Устойчивость тонкостенных элементов крановых конструкций тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.05.04, кандидат технических наук Грачев, Алексей Андреевич

• Грачев, Алексей Андреевич
• кандидат технических наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат технических наук Грачев, Алексей Андреевич

Введение.

1. Обзор литературы и постановка задач.

1.1. Явление местной устойчивости.

1.2. Обзор литературы по методам прогнозирования устойчивости пластин.

1.3. Базовая методика расчета устойчивости пластин при продольном нагружении.

1.4. Постановка задачи и программа исследования.

2. Численное исследование устойчивости пластин в составе конструкции.

2.1. Постановка задачи и программа исследования.

2.2. Результаты расчетов пластин при различных сочетаниях параметров и видов нагружения.

2.3. Предлагаемая методика аналитической оценки влияния упругого защемления кромок.

2.4. Анализ результатов.

2.5. Выводы.

3. Устойчивость пластин с ребрами.

3.1 Постановка задачи и программа исследования.

3.2. Численное исследование устойчивости пластин с ребрами.

3.2.1. Конечно-элементная модель.

3.2.2. Результаты моделирования.

3.3 Предлагаемая методика проверки устойчивости пластин с ребрами.

3.4 Пример расчета с использованием предлагаемой методики.

3.5 Анализ результатов.

3.6 Выводы.

4. Влияние неплоскосности элементов на распределение напряжений в тонкостенных балках.

4.1. Постановка задачи и программа исследования.

4.2. Определение наиболее неблагоприятных форм неплоскостности пластин.

4.3. Исследование напряженно-деформированного состояния тонкостенной балки, содержащей неплоские пластины.

4.3.1. Упрошенный аналитический анализ напряженно-деформированного состояния неплоской пластины.

4.3.2 Аналитическое описание балки с неплоскими пластинами.

4.4. Конечно-элементное исследование напряженно-деформированного состояния коробчатых балок с неплоскими элементами.

4.4.1. Конечно-элементная модель неплоской пластины.

4.4.2. Анализ результатов расчета неплоской пластины.

4.4.3. Конечно-элементная модель балки с неплоскими элементами.

4.4.4. Результаты расчета и их анализ.

4.5 Пример расчета с использованием предлагаемой методики.

4.5 Выводы.

5. Экспериментальное исследование напряженно-деформированного состояния сварной балки коробчатого сечения.

5.1. Постановка задачи.

5.2. Модель балки.

5.3 Результаты натурного эксперимента.

5.6. Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Устойчивость тонкостенных элементов крановых конструкций»

Актуальность темы диссертационного исследования. В современных крановых конструкциях большое распространение получили сварные тонкостенные коробчатые конструкции. При этом металлоемкость этих конструкций снижается при уменьшении толщины элементов и увеличении габаритов сечения. Кроме того применение высокопрочных сталей также способствует снижению толщин используемого проката. В связи с этим во многих случаях основными условием выбора геометрических параметров конструкций оказывается не прочность, а жесткость и местная устойчивость.

Обзор имеющейся литературы и нормативно-технических материалов показал, что в настоящее время инженеры не имеют обоснованных и эффективных методов прогнозирования и обеспечения местной устойчивости элементов тонкостенных конструкций. Остаются не решенными такие проблемы как:

- учет влияния взаимодействия пластины с соседними элементами балки на ее устойчивость;

- определение параметров рационального оребрения пластины с целью обеспечения и обоснования устойчивости пластины с ребрами;

- учет влияния неплоскостности пластины, возникающей в результате сварочных поводок, на напряженно-деформированное состояние сечения в целом.

Целью диссертационного исследования является: совершенствование методов расчета и проектирования тонкостенных конструкций.

Для достижения указанной цели были поставлены и решены следующие основные задачи:

1. Проведено численное исследование влияния смежных элементов на устойчивость пластины в составе конструкции и разработана инженерная методика учета влияние данного фактора.

2. Разработаны рекомендации по определению рациональных геометрических параметров ребер и их расстановке. Разработана инженерная методика проверочного расчета на устойчивость пластины с ребрами при различных условиях распределения напряжений и размещения ребер. Для решения этих задач было проведено численное исследование поведения пластин с ребрами.

