автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.05, диссертация на тему:Влияние местного изгиба стержней на долговечность ферменных крановых металлических конструкций

РГБ ОД

На правах рукописи

Кой Бун Тхон

ВЛИЯНИЕ МЕСТНОГО ИЗГИБА СТЕРЖНЕЙ НА ДОЛГОВЕЧНОСТЬ ФЕРМЕННЫХ КРАНОВЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЙ

Специальность 05.05.05. «Подъемно-транспортные машины»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург ' 2000 г.

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном техническом университете

Научный руководитель:

- доктор технических наук, профессор Соколов С. А.

Официальные оппоненты:

- доктор технических наук, профессор Бардышев O.A.

- кандидат технических наук, доцент Карпов В.В.

Ведущее предприятие АО «Подъемтрансмаш» (г. Санкт-Петербург)

Защита состоится_2000 года в часов на заседании диссертационно!

совета Д 063.38.20 при Санкт-Петербургском государственном техническом университете г адресу: 195251 г. Санкт-Петербург, ул. Политехническая, д. 29, корп. 1, ауд. 41.

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке СПбГТУ.

Ваши отзывы на автореферат в 2 экз., заверенные печатью, просим направлять в дис сертационный совет университета.

Автореферат разослан "_"_2000 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 063.38.20 Кандидат технических наук, доцент Смирнов В. Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Грузоподъемные машины являются основным редством механизации перегрузочных работ во многих отраслях хозяйства, оэтому их надежности уделяется большое внимание. Показатели надежности рузоподъемных машин в значительной степени зависят от прочности и долго-гчности несущих конструкций, которые бывают листовые (балки, рамы), фер-енные и смешенного типа (балочно-ферменные). В большинстве современных ашин чаще используются листовые конструкции, однако, ферменные конст-укции в ряде случаев имеют определенные преимущества перед ними, важ-ейшим из которых является меньшая масса для конструкций больших проле-)в и малонагр уженных. Поэтому до сих пор они применяются в башенных, озловых, стреловых и других кранах. К наиболее существенным недостаткам гах конструкций относятся высокая трудоемкость изготовления, сложность втоматизации производства, низкое сопротивление усталостному и хрупкому овреждениям. Из-за этого ферменные конструкции, как правило, не применятся для кранов тяжелого режима работы. Однако проблема прогнозирования олговечности конструкции возникают и для машин, эксплуатируемых в усло-иях легкого и среднего режимов. Это подтверждается тем, что и в них при об-тедовании зачастую обнаруживаются усталостные трещины.

Проблема прогнозирования долговечности крановых конструкций возни-зет в двух случаях. Во первых, это проверка на сопротивление усталости на гадии проектирования, например, для кранов групп режима работы 4К - 6К. ри этом расчет ведется по проектным характеристикам конструкции. Второй тучай имеет место при оценке остаточного ресурса конструкции с целью ре-¡ения вопроса о возможности дальнейшей эксплуатации кранов с истекшим юком службы. На этой стадии расчет должен проводиться с учетом фактиче-

ского технического состояния конструкции, то есть накопленных повреждение и качества изготовления.

Применительно к ферменным конструкциям последнее обстоятельстве требует учета таких факторов, как нецентральность соединения стержней в уз ле, которая возникает в результате погрешности изготовления или как следст вие определенного конструктивного решения, а также искривленность стерж ней, которая также может быть дефектом изготовления или следствием повре ждений полученных в процессе эксплуатации. Указанные факторы приводят ] возрастанию местного изгиба стержней, который не учитывается в традицион ных инженерных расчетах, но снижает долговечность конструкции.

Настоящая работа посвящена совершенствованию методов расчета фер менных конструкций и включает разработку инженерных методик определени; параметров местного изгиба в стержнях ферм, возникающего по различны причинам, и оценке его влияния на сопротивление усталости и трещиностой кость ферменных конструкций. Полученные результаты дают возможност] предложить способы повышения долговечности ферм и обосновать нормы до пустимых технологических и эксплуатационных дефектов.

Целью диссертации является методика прогнозирования параметров ме стного изгиба стержней ферм, возникающего в результате жесткости узлов I несовершенства формы элементов, а также оценка прочности и долговечност] конструкций с учетом данного фактора. Решение данной проблемы направлен! на повышение достоверности прогнозирования долговечности и сопротивление хрупкому разрушению крановых ферменных конструкций.

На защиту выносятся следующие результаты, полученные лично авто ром и обладающие научной новизной:

Приближенная аналитическая методика расчета коэффициентов местного изгиба стержней, возникающего вследствие эксцентричности их соединения в узле.

Приближенная аналитическая методика расчета коэффициентов местного изгиба стержней, возникающего в результате непрямолинейности их формы и жесткости узлов.

Результаты численного исследования МКЭ местных изгибных напряжений в стержнях ферм с различными схемами решеток, профилями сечений, при различных видах нагружения, и выводы о зависимости местного изгиба от основных параметров фермы и характеристик геометрических' несовершенств.

Методика и результаты оценки влияния местного изгиба в стержнях ферм на их долговечность и трещиностойкость.

Практическая ценность работы состоит в предложенных приближен-' ых инженерных методах оценки местных изгибных напряжений в стержнях ерменных конструкций конкретных типов, методах учета влияния местного ¡гиба при определении пределов выносливости элементов ферм, а также ре-жендациях по нормированию эксцентриситетов соединения стержней в узлах позиции обеспечения долговечности ферм.

Достоверность научных положений и выводов диссертационной рабо-.1 базируется на использовании современных методах численного анализа на-эяженно-деформированного состояния стержневых конструкций, проверен-лх программных продуктов и результатах сопоставления с эксперименталь->ши данными, полученными на сварных металлических моделях.

Публикации. Основные результаты работы опубликованы в двух статьях тора.

Структура диссертации. Работа состоит из ведения, четырех глав, за юлочения, списка литературы из 74 наименований. Она содержит 137 странш текста.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цели ] задачи, кратко изложены основные идеи, заложенные в диссертации.

