пх - статический момент поясного листа, см³.

S_пх = А_п^д * а, (24)

где А_п - площадь поперечного сечения поясного листа, см²;

а - расстояние от нейтральной оси х до центра тяжести

поясного листа, см.

(25)

Рисунок 2 - Сечение балки

Определяем напряжение в сварных швах, , кН/см²

(26)

где А_ш - площадь поперечного сечения сварных швов на длине 1 см,

А_ш = 2 * в * Кf, (27)

где в - коэффициент, зависящий от способа сварки;

Кf - катет сварного шва, см.

в = 0,7 при ручной дуговой сварке;

в = 0,85 при полуавтоматической сварке;

в = 1 при автоматической сварке;

Тогда

1.7 Проверка местной устойчивости стенки балки

Местная устойчивость стенки балки проверяется в зависимости от отношения h_ст/S_п^д и напряженного состояния.

При 80 стенка устойчива, но нужны промежуточные ребра жесткости. Расстояние между ребрами жесткости а, мм равны

а = 2,5 * h_ст (28)

На всем пролете балки устанавливаются парные ребра жесткости, расстояние а корректируется в зависимости от пролета балки, n - количество ребер в соответствии с рисунком 1.

Рисунок 3 - Установка поперечных ребер жесткости

Определяем ширину ребра b_р, мм

(29)

Определяем толщину ребра S_р, мм

(30)

Толщину и ширину уточняем по ГОСТ 82-70.

Ребра к поясам и стенке приваривают сплошными швами, катет не менее 4 мм.

1.8 Расчет опорных частей балок

При шарнирном опирании сварных балок не нижележащие конструкции передачу опорной реакции осуществляют через парные опорные ребра, приваренные к нижнему поясу балки, к стенке (двумя вертикальными швами) и к верхнему поясу - рисунок 4.

Рисунок 4 - Парные опорные ребра

Размеры опорного ребра определяем из расчета на смятие их торцов. Площадь опорного ребра А_оп.р., см²

(31)

Гед R^р_А - расчетная реакция опоры, кН;

R см - расчетное сопротивление на смятие торцевой поверхности

[2, с. 29].

Принимаем толщину опорного ребра

S_оп.р. = 16…20 мм

Тогда, зная, что площадь опорного ребра вычисляется по формуле

А_{оп.р. =} S_оп.р. * b_оп.р. (32)

выразим из нее ширину опорного ребра b_оп.р., см

b_оп.р. = А_оп.р / S_оп.р

Наименьшая ширина опорного ребра принимается

b_оп.р = 180…200 мм

Чтобы ребро не потеряло местную устойчивость, необходимо

(33)

После определения размеров ребра определяем катет сварного шва Кf, см из условия прочности сварных швов. В сварных балках вся опорная реакция передается на ребро через вертикальные угловые швы.

(34)

где n - число сварных швов.

Передачу опорной реакции можно осуществить и посредством диафрагмы с фрезерованным нижним торцом, приваренной к торцу балки в соответствии с рисунком 6.

Размеры диафрагмы определяем из расчета на смятие ее торца. Площадь диафрагмы А_д, см²

(35)

Зададимся толщиной диафрагмы S_д = 16…20

Рисунок 5 - Диафрагма как опорная часть балки

Определим ширину диафрагмы b_д, см

b_д = А_д / S_д (36)

Наименьшая ширина диаграммы принимается

b_д 180 мм.

Определяем катет сварного шва Kf, см

1.9 Расчет стыков балок

Расчет стыков балок производится в соответствии с рисунком 6.

Стыки стенки и сжатого пояса делают прямыми. Стык растянутого пояса устраивают прямым, если напряжение в поясе не превышает расчетное сопротивление сварного соединения растяжения. В противном случае делают косым.

Рисунок 6 - Стыки балок

Стык каждого элемента балки рассчитываются на усилие (момент), воспринимаемое этим элементом. Стык стенки рассчитывают на действие изгибающего момента и поперечной силы.

Определяем изгибающий момент, приходящийся на стенку Мст, кН^.см

(37)

где М^Р - изгибающий момент, действующий в данном сечении (в месте расположения стыка), кН^.см; металл сталь сварный балка

Iст - момент инерции всего сечения стенки, см⁴;

Ix - момент инерции всего сечения балки, см⁴.

(38)

Определяем касательные напряжения в сварном стыковом шве от действия поперечной силы ^Q_w, кН/см²

, (39)

где Q^P - поперечная сила, действующая в данном сечении, кН;

Sx - статический момент половины продольного сечения шва относительно нейтральной оси, см³.

(40)

Определяем нормативные напряжения в сварочном шве от изгибающего момента _w^Мст, кН/см²

(41)

где Wст - момент сопротивления сечения стенки балки, см³.