3. Проведено численное исследование поведения неплоских пластин в составе конструкции в зависимости от параметров кривизны исходной срединной поверхности и условий нагружения. Проанализировано влияние неплоскостности на распределение напряжений по сечению балки и разработаны рекомендации по учету данного фактора при проектировании конструкций. Даны рекомендации по максимальной допустимой степени искривления элементов балки.

4. Выполнено экспериментальное исследование на стальной модели для подтверждения адекватности принятых допущений и предложенных расчетных методик.

Объект и предмет исследования. Объектом исследования являлась устойчивость и процессы деформирования элементов тонкостенных крановых конструкций, состоящих из пластин, загруженных силами, лежащими в их срединной плоскости. Данный критерий работоспособности конструкции исследуется во взаимосвязи с другими критериями, прочности, долговечности и жесткости, которые в процессе проектирования рассматриваются в комплексе. Предметом исследования являлись не только пластины, условия закрепления, нагружения и деформирования которых зависят от свойств конструкции, но и конструкции в целом, а также пути обеспечения их работоспособности.

Методологической и теоретической основой исследования являются труды . российских и зарубежных ученых в области теории упругости и анализа местной устойчивости элементов конструкций. В качестве основного исследовательского аппарата для анализа работы конструкций и проверки аналитических выводов использованы методики численного (метод конечных элементов) и физического эксперимента. Для исследования напряженно-деформированного состояния и обработки расчетных и экспериментальных данных использованы программные комплексы в областях:

• конечно-элементного моделирования пространственных металлических конструкций.

• обработки статистических трехмерных массивов данных.

• автоматизации математических расчетов.

Научная новизна исследования заключается в:

- развитии методики анализа и методов обеспечения устойчивости пластин, входящих в состав тонкостенных крановых конструкций;

- разработке метода прогнозирования напряженно-деформированного состояния тонкостенных конструкций с неплоскими элементами.

Наиболее существенные научные результаты диссертационной работы, выносимые на защиту, состоят в следующем:

1. Аналитические формулы для вычисления коэффициентов защемления пластины в зависимости от конфигурации и геометрических параметров конструкции и условий нагружения.

2. Основные характерные формы потери устойчивости пластин с ребрами, и характер данных процессов.

3. Инженерная аналитическая методика расчета пластин с ребрами на местную устойчивость, учитывающая геометрические параметры конструкции и оребрения, а также характер распределения напряжений в пластине.

4. Рекомендации по рациональному проектированию оребрения.

5. Интервальная оценка геометрических параметров ребер.

6. Алгоритм, сформированный на основании предложенной методики расчета устойчивости пластин с ребрами, обеспечения местной устойчивости тонкостенных крановых конструкций с учетом различных комбинаций нагружения.

7. Инженерная методика расчета максимальных действующих напряжений в угловых зонах коробчатых балок с неплоскими элементами, учитывающая геометрические параметры, параметры неплоскостности элементов и характер нагружения.

8. Анализ напряженно-деформированного состояния коробчатых балок, используемых для стрел и пролетных строений грузоподъемных машин, показал, что в результате неплоскостности их элементов с параметрами, не превышающими допускаемых по нормам для крановых конструкций, угловые зоны получают перегрузку достигающую 50 + 60%, в зависимости от параметров нагружения.

9. Рекомендации по ограничению максимального значения относительной стрелки прогиба пластин в составе конструкций в зависимости характера нагружения. Так при преобладающем сжатии, как в балочных стрелах, относительная стрелка прогиба должна быть не более s < 0,3. При изгибном нагружении, как, например, в балках мостовых кранах, допускается иметь s < 1,0.

Апробация и внедрение результатов исследования. Результаты данной работы были доложены на конференциях Недели науки СПбГПУ и 5-ой международной специализированной выставке подъемно-транспортного оборудования «КРАНЭКСП02010». Материалы диссертации переданы в ЗАО «PATTE» и ООО «Технорос» и использованы специалистами этих организаций при экспертизе и проектировании металлических конструкций кранов.

Заключение диссертации по теме «Дорожные, строительные и подъемно-транспортные машины», Грачев, Алексей Андреевич

6. Основные результаты и выводы

В диссертационной работе выполнен анализ известных результатов исследований и методов расчета тонкостенных конструкций на местную устойчивость и сформулированы основные проблемы и недостатки существующих подходов, связанные с их применением для расчета тонкостенных конструкций грузоподъемных машин. В качестве основных задач настоящей работы приняты следующие:

- совершенствование методики расчета элементов тонкостенных конструкций на местную устойчивость в части учета влияния их связи с соседними элементами;

- развитие методики расчета оребренных пластин и выработка рекомендаций по проектированию конструкций грузоподъемных машин, содержащих такие элементы;

- анализ влияния неплоскостности элементов сварных тонкостенных конструкций на их напряженно-деформированное состояние и разработка рекомендаций по учету этого фактора при проектировании крановых конструкций.

