Напряженно-деформированное состояние трёхслойных балок с учётом влияния клеевого шва и температуры тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.23.17, кандидат технических наук Муселемов, Хайрулла Магомедмурадович

• Муселемов, Хайрулла Магомедмурадович
• кандидат технических наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат технических наук Муселемов, Хайрулла Магомедмурадович

Основные обозначения.

Введение.

ГЛАВА 1. ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ И ТЕОРИЯ РАСЧЕТА ТРЕХСЛОЙНЫХ КОНСТРУКЦИЙ.

1.1 Область применения трехслойных конструкций.

1.2 Теория расчета трехслойных конструкций.

ГЛАВА 2. РАСЧЁТ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ТРЁХСЛОЙНОЙ БАЛКИ.

2.1 Вывод дифференциальных уравнений для расчета напряженно-деформированного состояния трехслойной балки.

2.2 Определение приведённых характеристик сотового заполнителя.

2.3 Расчёт шарнирно опёртой балки.

2.4 Расчёт жёстко защемлённой балки.

Выводы по главе.

ГЛАВА 3. РАСЧЁТ ТРЕХСЛОЙНОЙ БАЖИ МЕТОДОМ КОНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ.

3.1 Метод конечных элементов.

3.2 Применение метода конечных элементов при расчете трехслойных балок.

3.3 Применение метода конечных элементов при расчете трехслойных балок на клеевых соединениях.

Выводы по главе.

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ТРЕХСЛОЙНЫХ БАЛОК.

4.1 Планирование эксперимента.

4.2 Цели и задачи экспериментальных исследований.

4.3 Определение тензочувствительности.

4.4 Механическая прочность клеевых соединений.

4.4.1 Оборудование.

4.4.2 Стандартные механические испытания.

4.4.3 Клеи, использованные в экспериментальных испытаниях.

4.4.4 Экспериментальные испытания по определению прочностных характеристик клеев.

4.5 Испытание трехслойных балочных конструкций на изгиб под действием равномерно распределенной нагрузки и температуры.

4.5.1 Изгиб трехслойной балки с шарнирным опиранием.

4.5.2 Изгиб трехслойной балки с жестким опиранием.

4.6 Обработка результатов эксперимента.

4.7 Пример расчета трехслойной стеновой панели.

Выводы по главе.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Напряженно-деформированное состояние трёхслойных балок с учётом влияния клеевого шва и температуры»

Наиболее перспективными легкими конструкциями в строительстве, машиностроении, судостроении, авиации, космонавтике являются многослойные конструкции, имеющие высокую жесткость при малом весе. Особенно, это относится к трехслойным конструкциям (ТК) с сотовыми заполнителями.

Известно, что трехслойная конструкция состоит из двух внешних, сравнительно тонких слоев и толстого среднего слоя (заполнителя) (рисунок 1.1.1).

Заполнитель изготавливается в заводских условиях, что обеспечивает наименьшие отклонения их размеров от требуемых. Размеры сот колеблются от нескольких миллиметров до десятков сантиметров, в зависимости от назначения конструкции.

Впервые ТК была применена в 1845 г. английским инженером Р. Стефенсоном при строительстве железнодорожного моста. Интенсивное развитие облегченных конструкций произошло вследствие технического прогресса в авиации и космонавтике. В 40-х годах XX века начали появляться первые самолеты с трехслойными силовыми элементами. В настоящее время многослойные конструкции используются в строительстве, при конструировании наземных транспортных средств, в судостроении.

Принципы создания ТК и двутавровой балки аналогичны. В трехслойной конструкции роль стенки играет заполнитель, за счет которого разносятся несущие слои, что придает пакету слоев высокие характеристики жесткости и прочности при относительно малом весе. Комбинируя материалы заполнителя и несущих слоев, можно добиться нужных свойств трехслойной конструкции (вибростойкость, тепло- и звукоизоляция и др.).

Несущие слои воспринимают продольные нагрузки (растяжение, сжатие, сдвиг) в своей плоскости и поперечные изгибающие моменты. Заполнитель воспринимает поперечные силы при изгибе и обеспечивает совместную работу и устойчивость несущих слоев. Способность заполнителя к восприятию нагрузки в плоскости несущих слоев зависит от конструкции заполнителя и его жесткостных характеристик.