В первой главе диссертации дается критический анализ существующи; методов расчета ферменных конструкций и обзор результатов известных ис следований по прочности и долговечности элементов ферм. Рассмотрены при чины возникновения местных изгибных напряжений в стержнях ферм, которы ми являются несовершенства формы конструкции, эксцентриситеты их соеди нения в узлах и искривления, возникающие как на стадии изготовления, так и 1 процессе эксплуатации. Отмечается, что в инженерной практике используютс: традиционные методы расчета, которые не позволяют аналитически определит уровень местных изгибных напряжений в стержнях и учесть его при оценк долговечности конструкции. Приближенный метод определения местных изги бающих моментов в стержнях ферм предложен в работах Гохберга М.М. Пол ная оценка напряженно-деформированного состояния элементов конструкцш может быть получена методом конечных элементов (МКЭ), но он дает тольк< конкретное численное решение и не позволяет обосновать общие инженерньк рекомендации по допустимым эксцентриситетам узлов, значениям предельны: искривлений стержней и пр. Для этого необходимо иметь аналитическую мето дику приближенного определения местных изгибных напряжений в стержня; ферм.

В главе дается краткий обзор конструкций крановых ферм, приводят^ нормативные ограничения на отклонения формы и размеров, анализируюто

)вреждения ферм, возникающие в процессе эксплуатации. Формулируются эти и задачи настоящей работы.

Вторая глава посвящена исследованию местного изгиба стержней ферм, сникающего в результате их жесткого соединения в узле и наличия эксцен-тситетов (рис.1). В качестве основной характеристики местного изгиба при-гг коэффициент местного изгиба (КМИ), который вычисляется как отношение -хтиых растягивающих изгибных напряжений (ом) в стержне к напряжениям 1стяжения-сжатия (а^), возникающим от продольного усилия (Б), то есть

Су =

М А 5 ]¥

0)

т,есь М - местный изгибающий, момент в расчетном сечении; А - площадь се-:ния стержня; XV - момент сопротивления сечения стержня, вычисленный для о растянутой стороны.

Методика расчета КМИ построена по следующей схеме. На первом этапе по шарнирной схеме с центральным соединением стержней в узле определяются углы поворота стержней при нагружении фермы. На втором - предполагается, жесткое соединение стержней в узле и ме-)дом перемещений, находятся изгибающие моменты в стержнях, возникаю-;ие при реализации ранее найденных углов. Вывод необходимых формул по анной схеме выполнен применительно к фермам с раскосной и треугольной гшетками (рис.2). Предложенная схема решения применима и для ферм друге конфигураций.

Рис.1

Для треугольных трубчатых ферм (рис.2,а) предложен упрощенный вариант методики расчета КМИ. Согласно этой методике КМИ в поясе может бьгп приближенно определен по формуле

0,8 к е

с «зрл _

/са ~ 2 Ц,2>е(1/Л+1)Г

а в раскосе как

=

З£>3 ХЛ IР. И+И (Вг

-+ -

4 ОсИ1с\Ру 2к {/), *

Л )

4 Не

а с

(2)

(3)

Рис.2.

Здесь 1)с, 1а Од и - диаметр и толщина стенок, соответственно, поясов и раскосов.

Для численного исследования МКЭ использовались модели плоских и пространственных фермы с параллельными поясами, треугольной и раскосной решетками (рис.2). Сечения стержней были трубчатого и уголкового профиля различных размеров. Рассматривались треугольные фермы со стойками и без них. На основании расчетов были построены многочисленные графики зависимости КМИ от эксцентриситета соединения стержней в узле (рис.3).

-100 -50

Рис.3

На основании предложенной методики и результатов численного экспе-имента МКЭ сделаны следующие выводы:

а) Результаты расчета КМИ по предлагаемой методике дают погрешность о отношению к расчетам МКЭ не превышающую 0,1 - 0,15, что вполне прием-емо для инженерных оценок.

бТПри одинаковых условиях нагружения коэффициенты местного изгиба раскосах (См) могут достигать больших значений, чем в поясах (С^).

в) Коэффициент местного изгиба для пояса не зависит от продольного на-ружения фермы (усилие Рх, рис.2,а), а для раскоса зависит от соотношения

У, •

г) При точной центровке стержней в узле, т.е. при е = 0, коэффициент ме-гного изгиба в стержнях не равен нулю и, например, для пояса приблизитель-

£ Гса =1>5~

о равен ^ /са

И

д) Влияние эксцентриситета на коэффициент местного изгиба, как в поя-е, так и в раскосе оказывается тем больше, чем больше диаметр труб и меньше оперечные размеры фермы. Чем ближе находится рассчитываемый участок

7

пояса к нагруженному концу фермы (нагруженному внешней силой или опор ной реакцией), тем больше влияние эксцентриситета на значение коэффициент; местного изгиба.

С(

1.4 1.2 1

0.8 Об 0.4 0.2 0

е = 0

I ■

Щ » в ... +

"'-ж *

Г ~ " 1=3:;: в

е = -100пиг к = +100 тп 1

X "

1.05 1.1 1.15 1.2 1.25 1.3

Рис.4

2? О!

е) При характерных соотно шениях размеров фермы коэффи циент местного изгиба для пояс; достигает минимума при положи тельных значениях эксцентрисите та, а минимальный уровень мест ного изгиба в раскосах получаете! при отрицательных эксцентриси тетах.

ж) Увеличение диаметр;

труб, использованных для поясов и стержней, при неизменных общих размера? фермы, приводит к увеличению коэффициента местного изгиба при централь ном соединении стержней в узле (е = 0). При наличии существенного эксцентриситета в узле с увеличением диаметра труб коэффициент местного изгиб; понижается (рис.4, кривая 1 построена по приближенному решению для е = 0).

В третьей главе изложены результаты исследования местного изгиб; стержней ферм, возникающего в результате их непрямолинейноста. Предложена аналитическая методика вычисления КМИ в искривленных стержнях, конфигурация которых может быть аппроксимирована выражением вида (рис.5)

у{х) =

1 ~ СОБ

2к

х-Ах

при х <А{, при А1 <х <А; при А <х.