На основании выполненных исследований получены следующие основные результаты:

1. Серия расчетов конечно-элементных моделей тонкостенных конструкций позволила установить влияние связи отдельных пластин с соседними элементами на значение их критических напряжений при различных геометрических параметрах конструкций и условиях нагружения.

2. Получены аналитические аппроксимирующие формулы для вычисления коэффициентов защемления пластины в зависимости от конфигурации и геометрических параметров конструкции и условий нагружения. Расчетная методика позволяет учитывать в расчетах на местную устойчивость влияние защемления кромок пластины с погрешностью не более ±10%.

3. В результате проведения серии численных экспериментов, выполненных методом конечных элементов, получены данные о характере процесса потери устойчивости пластин с ребрами, определены основные характерные формы потери устойчивости и сформулирован перечень условий устойчивости, которые должны учитываться при проектировании.

4. Разработана инженерная аналитическая методика расчета пластин с ребрами на местную устойчивость, учитывающая геометрические параметры конструкции и оребрения, а также характер распределения напряжений в пластине. Сравнение результатов аналитических расчетов критических напряжений для пластин с ребрами с результатами численных экспериментов показало, что аналитическая методика обеспечивает оценку критических напряжений с погрешностью в большинстве случаев не более ±10%. В отдельных случаях погрешность достигает 30% в запас надежности.

5. На основании указанной методики предложен алгоритм обеспечения местной устойчивости тонкостенных крановых конструкций с учетом различных комбинаций нагружения, даны рекомендации по рациональному проектированию оребрения и интервальной оценке геометрических параметров ребер.

6. В результате проведения конечно-элементных исследований, а также испытания стальной сварной модели установлено, что неплоскостность элементов сварных конструкций, возникающая в результате сварочных поводок, приводит к перераспределению напряжений в их сечениях. В результате этого напряжения в узловых зонах, в которых расположены сварные соединения поясов со стенками, существенно превосходят номинальные, вычисленные по технической теории изгиба балок.

7. Разработана инженерная аналитическая методика расчета максимальных действующих напряжений в угловых зонах коробчатых балок с неплоскими элементами, учитывающая геометрические параметры, параметры неплоскостности элементов и характер нагружения. Сравнение результатов аналитических расчетов по данной методике с результатами численных и физических экспериментов показало, что аналитическая методика обеспечивает оценку коэффициента перегрузки угловой зоны с погрешностью не более ±12% в пределах предлагаемого ограничения максимального значения относительной стрелки прогиба пластин.

8. Анализ напряженно-деформированного состояния коробчатых балок, используемых для стрел и пролетных строений грузоподъемных машин, показал, что в результате неплоскостности их элементов с параметрами, не превышающими допускаемых по нормам для крановых конструкций, угловые зоны получают перегрузку достигающую 504-60%, в зависимости от параметров нагружения.

9. На основании анализа влияния неплоскостности на перераспределение напряжений в сечении балки и ограничения перегрузки углов уровнем +20% даны рекомендации по ограничению максимального значения относительной стрелки прогиба пластин в составе конструкций в зависимости характера нагружения. Так при преобладающем сжатии, как в балочных стрелах, относительная стрелка прогиба должна быть не более s < 0,3. При изгибном нагружении, как, например, в балках мостовых кранах, допускается иметь s < 1,0.

Результаты данной работы были доложены на конференциях Недели науки СПбГПУ и 5-ой международной специализированной выставке подъемно-транспортного оборудования «КРАНЭКСПО-2010». Материалы диссертации переданы в ЗАО «PATTE» и ООО «Технорос» и использованы специалистами этих организаций при экспертизе и проектировании металлических конструкций кранов.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Грачев, Алексей Андреевич, 2013 год

1. Броуде Б.М. Устойчивость пластинок в элементах стальных конструкций. Машстройиздат. М., 1949.