Внешние, так называемые несущие слои изготавливаются из прочных материалов (стали, сплавов легких металлов, дерева, армированной волокном пластмассы, бетона или асбестоцемента и др.). Внутренний слой - заполнитель -изготавливается из относительно малопрочных материалов с малой плотностью (из пробки, резины, древесины, пластмассы, вспененного полимерного материала, а также из легкого металла в форме сот, перемычек, гофрировки или другой конструкции). Выбор формы сот зависит от формы трёхслойной конструкции и выполняемой ею функции. По степени заполнения объема между несущими слоями заполнитель делится на сплошной и дискретный.

По структуре сечения трехслойные конструкции разделяются на симметричные и несимметричные. Если несущие слои имеют одинаковую толщину и изготовлены из одинаковых материалов, то ТК считается симметричной, а в противном случае - несимметричной.

По сравнению с традиционными однослойными, трехслойная конструкция обладает повышенной жесткостью и прочностью, что позволяет уменьшить толщину оболочек, панелей и число ребер жесткости, которые существенно уменьшают массу конструкции.

При создании трехслойной конструкций возникает необходимость соединения её элементов. Механические соединения — сварные, паяные и заклепочные - не всегда эффективны. Известно, что сварка разнородных металлов - очень сложный технологический процесс, а в некоторых случаях, например, при сварке магния с алюминием, образуются хрупкие соединения. Затруднительна сварка листов различной толщины. Кроме того, при контакте двух различных металлов возможно образование гальванической пары, способствующей возникновению коррозионных явлений. Пайка легких сплавов — еще более сложный процесс и менее надежный способ, по сравнению с пайкой сталей. Невозможность полного удаления из некоторых паяных конструкций остаточных флюсов приводит к коррозии металла.

Применение в трехслойных конструкциях клеев позволяет надежно и достаточно прочно соединять разнородные металлы разной толщины и исключает необходимость сверления отверстий, изготовления болтов и заклепок. Процесс соединения становится более простым и дешевым, а конструкция более легкой.

Следует отметить, что использование клеевых соединений приводит к снижению веса конструкций, так как дает возможность применять более тонкие металлические листы. Например, в авиационной промышленности при замене заклепочных и сварных соединений клеевыми, можно на 25-30% облегчить изделия.

Клеевые соединения на современных клеях имеют высокие показатели прочности при сдвиге и равномерном отрыве, а также длительной и усталостной прочности. Они обладают высокой эксплуатационной надежностью и длительным сроком службы в различных климатических условиях [69,70]. Однако, большинство клеев имеют сравнительно невысокую теплостойкость. К недостаткам клеевых соединений относится и то, что они менее долговечны, чем сварные и клепаные. Кроме того, клеевые соединения металлов имеют относительно небольшую прочность при неравномерном отрыве, что необходимо учитывать при проектировании клеевых конструкций.

Требования, предъявляемые конструкционным клеям, зависят от назначения и условий эксплуатации конструкций. Однако, во всех случаях швы конструкционных клеев должны быть менее жесткими, чем склеиваемые ими металлы, и иметь коэффициенты термического расширения, близкие к коэффициентам металла. При использовании клеев в металлических силовых конструкциях особое значение приобретает расчет прочности клеевых соединений.

Длительное нагружение и повышенные температуры снижают прочность клеевых швов.

Механические свойства сотового заполнителя зависят главным образом от толщины стенок и размера ячеек [83, 108, 115, 120, 122, 128]. Прочность соединения обшивки с заполнителем также является функцией размера ячейки. Для повышения прочности соединения заполнителя с обшивкой при отслаивании иногда применяют клеевые пленки, представляющие собой стеклоткань, пропитанную клеем.

Эксперименты, проведенные в лаборатории кафедры «Промышленное и гражданское строительство» ДГТУ показали, что, в частности, при действии равномерно распределенной нагрузки разрушение ТК происходит по клеевому шву и при нагрузках меньших, чем расчетные (особенно с относительно жестким сотовым заполнителем). Кроме того, исследования показали, что на несущую способность ТК, соединенных на клею, влияет повышение температуры [116,118, 119,120, 121, 124-127]. В связи с этим возникает необходимость учета в расчетах прочностные характеристики клея и температурного воздействия.

В связи с вышеизложенным была сформулирована цель исследования.