(4)

В результате решения задачи о растяжении искривленного стержня с уп-угими защемлениями концов получено выражение для изгибающего момента произвольном сечения

35 у „а

М(х)=5у(л)н

1-4(1+зс/1Х1+зг/2)

Я{х)

(5)

) =-0,5 а - р + 2(1 - 0,5 а - р) (1 + 3 (72) +

И/

й1 = [-1 + а + 2р + 2(0,5а + р)(1+ЗС/1)-2(1-0,5а-р)(1 + 3[/2)} А А

де а = —, Р = —, ТДь и^ - коэффициенты относительной податливости за-1'-! 1-1

реплений концов стержня. Если стержень расположен между двумя одинако-

J

ы ми узлами, то II1 = 1]г

т

г

. Здесь суммирование по г производится по

сем стержням, сходящимся в узле, кроме рассчитываемого искривленного тержня../, и и - момент инерции и длина ¿-того стержня; J иЬ - момент инерции и длина искривленного стержня. Коэффициент у целесообразно принимать равным 3,5.

8 тт

Для проверки предложенной методики проведены численные исследования напряженного остояния искривленных стержней ферм МКЭ. Расчеты проводились на пло-ких и пространственных моделях, описанных в главе 2, с различными искрив-ениями поясов и раскосов, расположенными как в плоскости фермы, так и вы-одящими из нее. Результаты представлены в виде эгпор распределения КМИ ю длине стержня (рис.6).

Рис.5.

В той же главе представлены результаты комплексной проверки аналити ческих методик расчета КМИ, при наличии и эксцентриситета, и непрямоли нейности стержней. Исследования проводились на моделях плоской и про странственной ферм с искривленными стержнями и эксцентриситетом соеди нения их в одном из узлов е = 20 мм.

Представленные результаты расчетов показывают, что предлагаемые ме тодики правильно описывает распределение местного изгиба по длине стержш (рис.6) и позволяет с удовлетворительной точностью определить коэффициен" местного изгиба, возникающего как при наличии искривлений стержней, так I эксцентриситетов их соединения. Они дают достаточно надежные результата для пространственных ферм, а также плоских ферм в тех случаях, когда ис кривление располагается в плоскости фермы. При этом погрешность оцени максимального значения коэффициента местного изгиба в пределах искривлен ного участка не превышает 15%, а в зонах примыкания к узлам, где уровень из гибных напряжений не велик, достигает 30-40%. Если же стрелка искривлени; не лежит в плоскости расположения плоской фермы, то возникают изгибающие моменты, вызывающие ее общий изгиб в поперечном направлении. При это*

э грешность аналитической методики получается выше. Однако в машино-гроительных конструкциях плоские фермы обычно не используются, поэтому ишое обстоятельство не снижает пригодности методики для инженерных риложений.

В четвертой главе представлены материалы по оценке влияния местных згибных напряжений на долговечность ферменных конструкций при цикличе-<ом нагружении, а также на сопротивление их хрупкому разрушению. Как уже гмечалось, методика оценки КМИ необходима для того, чтобы учитывать анный фактор при прогнозировании долговечности конструкций и сопротив-гния их хрупкому разрушению.

Основные положения методов расчета сварных конструкций на сопро-геление усталости заложены в работах С.В.Серенсена, М.М.Гохберга, .Л.Вершинского, В.И.Труфякова, В.А.Винокурова, В.Н.Юшкевича, В.А.Ряхи-и, Е.НаЛасЬ, D.Radaj, С.М.Бошшо и др.

Сопоставление, взятых из литературных источников, результатов устало-гпых испытаний ферм с результатами аналогичных испытаний образцов, мо-глнрующих конфигурацию ферменных сварных узлов, показывает, что преде-ы выносливости узлов ферм получаются на 10 - 35% ниже, чем образцов. Это ритом, что испытывавшиеся фермы имели минимальный эксцентриситет и рактически прямолинейные стержни. Указанный эффект в основном связан с тиянием двух факторов: а) большей концентрацией напряжений около окон-ший косынок, которая вызывается усилиями, приложенными от раскосов к эсынкам в фермы, отсутствующими в образце; б) более значительным мест-ым изгибом стержней ферм по сравнению с пульсаторными образцами. Дан-эе обстоятельство в определенной степени учтено в нормативных методиках ^значения усталостных характеристик сварных узлов путем некоторого синения их значений по сравнению с полученными на образцах. Следует иметь в

виду, что испытания образцов во много раз дешевле, чем испытания ферменных конструкций, поэтому целесообразно иметь методику, которая позволяет корректировать значения пределов выносливости, полученных на образцах с учетом указанных выше факторов. Однако в литературе нет методики, позволяющей учесть в расчете фактический уровень местного изгиба стержней, который зависит от конструкции, качества изг отовления и технического состояния фермы (см. гл. 2 и 3). Для решения этой задачи предлагается предел выносливости (О-цг с/) Л™ места присоединения стержня к узлу определять с учетом коэффициента влияния местного изгиба (Яс), то есть

Здесь - значение предела выносливости, полученное в результате испытания сварных образцов соответствующей конфигурации на пульсаторе. График этого коэффициента в зависимости от значения КМИ показан на рис.7 (кривая

Использование выражения (6) и предложенных в главе 2 аналитических зависимостей для вычисления КМИ для трубчатых треугольных ферм позволило обосновать предельные значения эксцентриситетов, при которых не требуется учитывать в расчете на сопротивление усталости влияние местного изгиба. Так установлено, что при выполнении условия - 0,5 Вс1 < е < +1,2 (здесь Ц- -диаметр раскоса), коэффициент местного изгиба в поясе в основном не превышает тех значений, которые имеют место в пульсаторных образцах, и, следовательно, может не учитываться в расчетах на сопротивление усталости. Аналогичное условие для раскоса имеет вид -0,7^<е<0. Вышеприведенное условие, полученное для пояса, близко к тому, которое установлено в стандарте отрасли, а ограничение эксцентриситета для раскоса оказалось существенно жестче. Таким образом, выполнение требований стандарта удовлетворительно

(6)

О-

5еспечивает ограничение местного изгиба в приемлемых рамках для поясов, э может приводить к возникновению значительного изгиба в раскосах.

В процессе эксплуатации кранов в результате дефектов изготовления, наущения условий эксплуатации или как следствие ошибок, допущенных при роектировании, в элементах несущих конструкций могут возникать трещины.

