Помощь студентам в учебе
Исследование влияния фланцевого стыка балок на закономерности распределения локальных напряжений в стенке при действии статических и подвижных нагрузок
|
ВВЕДЕНИЕ 5
1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ 6
1.1. Обзор работ, посвященных влиянию поперечных ребер на напряженное состояние стенки балки 7
1.2. Основные факторы, влияющие на напряженное состояние стенки при устройстве ребер жесткости 11
1.2.1. Влияние размеров скоса ребер жесткости 11
1.2.2. Влияние площади и длины поперечного сечения ребра жесткости 13
1.2.3. Влияние изгибной жесткости пояса 14
1.2.4. Влияние статического момента полки 16
1.2.5. Влияние расстояния от ребра жесткости до сосредоточенной силы 16
1.3. Обзор работ, посвященных изучению напряженного состояния стенки подкрановой балки методом конечных элементов с помощью программного комплекса Лира-САПР 18
1.4. Общее состояние вопроса изученности фланцевого соединения 26
1.5. Высокопрочные болты. Стали, применяемые для изготовления фланцев 30
1.6. Выводы по разделу 33
2. РАСЧЕТНАЯ ЧАСТЬ ИССЛЕДОВАНИЯ С ПРИМЕНЕНИЕМ ПК ЛИРА-САПР 35
2.1. Исследование влияния фланцевого стыка на закономерности распределения
локальных напряжений в стенке при действии статических нагрузок 35
2.1.1. Создание расчетной схемы 35
2.1.2. Связи 39
2.1.3. Приложение нагрузки 39
2.1.4. Проверка пригодности использования расчетной схемы для исследования 40
2.1.5. Эпюры локальных напряжений 42
2.1.6. Анализ результатов 47
2.2. Исследование влияния толщины фланца на локальные напряжения в стенке 50
2.3. Выводы по результатам исследования с применением ПК Лира 52
3. РАСЧЕТНАЯ ЧАСТЬ ИССЛЕДОВАНИЯ С ПРИМЕНЕНИЕМ ПК ANSYS 53
3.1. Исследование влияния фланцевого стыка на закономерности распределения
локальных напряжений в стенке при действии статических нагрузок 53
3.1.1. Моделирование балки с фланцевым стыком 53
3.1.2. Задание характеристик материала расчетной модели в ПК «ANSYS 2020 R1» 56
3.1.3. Моделирование контакта фланцев и высокопрочных болтов 56
3.1.4. Задание нагрузки, предварительного натяжения, закрепление модели связями, создание сетки конечных элементов 59
3.1.5. Эпюры локальных напряжений 61
3.1.6. Анализ результатов 67
3.2. Исследование влияния толщины фланца на локальные напряжения в стенке 70
3.3. Сравнение результатов, полученных в ПК Лира и ПК Ansys 71
3.3.1. Сравнение результатов, полученных в ПК Лира и ПК Ansys при анализе напряженного состояния стенки балки при действии статических нагрузок 71
4. ВЫВОДЫ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ ИССЛЕДОВАНИЯ 74
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 76
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 77
1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ 6
1.1. Обзор работ, посвященных влиянию поперечных ребер на напряженное состояние стенки балки 7
1.2. Основные факторы, влияющие на напряженное состояние стенки при устройстве ребер жесткости 11
1.2.1. Влияние размеров скоса ребер жесткости 11
1.2.2. Влияние площади и длины поперечного сечения ребра жесткости 13
1.2.3. Влияние изгибной жесткости пояса 14
1.2.4. Влияние статического момента полки 16
1.2.5. Влияние расстояния от ребра жесткости до сосредоточенной силы 16
1.3. Обзор работ, посвященных изучению напряженного состояния стенки подкрановой балки методом конечных элементов с помощью программного комплекса Лира-САПР 18
1.4. Общее состояние вопроса изученности фланцевого соединения 26
1.5. Высокопрочные болты. Стали, применяемые для изготовления фланцев 30
1.6. Выводы по разделу 33
2. РАСЧЕТНАЯ ЧАСТЬ ИССЛЕДОВАНИЯ С ПРИМЕНЕНИЕМ ПК ЛИРА-САПР 35
2.1. Исследование влияния фланцевого стыка на закономерности распределения
локальных напряжений в стенке при действии статических нагрузок 35
2.1.1. Создание расчетной схемы 35
2.1.2. Связи 39
2.1.3. Приложение нагрузки 39
2.1.4. Проверка пригодности использования расчетной схемы для исследования 40
2.1.5. Эпюры локальных напряжений 42
2.1.6. Анализ результатов 47
2.2. Исследование влияния толщины фланца на локальные напряжения в стенке 50
2.3. Выводы по результатам исследования с применением ПК Лира 52
3. РАСЧЕТНАЯ ЧАСТЬ ИССЛЕДОВАНИЯ С ПРИМЕНЕНИЕМ ПК ANSYS 53
3.1. Исследование влияния фланцевого стыка на закономерности распределения
локальных напряжений в стенке при действии статических нагрузок 53