Цель и задачи диссертационного исследования. Целью диссертационного исследования является, изучение теоретических и экспериментальных исследований влияния на несущую способность ТК соединительного клея, влияние температурного воздействия на прочность клеевого шва и разработка методики расчета ТК с учетом прочностных характеристик клея. В соответствии с целью, в работе поставлены и решены следующие задачи:

- обоснована необходимость повышения надежности работы трехслойной балки (ТБ), элементы которой соединены на клею;

- применен метод конечных элементов (МКЭ) для расчета ТБ без учета и с учетом влияния работы клеевого шва;

- разработана установка для экспериментального исследования ТБ под действием равномерно распределенной нагрузки;

- установлены значения коэффициента снижения несущей способности ТК, учитывающего влияние клея и температуры.

Объект исследования.

Трехслойная балка с сотовым заполнителем, соединенных на клею ЭД-20 и К-153.

Предмет исследования.

Исследование напряженно-деформированного состояния (НДС) ТБ с учетом влияния клеевого шва и температуры.

Научная новизна диссертационного исследования состоит в следующем:

- разработана методика расчёта НДС ТК без учета и с учетом влияния работы клеевого шва;

- предложена система дифференциальных уравнений для расчета НДС трехслойной балки, учитывающая сближение слоев, в основном для несимметричных конструкций;

- предложен метод учета в расчетах влияния работы клея на несущую способность ТК, введением соответствующего коэффициента, полученного экспериментально;

- предложен метод учета в расчетах влияния температуры на несущую способность ТК, введением соответствующего коэффициента, полученного экспериментально;

- разработана методика проведения экспериментальных исследований по определению напряжений в клеевом шве ТК без учета и с учетом влияния температуры;

- определены рациональные параметры ячеек сотового заполнителя, от которых зависит влияние клея на несущую способность ТБ.

Основные положения, выносимые на защиту:

- использование метода конечных элементов в расчётах ТК без учета и с учетом влияния клеевого шва на их несущую способность;

- система дифференциальных уравнений для расчета НДС трехслойной балки, учитывающая сближение слоев, в основном для несимметричных конструкций;

- метод учета влияния работы клея на несущую способность ТК;

- метод учета влияния температуры на несущую способность ТК, соединенных на клею;

- результаты теоретических и экспериментальных исследований по определению прочностных характеристик ТК с учетом влияния клеевого шва и температуры;

- влияние размеров сотового заполнителя на несущую способность ТК.

Практическая значимость диссертационной работы:

- разработана установка для экспериментального исследования несущей способности трехслойной балки, находящейся под действием равномерно распределенной нагрузки, с учетом влияния клея и температуры;

- проведен расчет ТБ, элементы которых соединены на клею, методом конечных элементов с учетом влияния работы клеевого шва;

- определены рациональные параметры ячеек сотового заполнителя, от которых зависит влияние клея на несущую способность ТБ;

- установлены значения коэффициента снижения несущей способности ТК в зависимости от влияния клея и температуры;

- полученные результаты диссертационной работы могут быть использованы при проектировании ТК, соединенных на клею.

Внедрение результатов работы. Опытно-производственное опробование разработанных ТК было произведено в организации ОАО «Стеклопласт», г. Махачкала. Результаты расчета взяты за основу при проектировании ограждающих и несущих конструкций в ООО Институт «Дагагропромпроект». Результаты исследований внедрены в учебный процесс на 1У-У курсах по разделу «Здания и сооружения из легких конструкций» для специальности 270102 - «Промышленное и гражданское строительство». Кроме того, результаты исследований используются студентами в курсовом и дипломном проектировании.

Апробация работы . Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на ХХХ-ХХХШ итоговых научно-технических конференциях преподавателей, сотрудников, аспирантов и студентов Дагестанского государственного технического университета (г. Махачкала, 2009-2011 г.), региональной научно-практической конференции «Новое в расчетах и проектировании строительных конструкций» (г. Махачкала, 2009 г.), на Международной научно-технической конференции МГСУ (г. Москва, 2011 г.), XIV Международной межвузовской научно-практической конференции молодых ученых, докторантов и аспирантов (г. Москва, 2011 г.), Всероссийской научно-технической конференции «Вопросы проектирования и расчёта зданий и сооружений» (г.Махачкала, 2011г.).

Публикации. По результатам диссертационной работы опубликовано 10 работ, в том числе 5 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, выводов, заключения, списка использованной литературы из 154 наименований и приложения. Изложена на 141 страницах машинописного текста, включает 75 рисунков и 21 таблицу.