2. Броуде Б.М. Устойчивость плоских стенок в металлических конструкциях. -М.: Изд-во «Стройиздат», 1940

3. Бурлуцкий B.C., Пумпян A.M. Результаты замеров начальных несовершенств элементов сварных конструкций портальных кранов // Подъемно-транспортное оборудование: Реферативный сборник.-М.: ЦНИИТЭИтяжмаш, 1982.- №б-82-14.-С.З-6.

4. Блейх Ф. Устойчивость металлических конструкций. М.: Физматгиз, 1959. —544 с

5. Вольмир A.C. Устойчивость деформируемых систем. М., «Наука», 1967.

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

7. ГОСТ 21778-81: Система обеспечения точности геометрических параметров в строительстве. Основные положения.

8. ГОСТ 21779-82: Система обеспечения точности геометрических параметров в строительстве. Технологические допуски.

9. ГОСТ 23118-99: Конструкции стальные строительные. Общие технические условия.

10. Ю.Грачев. A.A., Соколов С.А. Устойчивость пластин с ребрами. Научно-технические ведомости СПбГПУ. 4(110)/2010. СПб Изд. Политехнического университета. 2010 с. 200-204.

11. П.Грачев. A.A., Соколов С.А. Влияние неплоских элементов на работоспособность тонкостенных металлических конструкций грузоподъемных машин. Научно-технические ведомости СПбГПУ. 2-2(147)72012. СПб Изд. Политехнического университета. 2012 с. 78-81.

12. Грачев. A.A., Соколов С.А. Исследование местной устойчивости пластин. Труды СПбГПУ №494. СПб Изд. Политехнического университета. 2005. с.5-8

13. Грачев. A.A., Соколов С.А. Исследование местной устойчивости пластин. ,Труды международной научно-технической конференции. СПб Изд. Политехнического университета.2006. с. 66-69

14. Грачев. A.A., Соколов С.А. Исследование местной устойчивости пластин. Материалы Всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов. СПб Изд. Политехнического университета. 2006. с. 64-66.

15. Грачев. A.A., Соколов С.А. Исследование влияния криволинейное™ пластин на их местную устойчивость и общее напряженно-деформированное состояние. СПб Изд. Политехнического университета. 2008. с. 140-142.

16. Допуски в стальных пластинчатых конструкциях. Доклад рабочей группы «Влияние начальных несовершенств стальных пластинчатых конструкций на их предельные напряжения» II комиссия АИПК под преде, проф. Массоне, 1979.

17. Евстратов. A.A. О предельном состоянии внецентренно сжатых гибких пластинок. «Строительная механика и расчет сооружений», 1976, №6, с. 35-42.

18. Исследование и развитие конструктивных форм крановых металлоконструкций. Сборник научных трудов. М., ЦНИИПСК, 1982. 148с.-с. 119-135.

19. Климанов В.И. Устойчивость и закритическое поведение удлиненных плоских панелей, скрепленных с опорными ребрами. Тезисы докл. У

20. Всес. конф. По проблемам устойчивости в строит, механике. Ленинград, 3-5 февр. 1977. М., 1977.

21. Крысько В.А. Исследование гибких упругопластических оболочек прямоугольных в плане по теории течения и деформационной теории. Прикладная механика. 1979, т. ХУ, № 7, с. 33-39.

22. Кулькова Н. Н. Особенности напряженно-деформированного состояния элементов крановой коробчатой балки при расчете стенок в закритической обла- сти. Тр ВНИИПТмаш, 1981.

23. Патон Е.О., Козловский Н.И., Горбунов Б.Н. Электросварные двутавровые балки из трех листов. Опытное исследование. Киев, 1931.

24. РД 10-112-6-03 Методические указания по обследованию специальных металлургических кранов.

25. Ржаницын А.Р. Строительная механика: Учебное пособие для вузов. М., Высшая школа, 1991. 439с.

26. РТМ 24.090.62-81. Руководящий технический материал. Нормы расчета и проектирования стальных конструкций мостовых перегружателей и кранов большой грузоподъемности. М., 1983.

27. СНиП П-23-81* Стальные конструкции/Госстрой России. М.: ГУП ЦПП, 2000. -96 с.

28. СНиП III-18-75 Правила производства и приемки работ. Металлические конструкции, М., Стройиздат, 1976

29. Соколов С.А. Металлические конструкции подъёмно транспортных машин: Учебное пособие. - СПб.: Политехника, 2005. - 423 с.