3.1.1. Моделирование балки с фланцевым стыком 53
3.1.2. Задание характеристик материала расчетной модели в ПК «ANSYS 2020 R1» 56
3.1.3. Моделирование контакта фланцев и высокопрочных болтов 56
3.1.4. Задание нагрузки, предварительного натяжения, закрепление модели связями, создание сетки конечных элементов 59
3.1.5. Эпюры локальных напряжений 61
3.1.6. Анализ результатов 67
3.2. Исследование влияния толщины фланца на локальные напряжения в стенке 70
3.3. Сравнение результатов, полученных в ПК Лира и ПК Ansys 71
3.3.1. Сравнение результатов, полученных в ПК Лира и ПК Ansys при анализе напряженного состояния стенки балки при действии статических нагрузок 71
4. ВЫВОДЫ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ ИССЛЕДОВАНИЯ 74
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 76
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 77
Актуальность темы. Устройство монтажных стыков неизбежно при проектировании длинномерных металлических балок. Конструктивно монтажные стыки выполняются сварными или болтовыми. Сварные стыки требуют высокой квалификации сварщика и качества изготовления, что в условиях строительной площадки усложняет выполнение контроля качества физическими методами. Особенно это важно для конструкций, воспринимающих подвижные или динамические нагрузки. Поэтому в подкрановых балках монтажные стыки выполняют чаще всего фрикционными с использованием высокопрочных болтов. Кроме того, в балках находят применение фланцевые соединения. Однако они используются, в основном, при действии статических нагрузок. Фланцевые соединения, по сравнению с фрикционными, являются малоэлементными, что упрощает их выполнение и контроль качества. В то же время, применительно к подкрановым балкам, не изучены закономерности распределения локальных напряжений в стенке балки в зоне фланцевого стыка, т.е. совместность работы сварного соединения стенки и фланца. Эта зона характеризуется сложным напряжённым состоянием. Отсутствие исследований тормозит применение фланцевых стыков в изгибаемых элементах, воспринимающих подвижные нагрузки.
Известно, что в подкрановых балках усталостные трещины появляются на участках верхней зоны стенок при действии подвижной нагрузки от колес мостовых кранов. В верхней зоне стенки балки напряжения возникают от следующих усилий:
- от усилий, возникающих при общем изгибе балки;
- от местного сжатия стенки балки, возникающего при сосредоточенном вертикальном давлении, приложенном центрально по отношению к оси стенки и передающегося от колес мостового крана через рельс;
- от местного кручения верхнего пояса балки, возникающего от сосредоточенного крутящего момента при внецентренно приложенном сосредоточенном давлении колес мостового крана, и от горизонтальных сил, которые приложены к рельсу.
Перечисленные выше усилия на подкрановые балки действуют совместно, что и приводит к созданию в стенке балки сложного напряженного состояния.
Локальные напряжения в стенке подкрановой балки от кручения верхнего пояса и сосредоточенного давления возможно определить исключительно с помощью методов теории упругости. Методы вычисления напряжений для решения практических задач обязательно должны отвечать как минимум двум условиям: обладать достаточной степенью точности и, вместе с тем, быть удобными в применении. Несмотря на это, к настоящему моменту не найдены надежные методы определения напряжений от местного кручения и сосредоточенного давления, отвечающие данным условиям.
Таким образом, данная работа посвящена действительно актуальной теме - изучению влияния фланцевого стыка балок на закономерности распределения локальных напряжений в стенке при действии статических и подвижных нагрузок.
Цель работы - исследовать закономерности распределения локальных напряжений в стенке в области фланцевого стыка.
Задачи работы:
•провести анализ существующей отечественной и зарубежной литературы на
предмет изученности поставленного вопроса;
•выполнить разработку расчетной модели исследуемой конструкции с
помощью программного комплекса Лира-САПР;
•выполнить разработку расчетной модели исследуемой конструкции с
помощью программного комплекса ANSYS;
•сделать выводы о влиянии устройства фланцевого соединения на распределение локальных напряжений в стенке балки на основе сравнения данных, полученных посредством программных комплексов.