Для того чтобы такое повреждение

0.8

Р(со о.б

С (СО о.4 0.2 0

1

/ г

0.5

1

С*

1.5

Рис.7

не привело к катастрофическому результату, конструкция должна обладать определенным запасом трещи-ностойкости.

В тех случаях, когда возможно развитие хрупкой трещины в конструкции, то есть при ее использовании в условиях низких температур,

ри значительных толщинах элементов, при ударной нагрузке, условие неста-ильного развития трещины в терминах линейной механики разрушения запи-ывается как К1 <КС, где Кг и Кс - коэффициенты интенсивности напряжений, арактеризующие, соответственно, распределение напряжений в вершине тре-шны от действующих нагрузок и критическое его значение. Для стержня ермы, подверженного осевому нагружению и местному изгибу, действующий ээффициент интенсивности напряжений можно представить в виде суммы ко-})фициентов от растягивающего усилий и от местного изгиба, то есть

К, = К!$ + Кш = Уц а5 фш + 7м им фиг = стя ^¡па

1+сМ . 'г*

О)

з этого выражения получена формула для коэффициента влияния местного згиба на расчетную длину краевой критической трещины, равному отноше-ию длины трещины, вычисленной с учетом местного изгиба, (ак длине тре-

щины (ас) в стержне с уровнем местного изгиба, соответствующем условия? лабораторных испытаний,

На рис.7 показаны графики зависимости коэффициента влияния местнол изгиба (¡Зау ) от значения КМИ. Затененная область 2 соответствует значения»

размера трещин от минимального до половины поперечного сечения стержня.

Разработанные в настоящей диссертации методы определения местноп изгиба, возникающего в стержнях ферм в результате неточности изготовлени: и эксплуатационных повреждений, наиболее эффективны при оценке остаточ ного ресурса крановых конструкции, поскольку дают возможность учесть и; текущее техническое состояние и качество изготовления и, соответственно сформировать индивидуальный прогноз долговечности. В работе приводите; структура методики оценки остаточного ресурса ферменной конструкции, по строенной с использованием предложенных методик по определению значенш КМИ и его влияния на предел выносливости узлов ферм.

Данный подход был использован при оценке остаточного ресурса разли вочного мостового крана, работающего в цехе № 15 АО «Ижорские заводы» имеющего грузоподъемность 75/20 т, пролет 22,5 м с балочно-ферменной кон струкцией. Кран эксплуатируется с 1956 г. При обследовании конструкции кра на были определены ее геометрические характеристики и обнаружены искрив ления стержней и ряд усталостных повреждений. Расчеты, выполненные ш вышеприведенной методике, подтвердили, что ресурс конструкции по условик усталостного повреждения исчерпан, и обнаруженные трещины не являгото случайными.

(8)

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Настоящая диссертация посвящена совершенствованию методов расчета ■ерменных конструкций на сопротивление усталости и хрупкому разрушению. 1 результате проведенных исследований автором получены следующие основ-ые результаты.

1. Разработана приближенная аналитическая методика расчета коэффици-нтов местного изгиба стержней ферм, возникающего в результате эксцентрич-ости их соединения в узле. На ее основе получен упрощенный способ оценки араметров местного изгиба для треугольных трубчатых ферм с раскосами, на-лоленными под углом 45°, с помощью которого выявлены удобные для инже-ерного применения зависимости коэффициента местного изгиба от геометри-еских параметров фермы и условий ее загружения.

2. На основании предложенных аналитических решений обоснованы диа-азоны изменения эксцентриситета соединения стержней в узле фермы с тре-гольной решеткой, при которых местный изгиб стержней не превосходит оп-еделенного уровня, не требующего специального учета его в расчетах на со-ротивление усталости.

3. Разработана приближенная аналитическая методика расчета коэффици-нтов местного изгиба стержней, возникающего в результате непрямолинейно-ти их формы.

4. Выполнено численное исследование МКЭ местных изгибных напряже-ий в стержнях ферм с различными схемами решеток, профилями сечений, при азличных видах нагружения, содержащих эксцентриситеты узлов различного качения и искривления отдельных стержней. Сопоставление результатов рас-ета МКЭ с данными, полученными по предлагаемым методикам, и методу 1М.Гохберга показало, что метод М.М.Гохберга во всех случаях дает сущест-енную погрешность не в запас надежности, а предлагаемые методики позво-

ляют выполнить оценку местного изгиба с точностью, достаточной для инже нерных целей.

5. На основании сопоставления и анализа результатов усталостных испы таний моделей ферменных конструкций и пульсаторных образцов, модели рующих конфигурацию их узлов, показано, что специфические условия нагру жения узлов в ферменной конструкции приводят к тому, что сопротивление ус талости элементов ферм оказывается ниже, чем аналогичных по форме образ цов, подвергаемых осевому нагружению. Одним из факторов, определяющи: эту специфику, является местный изгиб стержней. Предложена методика кор ректировки значений пределов выносливости, полученных на пульсаторны; образцах, позволяющая учесть влияние местного изгиба стержней фермы.

6. Путем использования аппарата линейной механики разрушения оцене но влияние местного изгиба на длину критической трещины, которое оказалос! весьма значительным. Этот результат еще раз подтверждает тот факт, что ферменные конструкции обладают малой живучестью и трещиностойкостью.

Публикации по теме диссертации

1. Кой БунТхорн, Соколов С.А. Исследование местного изгиба в стер»; нях ферменных крановых конструкций. // Молодежная научная конференция (I рамках 26-ой Недели науки СПбГТУ). Материалы докладов. Ч. I. - СПб. СПбГТУ, 1998. - С. 147 - 148.

2. Кой БунТхорн, Соколов С.А. Исследования местного изгиба стержней ферм, возникающего в результате их искривления. // XXVII Неделя наук! СПбГТУ (7 - 12 дек. 1998 г.). Ч. II: Материалы межвузовской научной конференции (механико-машиностроительный факультет и факультет технологии и исследования материалов). - СПб.: Изд-во СПбГТУ, 1999. - С. 83 - 84.

ВВЕДЕНИЕ.

1. Состояние проблемы и пути ее решения.