30. Соколов С.А., Грачев A.A. Исследование концентрации напряжений в угловых сопряжениях балок. Труды СПбГПУ №494, 2005г. с. 14 20.

31. Справочник по кранам: В 2т. T.l./В.И.Брауде, М.М.Гохберг, И.Е.Звягин и др.; Под общ. ред. М.М.Гохберга.-JI.Машиностроение.

32. Ленингр. отд-ние, 1988. 536 с.

33. Справочник проектировщика. Расчетно-теоретический. В 2-х книгах. Кн.2. Под ред. А.А.Уманского. Изд.2-е. -М.: Стройиздат, 1973, 416 с.

34. Стальные мосты с коробчатыми пролетными строениями. ИСАД, 1975, № 24, реф. 120, с. 25-29.

35. СТ024.09-5821-01-93 Краны грузоподъемные промышленного назначения. Нормы и методы расчета элементов стальных конструкций. 1993г ВНИИПТМАШ

36. Тимошенко С.П. Устойчивость упругих систем. ОГИЗ-Гостехиздат. -М.,-Л. 1946,-532 с.

37. Филин А.П. Введение в строительную механику корабля: Учебное пособие для вузов. СПб., Судостроение, 1993. 640с.

38. Хорошеженова Э.П. Расчет несущей способности сжатых стержней открытого профиля, имеющих местные погиби полок. Реф. Инф. ЦИНИС, сер. XXII: «Проектирование металлических конструкций», вып. 5 (71), М., 1977, с. 17-22.

39. Доклады по вопросам устойчивости коробчатых балок. Доклады 1 заседания на совещании по стальным конструкциям в Гамбурге, 1974 г. GmBH, Кёльн, 1975.

40. Basler, К.: Strength of plate girders under combined bending and shear, ASCE Journal, St 7, October 0961.

41. Bernt Johanson, Milan Veljkovic. Review of plate buckling rules in EN 1993-1-5; DOI: 10.1002/stco.200910031 7 c.

42. BSK Sweden design rules for steel structures. Boverket 1999. ISBN 917147-527-3.

43. COMBRI+ Final report of RFCS project Valorisation of Knowledge for Competitive Steel and Composite Bridges COMBRI+.

44. Clarin, M.: Plate Buckling Resistance. Path Loading of Longituadinally Stiffened Webs and Local Buckling. Doctoral thesis 2007:31, Luleâ University of Technology, 2007, ISRN-LTU-DT-07Û31-SE.

45. Documentation for ABAQUS v. 6.8 software, © Dassault Systèmes, 2008.

46. Djubek I. Прямоугольные гибкие стенки с податливыми поясами. Stavebnicky casopic SAV, XXI, 3-5, Братислава, 1973, с. 203-215.

47. Dubas Р. Традиционные и новые решения вопросов устойчивости стальных конструкций. Доклад и дискуссия симпозиума. Проблемы исследования прочности в авиастроении и строительстве. Специальный оттиск Ин-та строит, механики, с. 245-256.

48. Electric Overhead Traveling Cranes, CMAA Specification #70, Revised 1983.

49. Eurocode 3 Design of steel structures. Part 1-5 Plate structures, EN 1993-15:2009.

50. Gozzi, J.: Patch loading resistance of plated girders Ultimate and serviceability limit state. Doctoral Thesis 2007:30, Luleä University of Technology, 2007, ISRN: LTU-DT-07/30-SE/

51. Johansson, В., Maquoi, R., Sedlacer, G., Müller, С., Beg, D.: Commentary and worked examples to EN 1993-1-5-Plated structural element, EUR 22898 EN 2007, October 2007.

52. Klöppel К., Schmied D., Schubert I. Несущая способность центрально и внецентрально сжатых тонкостенных коробчатых балок. Der Stahlbau 1966, № 11, с. 321-337; 1969, № 1, с. 9-10, № 3, с. 73-83.

53. Klöppel К., Bilshtein W., Unger В. Приближенное исследование закритической работы шарнирно опертой по 3 сторонам неподкрепленной по свободному краю пластинки с начальными деформациями. Der Stahlbau, 1973, № 10, с. 289-298.

54. Samuelsson, L., Eggwertz, S. (Eds.): Shell Stability Handbook, London: Elsevier Applied Science, 1992.

55. Unger В. О дальнейшем развитии норм по проверке устойчивости от DIN 4114 до DAST 012. Der Stahlbau, 49 (1980), Н.12, 357-369.