Известно, что в подкрановых балках усталостные трещины появляются на участках верхней зоны стенок при действии подвижной нагрузки от колес мостовых кранов. В верхней зоне стенки балки напряжения возникают от следующих усилий:
- от усилий, возникающих при общем изгибе балки;
- от местного сжатия стенки балки, возникающего при сосредоточенном вертикальном давлении, приложенном центрально по отношению к оси стенки и передающегося от колес мостового крана через рельс;
- от местного кручения верхнего пояса балки, возникающего от сосредоточенного крутящего момента при внецентренно приложенном сосредоточенном давлении колес мостового крана, и от горизонтальных сил, которые приложены к рельсу.
Перечисленные выше усилия на подкрановые балки действуют совместно, что и приводит к созданию в стенке балки сложного напряженного состояния.
Локальные напряжения в стенке подкрановой балки от кручения верхнего пояса и сосредоточенного давления возможно определить исключительно с помощью методов теории упругости. Методы вычисления напряжений для решения практических задач обязательно должны отвечать как минимум двум условиям: обладать достаточной степенью точности и, вместе с тем, быть удобными в применении. Несмотря на это, к настоящему моменту не найдены надежные методы определения напряжений от местного кручения и сосредоточенного давления, отвечающие данным условиям.
Таким образом, данная работа посвящена действительно актуальной теме - изучению влияния фланцевого стыка балок на закономерности распределения локальных напряжений в стенке при действии статических и подвижных нагрузок.
Цель работы - исследовать закономерности распределения локальных напряжений в стенке в области фланцевого стыка.
Задачи работы:
•провести анализ существующей отечественной и зарубежной литературы на
предмет изученности поставленного вопроса;
•выполнить разработку расчетной модели исследуемой конструкции с
помощью программного комплекса Лира-САПР;
•выполнить разработку расчетной модели исследуемой конструкции с
помощью программного комплекса ANSYS;
•сделать выводы о влиянии устройства фланцевого соединения на распределение локальных напряжений в стенке балки на основе сравнения данных, полученных посредством программных комплексов.
В данной работе проведено исследование напряженного состояния стенки двутавровой балки с монтажным фланцевым стыком от статических нагрузок. Выполнен анализ отечественной и зарубежной литературы на предмет изученности данного вопроса. Было выявлено, что фактически на сегодняшний день отсутствуют закономерности, которые бы описывали напряженное состояние стенки балки в области фланцевого стыка при действии статических нагрузок.
С целью подробного изучения поставленного вопроса была создана расчетная схема, в которой исследуемая конструкция балки исследовалась на действие статических загрузок.
Для более полного понимания картины напряженного состояния в стенке балки расчетная схема создавалась сразу в двух программных комплексах - ПК «ЛИРА-Сапр» и ПК «ANSYS», для последующего сравнения и анализа результатов.
Также в работе получена зависимость между распределением локальных напряжений в стенке балки и толщиной фланцевого соединения.
В результате были получены работающие расчетные модели балок с фланцевым соединением, что подтверждают одинаковые закономерности распределения локальных напряжений в стенке при анализе в ПК «ЛИРА-Сапр» и ПК «ANSYS». Полученные модели могут быть использованы на практике для совершенства методов расчета данных конструкций с целью повышения их надежности и долговечности. Кроме того, расчетные модели можно далее уточнять, проводя экспериментальные испытания, тем самым делая их работу более достоверной.
С целью подробного изучения поставленного вопроса была создана расчетная схема, в которой исследуемая конструкция балки исследовалась на действие статических загрузок.
Для более полного понимания картины напряженного состояния в стенке балки расчетная схема создавалась сразу в двух программных комплексах - ПК «ЛИРА-Сапр» и ПК «ANSYS», для последующего сравнения и анализа результатов.
Также в работе получена зависимость между распределением локальных напряжений в стенке балки и толщиной фланцевого соединения.
В результате были получены работающие расчетные модели балок с фланцевым соединением, что подтверждают одинаковые закономерности распределения локальных напряжений в стенке при анализе в ПК «ЛИРА-Сапр» и ПК «ANSYS». Полученные модели могут быть использованы на практике для совершенства методов расчета данных конструкций с целью повышения их надежности и долговечности. Кроме того, расчетные модели можно далее уточнять, проводя экспериментальные испытания, тем самым делая их работу более достоверной.