Влияние местного изгиба стержней на долговечность ферменных крановых металлических конструкций тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.05.05, кандидат технических наук Кой Бун Тхон

• Кой Бун Тхон
• кандидат технических наук
• 2000

Оглавление диссертации кандидат технических наук Кой Бун Тхон

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.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Влияние местного изгиба стержней на долговечность ферменных крановых металлических конструкций»

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 диссертации по теме «Подъемно-транспортные машины», Кой Бун Тхон

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

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Кой Бун Тхон, 2000 год

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.