1.1. Анализ опыта применения ферменных конструкций.

1.2. Существующие инженерные методы расчета ферм и их анализ.

1.3. Цели и задачи диссертационной работы.

2. Исследование местного изгиба в элементах ферменных конструкций, возникающего в результате нецентральности их соединения в узлах.

2.1. Методика аналитической оценки местных изгибных напряжений в стержнях ферм.

2.1.2. Расчет изгибных напряжений в раскосной ферме.

2.1.2. Расчет изгибных напряжений в ферме с треугольной решеткой.

2.1.3. Упрощенный вариант расчета коэффициента местного изгиба для треугольной трубчатой фермы.

2.2. Цели и методика исследования.

2.3. Исследование местного изгиба стержней, возникающего в результате эксцентриситета их соединения в узле.

2.3.1. Модели для исследования.

2.3.2. Результаты исследования местного изгиба.

2.3.2.1. Плоская ферма с треугольной решеткой типа 2Б-Т.

2.3.2.2. Пространственная ферма с треугольной решеткой типа ЗБ-Т.

2.3.2.3. Раскосная ферма типа 2В-Б- Б (1).

2.4. Экспериментальное исследование местного изгиба стержней ферм.

2.4.1. Результаты экспериментального определения коэффициента местного изгиба.

2.4.2. Расчетное определение коэффициентов местного изгиба.,

2.5. Анализ результатов исследования местных изгибных напряжений в стержнях ферм.

3. Исследование местного изгиба, возникающего в стержнях ферм в результате их непрямолинейности.

3.1. Предлагаемая методика расчета местных изгибных напряжений в искривленных стержнях.

3.2. Методика и программа исследования.

3.3. Результаты исследования местного изгиба стержней ферм.

3.3.1. Плоская ферма с треугольной решеткой типа 20-Т-0(1), искривление в плоскости Х2.

3.3.2. Плоская ферма с треугольной решеткой типа 20-Т-0, искривление стержней в плоскости ХУ.

3.3.3. Анализ результатов исследования плоской фермы.

3.4. Комплексная проверка аналитической методики расчета местного изгиба стержней ферм, возникающего в результате совместного влияния искривления стержня и эксцентриситета их соединения в узле.

3.4.1. Методика и программа исследования.

3.4.2. Результаты исследования местного изгиба стержней ферм.

3.4.3. Анализ полученных результатов.

Грузоподъемные машины являются основным средством механизации перегрузочных работ во многих отраслях хозяйства. Поэтому их надежности уделяется большое внимание. Показатели надежности грузоподъемной машины в значительной степени зависят от прочности и долговечности несущей конструкции.

Несущие конструкции грузоподъемных машин бывают трех видов: листовые (балки, рамы), ферменные и смешенного типа (балочно-ферменные). Тип конструкции выбирается на стадии проектирования в зависимости от условий эксплуатации машины, основных размеров конструкции (пролета, вылета), условий производства и пр. В настоящее время чаще используются листовые конструкции, однако ферменные конструкции в ряде случаев имеют определенные преимущества перед листовыми. Наиболее существенным из них является возможность обеспечения меньшей массы для конструкций больших пролетов и малонагруженных. Данное преимущество способствовало достаточно широкому применению этого вида конструкций в машиностроении и строительстве. С другой стороны фермы имеют целый ряд недостатков, в том числе, высокая трудоемкость изготовления, сложность автоматизации производства, низкое сопротивление усталостному и хрупкому повреждениям и др. Эти недостатки стали причиной того, что в течение последних десятилетий доля ферменных конструкций существенно сократилась. Однако и в настоящее время ферменные конструкции широко используются в башенных и козловых кранах, контейнерных и мостовых перегружателях, в ряде случаев изготавливаются ферменные стрелы самоходных гусеничных кранов и специальных стреловых кранов большой грузоподъемности и пр.

Важнейшим требованием к конструкциям всех типов являются прочность и долговечность. Большой вклад в развитие науки о работоспособности сварных конструкций внесли Н.С.Стрелецкий, С.В.Серенсен, М.М.Гохберг, В.А.Вершинский, В.И.Труфяков, В.А.Винокуров, В.И.Брауде, В.Н.Юшкевич,

АА.Зарецкий, В.А.Ряхин, А.И.Кикин и многие другие. Исследованию разнообразных аспектов прогнозирования прочности и долговечности конструкций, а также обеспечения их в процессе проектирования, изготовления и эксплуатации посвящены работы многих российских и зарубежных специалистов [4, 7,10,18,29,42,48,56,58 и др.].

Настоящая работа посвящена совершенствованию методов расчета ферменных конструкций. Как известно, фермы не рекомендуется применять в тех случаях, когда сооружение воспринимает интенсивные циклические нагрузки или работает в условиях низких температур. Это объясняется тем, что в узлах ферм имеет место весьма значительная неравномерность распределения напряжений, в результате чего их сопротивление усталостному и хрупкому разрушению оказывается существенно ниже, чем у листовых конструкций.

Неравномерность распределения напряжений по сечению элемента фермы связана не только с концентрацией напряжений и полями остаточных напряжений в зоне присоединения стержня к узлу, хотя эти обстоятельства имеют важнейшее значение, но и с местным изгибом стержней, который возникает в результате их жесткого соединения в узле, наличия эксцентриситета их соединения, непрямолинейности стержней. Перечисленные факторы приводят к возникновению изгибных напряжений, которые в определенных ситуациях могут даже превышать напряжения от осевого нагружения стержня.

Местный изгиб стержней не влияет на их несущую способность, если она определяется прочностью по условию вязкого разрушения (то есть для растянутых тонкостенных стержней при вязком состоянии материала). Однако в тех случаях, когда процесс повреждения не сопровождается значительными пластическими деформациями, как усталость или хрупкое разрушение, местный изгиб может оказывать существенное влияние на несущую способность и ресурс элемента конструкции. Кроме того, местный изгиб может приводить к снижению устойчивости сжатых стержней.

В существующих инженерных методиках проектных расчетов ферменных конструкций указанные факторы не учитываются. Данная работа посвящена разработке инженерных методов оценки местного изгиба в стержнях ферм, возникающего по различным причинам, и оценке его влияния на сопротивление усталости и трещиностойкость ферменных конструкций. Полученные результаты дают возможность предложить методы повышения долговечности ферм и обосновать нормы допустимых технологических и эксплуатационных дефектов.