(42)

Кроме того, стыковой сварной шов должен быть проверен на приведенные напряжения _w^пр, кН/см²

, (43)

Определим усилие N, воспринимаемое поясом, кН

,(44)

где h₀ - расстояние между центрами тяжести поясов, см.

Тогда напряжение в растянутом поясе будет равно _w^N, кН/см²

(45)

где Аш - площадь поперечного сечения пояса, см².

(46)

1.10 Расчет массы балки

Определяем массу балки G, кг

(47)

где Gп - масса пояса балки, г;

Gст - масса стенки балки, г.

, (48)

где I - пролет балки, см;

Y - удельный вес металла, г/см³ (y = 7,84 см³ для Ст Зпс);

(49)

2. Технологический раздел

2.1 Выбор способов сварки и методов контроля качества сварных соединений

Выбираем и обосновываем способ сварки для изготовления балки, исходя из обеспечения высокой производительности и качества изготовления. Выбираем и обосновываем методы контроля качества сварных соединений.

2.2 Выбор режимов сварки и сварочного оборудования

Исходя из выбранного способа сварки, необходимо выбрать и обосновать параметры режима:

- для сварки поясных швов;

- для сварки ребер жесткости и опорных ребер;

- для сварки стыков балки.

Критерием оптимального выбора режимов служит максимальная производительность процесса сварки при условии получения требуемых геометрических размеров поперечного сечения шва, регламентированных ГОСТ 14771-71, ГОСТ 5264-80 и достаточно низких потерь металла на угар и разбрызгивание.

Расчет режимов сварки производится для конкретного случая.

Для угловых швов расчет режимов сварки имеет следующий вид.

Определяем скорость сварки, Vсв, м/ч

(50)

где а_н - коэффициент наплавки, г/А^.ч;

I - сила тока, А;

y - удельная плотность (y = 7,85 г/см³);

Аш - площадь поперечного сечения шва, мм².

, (51)

где Kf - катет шва, мм;

q - высота усиления шва, мм.

Определяем скорость подачи сварочной проволоки, Vпод, м/ч

(52)

где d - диаметр сварочной проволоки, мм.

Режимы сварки свести в таблицу 3.

Таблица 3 - Режимы сварки

Катет сварного шва, мм	Диаметр проволоки, d, мм	Сварочный ток, Iсв, А	Напряжение дуги, Uд, В	Скорость подачи проволоки, Vпод, м/ч	Скорость сварки, Vсв, м/ч	Вылет электрода, Iэ, мм	Расход газа, дм3/мм

Для стыковых швов расчет режимов выглядит следующим образом.

Определяем скорость сварки, Vсв, м/ч

,

где Аш - площадь поперечного сечения шва, мм²

, (53)

где e, q, b - значения принимаются по ГОСТ 14771-76;

S - толщина металла, мм.

Определяем скорость подачи, Vпод, м/ч

.

Результат расчетов сводим в таблицу 4.

Таблица 4 - Режимы сварки

Толщина, S, мм	Диаметр проволоки, d, мм	Сварочный ток, Iсв, А	Напряжение дуги, Uд, В	Вылет электрода, Iэ, мм	Расход газа, дм3/мм	Скорость сварки, Vсв, м/ч	Скорость подачи проволоки, Vпод, м/ч

Учитывая выбранный способ и режимы сварки, выбираем сварочное оборудование. Рассчитанные диапазоны скоростей уточняем по паспортным данным полуавтомата. Далее описываем принцип работы, конструкцию и техническую характеристику оборудования.

Список литературы

1. Блинов А. Н., Лялин К. В. Сварные конструкции. - М.: Стройиздат, 1990. - 350 с.

2. Михайлов А. М. Сварные конструкции. - М.: Стройиздат, 1983. - 366 с.

3. Майзель В. С., Навроцкий Д.И. Сварные конструкции. - Л.: Машиностроение, 1973, 304 с.

Приложение

Компьютерный расчет на прочность сварного стыкового шва

Сварные балки

Расчет прочности сварного стыкового шва стенки

где, - нормальные напряжения в сварном шве от изгибающего момента Кн/кв. см.

- касательные напряжения в сварном стыковом шве от действия поперечной силы, Кн/кв. см

- расчетное сопротивление сварного соединения, Кн/кв. см

Полученный результат сравнить с источником: Блинов А. Н. Проектирование сварных конструкций, стр. 41

Исходные данные

= 14,2 Кн/кв. см

= 0,62 Кн/кв. см

= 34,69

Результат расчета

= 14,241 Кн/кв. см

= 39,894

Размещено на Allbest.ru

...