ВВЕДЕНИЕ 5
1 СОВРЕМЕННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ О ЗАМЕДЛЕННОМ ХРУПКОМ
РАЗРУШЕНИИ 7
1. 1 Особенности преждевременного разрушения 8
1.2 Методы оценки к склонности к замедленному разрушению 10
1.3 Факторы преждевременного разрушения 13
1.3.1 Химический состав 13
1.3.1.1 Углерод 14
1.3.1.2 Элементы, карбиды которых приводят к осадочному
упрочнению: молибден, ванадий, титан, ниобий, бор 14
1.3.1.3 Фосфор, сера и другие вредные примеси 17
1.3.2 Конструирование и производство 17
1.3.3 Монтаж и эксплуатация 20
1.4 Опыт повышения класса прочности высокопрочных болтов 21
1.5 Заключение 26
2 ПАРАМЕНТРИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ ФОРМЫ
ПЕРЕХОДА ОТ СТЕРЖНЯ К ГОЛОВКЕ БОЛТА НА КОНЦЕНТРАЦИЮ
НАПРЯЖЕНИЙ В ЭТОЙ ОБЛАСТИ 28
2.1 Выбор формы поверхности перехода от стержня к головке болта 29
2.2 Постановка задачи 33
2.3 Общая геометрия модели 34
2.4 Граничные условия, модель материала и настройки решения 41
2.5 Контакты 43
2.6 Параметризованные сетка конечных элементов и разбиение болта на
объемы 47
2.7 Настройки решения и анализ напряженно деформированного состояния
модели 56
2.8 Решение задачи сеточной сходимости и оценка ошибки 59
2.9 Задание границ изменения радиусов эллиптической дуги и анализ
результатов 62
3 ПОДМОДЕЛЬ ФЛАНЦЕВОГО СТЫКА СТАЛЬНОЙ ДЫМОВОЙ ТРУБЫ 96
3.1 Создание расчетной модели дымовой трубы 97
3.2 Создание подмодели фланцевого стыка 105
3.3 Построение подмодели с трехмерной геометрией болта и рассмотрение
результатов 110
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 116
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 117
Высокопрочные болты (ВПБ) нашли широкое применение в монтажных соединениях строительных металлоконструкциях, однако их эффективность во многом определяется пределом временного сопротивления, которое жестко ограничено отечественными нормами классом прочности 12.9 [1 т.2]
Дальнейшему повышению прочности препятствует инициированное водородной хрупкостью явление замедленного хрупкого разрушения (ЗХР) [2¬13].
Преодоление ЗХР становится серьезным вопросом, который нужно решать совершенствованием материала болта и всей цепочки технологий, необходимых для его изготовления, а также снижением концентрации напряжения через оптимизацию геометрии.
Цель данной работы: систематизировать факторы, влияющие на ЗХР ВПБ и усовершенствовать с точки зрения концентрации напряжений форму перехода от стрежня к головке болта
Задачи:
1) Сформулировать понятие и механизм протекания ЗХР
2) Сравнить методы оценки склонности к ЗХР
3) Изложить факторы замедленного разрушения ВПБ
4) Привести опыт повышения класса прочности ВПБ при условии ненаступления ЗХР
5) Выбрать усовершенствованную форму перехода от головки к стержню, которую рационально исследовать в данной работе
6) Выполнить конечно-элементное исследование влияния параметров улучшенного перехода между головкой и стрежнем болта на концентрацию напряжений в этой области
7) Смоделировать фланцевый стык металлической дымовой трубы с использованием ВПБ обычной и усовершенствованной форм, провести оценку предложенного скругления под головкой
Научная новизна: найдена зависимость коэффициента концентрации напряжений в переходе от стержня к головке болта от параметров эллиптического скругления, а также предложено рекомендуемые параметры скругления, позволяющие снизить концентрацию напряжений под головкой в среднем на 30%. Показано, что данный эффект понижения напряжений сохраняется при работе в конструкции на примере стальной дымовой трубы с высотой 120м. Применение данного решения скругления повысит прочность, надежность и предел выносливости строительных конструкций с данными высокопрочными болтам.
Краткое описание работы: приведено понятие ЗХР и механизм его протекания. Также проведено сравнение методов оценки склонности к замедленному разрушению. Описаны факторы замедленного хрупкого разрушения, показано противоречие современных российских стандартов по фактору покрытия болта. Кроме того, был представлен опыт повышения класса прочности высокопрочных болтов без наступления ЗХР. Для повышения сопротивления к замедленному разрушению был выбран фактор концентрации напряжений под головкой болта. На основании проанализированных существующих исследований в этой области подобрана эллиптическая форма скругления посчитано снижение концентрации напряжений в галтели в зависимости от ее параметров. На примере фланцевого стыка стыльной дымовой трубы было показано, что снижение напряжений сохраняется также и при работе в реальной конструкции.
Методика исследования: для определения напряжений под головкой болта применялись численные методы исследования, в частности пакет конечно - элементного анализа Ansys Workbench и его бесплатное расширение Windloadind для расчета ветровой нагрузки. Построение моделей проводилось посредством удаленного рабочего стола на суперкомпьютере СКИФ-Аврора Юургу, вычисления на вычислительном кластере суперкомпьютера Торнадо ЮУрГУ с использованием 12 ядер.
Были проанализированы явление замедленного хрупкого разрушения и его факторы. Особенное внимание в данной работе было уделено уменьшению значения одного из факторов - концентрации напряжений в галтели под головкой. Поставленной задачи удалось добиться за счет использования вместо стандартного перехода по окружности, скругление по эллиптической дуге, применяя которое можно увеличивать скругление в направлении неиспользуемой гладкой части стержня под головкой. При увеличении скругления таким образом всего лишь до значений от 3 до 4.6 мм, что показано в таблица 27, было достигнуто уменьшение концентрации в среднем на 30% для болтов диаметрами от М16 до М36. Также по результатам раздела 3, было выявлено, что снижение напряжений при использовании данной геометрии сохраняется и в условиях работы высокопрочного болта в конструкции на примере стальной сборной дымовой трубы высотой 120м
Таким образом, применение эллиптического скругления снижает концентрацию напряжений в галтели под головкой в среднем на 30%, которое повысит прочность, надежность и предел выносливости строительных конструкций на высокопрочных болтах с данным скруглением, что является успешным конструкторским достижением.