В первой главе диссертации дается анализ существующих методов расчета ферменных конструкций и обзор результатов известных исследований по прочности и долговечности элементов ферм. Формулируются цели и задачи настоящей работы.

Во второй главе приводятся методика и результаты исследования местного изгиба стержней ферм, возникающего в результате их жесткого соединения в узле и наличия эксцентриситетов. Рассмотрены плоские и пространственные фермы при различных видах нагружения. Предлагается приближенная аналитическая методика расчета коэффициента местного изгиба стержней для наиболее типичных видов решеток. Приемлемость аналитической методики подтверждена сравнением с результатами расчета различных ферм методом конечных элементов, который принят в качестве точного решения, а также экспериментальными данными, полученными на сварной модели.

В третьей главе изложены результаты исследования местного изгиба стержней ферм, возникающего в результате их непрямолинейности, которая является дефектом изготовления или следствием повреждений полученных в процессе эксплуатации. Материал данной главы также содержит предложение по приближенному аналитическому определению коэффициента местного изгиба и результаты обширного исследования, выполненного методом конечных элементов. На основании сопоставления результатов расчета по двум методам сделан вывод о приемлемости предложенной методики для инженерных приложений.

В четвертой главе представлены материалы по оценке влияния местных изгибных напряжений на долговечность ферменных конструкций при циклическом нагружении, а также на сопротивление их хрупкому разрушению. Кроме того там даются рекомендации для инженерного применения полученных в диссертации результатов.

Целью диссертации является методика прогнозирования параметров местного изгиба стержней ферм, возникающего в результате жесткости узлов и несовершенства формы элементов, а также оценка прочности и долговечности конструкций с учетом данного фактора. Решение данной проблемы направлено на повышение достоверности прогнозирования долговечности и сопротивления хрупкому разрушению крановых ферменных конструкций.

На защиту выносятся следующие результаты полученные лично автором и обладающие научной новизной:

1. Приближенная аналитическая методика расчета коэффициентов местного изгиба стержней, возникающего в результате эксцентричности их соединения в узле.

2. Приближенная аналитическая методика расчета коэффициентов местного изгиба стержней, возникающего в результате непрямолинейности их формы и жесткости узлов.

3. Результаты численного исследования МЕСЭ местных изгибных напряжений в стержнях ферм с различными схемами решеток, профилями сечений, при различных видах нагружения, и выводы о зависимости местного изгиба от основных параметров фермы и характеристик геометрических несовершенств.

4. Методика и результаты оценки влияния местного изгиба в стержнях ферм на их долговечность и трещиностойкость.

Достоверность научных положений и выводов диссертационной работы базируется на использовании современных методах численного анализа напряженно-деформированного состояния стержневых конструкций, проверенных программных продуктов и результатах сопоставления с экспериментальными данными, полученными на сварных металлических моделях.

Практическая ценность работы состоит в предложенных инженерных методах оценки местных изгибных напряжений в стержнях ферменных конструкций, методах учета влияния местного изгиба при определении пределов выносливости элементов ферм, а также рекомендациях по нормированию эксцентриситетов соединения стержней в узлах с позиции обеспечения долговечности ферм.

Публикации. Основные результаты работы опубликованы в двух статьях автора.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Настоящая диссертация посвящена совершенствованию методов расчета ферменных конструкций на сопротивление усталости и хрупкому разрушению. Важнейшим достижением работы является введение в указанные расчеты влияния местного изгиба стержней, возникающего в следствие их жесткого соединения в узле и несовершенства формы конструкции. В диссертации автором получены следующие основные результаты.

1. Разработана приближенная аналитическая методика расчета коэффициентов местного изгиба стержней ферм, возникающего в результате эксцентричности их соединения в узле. На ее основе получен упрощенный способ оценки параметров местного изгиба для треугольных трубчатых ферм с раскосами, наклоненными под углом 45°, с помощью которого выявлены удобные для инженерного применения зависимости уровня местного изгиба от геометрических параметров фермы и условий ее загружения.

2. На основании предложенных аналитических решений обоснованы диапазоны изменения эксцентриситета соединения стержней в узле фермы с треугольной решеткой, при которых местный изгиб стержней не превосходит определенного уровня не требующего специального учета его в расчетах на сопротивление усталости.

3. Разработана приближенная аналитическая методика расчета коэффициентов местного изгиба стержней, возникающего в результате непрямолинейности их формы.

4. Выполнено численное исследование МКЭ местных изгибных напряжений в стержнях ферм с различными схемами решеток, профилями сечений, при различных видах нагружения, содержащих эксцентриситеты узлов различного значения и искривления отдельных стержней. Сопоставление результатов расчета МКЭ с данными, полученными по предлагаемым методикам и методу М.М.Гохберга показало, что метод М.М.Гохберга во всех случаях дает существенную погрешность не в запас надежности, а предлагаемые методики

-130позволяют выполнить оценку местного изгиба с точностью, достаточной для инженерных целей.

5. На основании сопоставления и анализа результатов усталостных испытаний моделей ферменных конструкций и пульсаторных образцов, моделирующих конфигурацию их узлов, показано, что специфические условия на-гружения узлов в ферменной конструкции приводят к тому, что сопротивление усталости элементов ферм оказывается ниже, чем аналогичных по форме образцов, подвергаемых осевому нагружению. Одним из факторов, определяющих эту специфику, является местный изгиб стержней. Предложена методика корректировки значений пределов выносливости, полученных на пульсаторных образцах, позволяющая учесть влияние местного изгиба стержней фермы.

6. Путем использования аппарата линейной механики разрушения оценено влияние местного изгиба на длину критической трещины, которое оказалось весьма значительным. Этот результат еще раз подтверждает тот факт, что ферменные конструкции обладают малой живучестью и трещиностойкостью.

7. Пример применения разработанной методики оценки параметров местного изгиба при оценке остаточного ресурса ферменной конструкции мостового крана подтвердил адекватность и приемлемость для инженерного использования предложенных зависимостей.

-131

1. Абрамович И.И., Березин В.Н., Яуре А.Г. Грузоподъемные краны промышленных предприятий. Справочник. -М.Машиностроение, 1989.-360с.

2. Багдади Ш.З., Ким Б.Ч., Соколов С.А. Исследование коэффициентов интенсивности напряжений в элементах крановых конструкций. Изв. ТулГУ, Серия Подъемно-транспортные машины и оборудование. Вып.2, Изд-во ТулГУ, Тула 1999, с.275-280.

3. Баранов H.A., Пясецкий В.В. Установка для исследования усталостной прочности узлов ферм//Заводская лаборатория.-1961.-№4.

4. Башенные краны./ Л.А.Невзоров, А.А.Зарецкий, Л.М.Волин и др. -М.: Машиностроение, 1979. -292с.

5. Бененсон И.И., Концевой Е.М. Повреждение металлоконструкций крановых мостов в эксплуатации и способы их устранения. Тр.ВНИИПТМАШ, -М. 1967, Nol(74), с.36-88.

6. Бирюлев В.В., Чернов И.Н. Стальные фермы с коробчатыми сечениями стержней, сваренных из прокатных уголков. / Изв. вузов, Сер. Стр-во и ар-хит. 1973, №4. С.8-14.

7. Болотин В.В. Прогнозирование ресурса машин и конструкций. -М.: Машиностроение, 1984. -312с.

8. Брауде В.И., Семенов Л.Н. Надежность подъемно-транспортных машин. -Л.: Машиностроение, 1986, -183с.

9. Броек Д. Основы механики разрушения. -М.: Высшая школа, 1980,368с.

10. Ю.Вершинский A.B. Технологичность и несущая способность крановых металлоконструкций. -М.: Машиностроение, 1984,167с.

11. Вершинский A.B., Гохберг М.М., Семенов В.П. Строительная механика и металлические конструкции. -Л.: Машиностроение. 1984. 231с.

12. Винокурский Х.А., Осипов Б.Г. Расчет машиностроительных металлоконструкций на переменные нагрузки. В сб. Исследование рабочих пара-132метров и совершенствование конструкций экскаваторов и дробилок, выпускаемых Уралмашзаводом. М. 1980, с. 10-49.

13. Выносливость сварных соединений низколегированных сталей/ В.И.Труфяков , Ю.А.Стеренбоген , Михеев П.П. и др.// Автоматическая сварка, 1966, № 11,с.1-6.

14. Гарф Э. Ф., Новиков В. И. Исследование прочности и разработка метода расчета узлов с примыканием к поясу одного элемента // Автоматическая сварка.-1968.-№ 4 (181).-с.31-35.

15. Гохберг М. М. Исследование усталостной прочности сварных соединений стальных труб // Тр. ЛПИ .- 1961.- № 216,- с.32-47.

16. Гохберг М.М. Металлические конструкции кранов. Расчет с учетом явлений усталости.-М.: Машгиз, 1959.-182с.

17. Гохберг М.М. Усталостная прочность элементов металлических конструкций/Яр. ЛПИ,- 1964.-№236.

18. Гохберг М.М. Металлические конструкции подъемно-транспортных машин. Изд. 3-е, доп. и перераб.-Л., Машиностроение (Ленингр.отд-ние), 1976 -456с.

19. Гохберг М.М., Рутман А.З. расчет на кручение пространственных решеток стрел//Тр. ЛПИ.-1971.-№321.

20. Диагностирование грузоподъемных машин./ В.И.Сероштан, Ю.С.Огарь, А.И.Головин и др. : Под ред. В.И.Сероштана и Ю.С.Огаря -М.: Машиностроение, 1992, 192с.

21. Ильянсевич С. И., Горпинченко В. М. Усталостная прочность узлов трубчатых сварных конструкций // Автоматическая сварка.-1970.-№8(209).- с. 32-36.

22. Ильясевич С.А., Горпинченко В.М., Смородинскии И.М. Исследование усталостной прочности сварных соединении трубчатых решетчатых конструкций башенных кранов//Строительные и дорожные машины .-1970. -№2.

23. Когаев В.П. Расчеты на прочность при напряжениях, переменных во времни. -М.: Машиностроение, 1977. с.232.

24. Коган И .Я. Строительные башенные краны,- 2-е изд. Перераб. И до,-М.: Изд-во Машиностроение, 1964.-379с.

25. Кой БунТхорн, Соколов С.А. Исследование местного изгиба в стержнях ферменных крановых конструкций. // Молодежная научная конференция ( в рамках 26-ой Недели науки СПбГТУ). Материалы докладов. Ч. I. СПб.: СПбГТУ, 1998. - С. 147 - 148.

26. Концевой Е.М., Розеншейн Б.М. Ремонт крановых металлоконструкций. М.: Машиностроение, 1979. -206с.

27. Копельман Л.А. Сопротивляемость сварных узлов хрупкому разрушению. Л.: Машиностроение, 1978, 232с.

28. Краны грузоподъемные промышленного назначения. Нормы и методы расчета элементов стальных конструкций. СТО 24.09-5821-01-93. ВНИ-ИПТМАШ-Подъемтранстехника. 1993.135с.

29. Круль К. Оценка работоспособности металлоконструкций строительных машин с дефектами. Автореф. дис. канд. техн. наук,- М., 1999.-46с.

30. Кудрявцев И.В., Наумченков Н.Е. Усталость сварных конструкций. -М.: Машиностроение,1976.-270с.-134

31. Ланг А.Г., Мазовер И.С., Майзель B.C. Портальные краны. -М. Изд-во Машгиз. 1962.

32. Лесьняк А.Г. Снижение веса кранных конструкций// Строительные и дорожные машины.-1967.-№3.

33. Лесьняк З.К. Вибрационные испытания поясов с приваренными косынками// Сварочное производство.-1960,- №11.

34. Макаров И.И. Вибрационная прочность сварных соединении тонкостенных труб. Сб. Прочность сварных конструкций.-М.-Л.:Машгиз.-1966.

35. Механика разрушения и прочность материалов: Справ.пособие: В 4-х т.,Т.2/Под общей ред. Панасюка В.В.- Киев: Наук.думка. 1988.-620с.

36. Новиков В.И., Ковтуненко В.А. Бесфасоночные узлы с примыканием двух трубчатых элементов// Автоматическая сварка.-1968.-№2.

37. Новиков В.П., Ковтуненко В.А., Шумицкий О.И. Прикрепление трубчатых элементов решетки к узловым фасонкам // Автоматическая сварка.-1959.-№ 4(73).-с.3-13.

38. Новиков В.И., Ковтуненко В.А., Шумицкий О.И. Прикрепление элементов трубчатого сечения непосредственно друг к другу // Автоматическая сварка.-1959.-№ 9(78).- с. 45-49.

39. Повышение долговечности металлических конструкций промышленных зданий/ А.И.Кикин, А.А.Васильев, Б.Н.Кошутин и др.; Под ред.А.И.Кикина. 2-е изд., перераб. и доп. -М.: Стройиздат, 1984. -301с.

40. Пособие по расчету элементов стальных конструкций грузоподъемных кранов (к СТО 24.09-5821-01-93). ВНИИПТМАШ. 1993.118с.

41. Пригоровский Н.И. Методы и средства определения полей деформаций и напряжений. Справочник. -М.: Машиностроение. 1983. -248с.

42. Проектирование металлических конструкций. Спец. курс. / В.В.Бирюлев, И.И.Кошин, И.И.Крылов, А.В.Сильвестров. Л.:Стройиздат, 1990. -432с.-135

43. Прочность сварных соединений при переменных нагрузках. АН УССР, ИЭС им.Е.О.Патона: Под ред.В.И.Труфякова.-Киев: Наукова думка. 1990.-256с.

44. Пустовой В.Н. Металлоконструкции грузоподъемных машин. Разрушение и прогнозирование остаточного ресурса. -М.: Транспорт, 1992. -256с.

45. Развитие металлических конструкций. Работы школы Н.С.Стрелецкого./ В.В.Кузнецов, Е.И.Беленя, Н.Н.Стрелецкий и др.; Под ред. В.В.Кузнецова; ЦНИИпроектсталь-конструкция и др. -М.: Стройиздат, 1987. -576с.

46. Расчет крановых конструкций методом конечных элементов/ В.Г.Пискунов, И.М.Бузун, А.С.Городецкий и др. -М. Машиностроение. 1991. -240с.

47. РД 09-102-95 Методические указания по определению остаточного ресурса потенциально опасных объектов, поднадзорных Госгортехнадзору России.

48. РД 10-112-2-97 Методические указания по обследованию грузоподъемных машин с истекшим сроком службы. Часть 2 Стреловые самоходные краны.

49. РД 10-112-5-97 Методические указания по обследованию грузоподъемных машин с истекшим сроком службы. Часть 5 Краны мостовые и козловые.

50. РД 50-551-85 Методические указания. Расчеты и испытания на прочность. Расчетно-экспериментальные методы оценки сопротивления усталости сварных соединений. Гос.ком.СССР по стандартам. Изд-во стандартов. М.1986.

51. Рекомендации по проектированию стальных ферм с поясами из широкополочных двутавров и решеткой из гнутосварных профилей./ ЦНИИПроек-тстальконструкция. -М. 1988. 48с.

52. Ржаницын А.Р. Строительная механика. -2-е изд., перераб. -М.: Высш. шк., 1991. -439с.-136

53. Рутман А.З. Исследование решетчатых стрел портальных кранов. Диссерт. .канд.техн.наук.-Л., 1971.-226с.

54. Рутман А.З. Центр изгиба крановых ферм и балок//Тр. ЛПИ.-1971,-№321.

55. Ряхин В.А., Мошкарев Г.Н. Долговечность и устойчивость сварных конструкций строительных и дорожных машин. -М.: Машиностроение, 1984. -232с.

56. Сиратори М., Миеси Т., Мацусита X. Вычислительная механика разрушения. Пер. с японск. -М.: Мир, 1986, 334с.

57. Смородинский И.М. О применении труб в металлоконструкциях башенных строительных кранов//Механизация строитеьства.-1965.-№5.

58. СНиП П-23-81*. Стальные конструкции / Госстрой СССР. -М.: Стройиздат,1982.-96с.

59. Соколов С.А. Методологические основы прогнозирования долговечности металлических конструкций грузоподъемных машин. Автореф. дис. докт. техн. наук,- С.-Пб., 1995.-32 с.

60. Соколов С.А. Общие принципы прогнозирование остаточного ресурса крановых металлических конструкций. Тез. Международной науч.-тех. конф. "ТРАНСКОМ-97", С.Пб, 14-16 окг.1997. С.Пб. 1997. с.42-44.

61. Соколов С.А., Морозов А.Л. Влияние качества сварных соединений стальных конструкций на их сопротивление усталости. Межвузовский сб. научи. тр. Повышение качества изготовления изделий в машиностроении.-Л.ЛПИ. 1990, с.79-85.

62. Спицына Д.Н. Строительная механика стержневых машиностроительных конструкций. -М. «Высш. школа», 1977. -248с.

63. Справочник по коэффициентам интенсивности напряжений: в 2-х т. Пер. с англ./Под ред. Ю.Мураками.-М.: Мир, 1990.

64. Хечумов P.A., Кепплер X., Прокопьев В.И. Применение метода конечных элементов к расчету конструкций. -М. Изд-во АСВ, 1994. -353с.

65. Шейнфельд Н.М., Киселев Б.Е., Евинтов В.А., Смородинский И.М. Иследование прочность узлов трубчатых конструкции башенного кра-еа//Строительные и дорожные машины.-1966.-№12.

66. Шмульский М.Д. Расчет металлических башенных конструкций на кручение// Тр. института строительной механики АН УССР.-1950.-№41.

67. Юшкевич В.Н. Исследование крановых балок с рельсом над стенкой. Диссерт. .канд.техн.наук.-JI., 1969.-251с.

68. Юшкевич В.Н. Метод расчета пределов выносливости элементов металлоконструкций. Проблемы прочности. 1984, No9, с.13-18.

69. DIN 15 018, Teil 1, Krane. Grundsaetze fuer Stahltragwerke Berechnung. 1984.