Надежность и стабильность сварных конструкций

 

МИНИСТЕРСТВО  ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ  БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ  УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО  ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  ИНДУСТРИАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ» (ФГБОУ ВПО «МГИУ»)

Кафедра «Оборудования и технологии сварочного производства»

 

 

К У Р С О В  А Я    Р А Б О Т  А
по дисциплине:         «Проектирование сварных конструкций»
на тему «Надежность и стабильность сварных конструкций»
Группа
Студент	_______________ (подпись)
Руководитель работы	_______________ (подпись)
ДОПУСКАЕТСЯ К ЗАЩИТЕ
Руководитель работы	_____________ (подпись)
Оценка работы Дата	_____________	«___» ___________

 

МОСКВА 2012

 

РЕФЕРАТ

 

Курсовая работа включает в себя 24 страницы машинописного текста, 11 рисунков, 2 таблицы, 2 графика, 1 использованный литературный источник.

Ключевые слова: сварные конструкции, стабильность, надежность, Ст3, жесткость, экономичность, устойчивость, прочность, мониторинг, автовибрации, сохраняемость.

В курсовой работе представлены расчет и проектирование сварной балки и ее элементов, а также рассмотрены надежность и стабильность данной сварной конструкции.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ОГЛАВЛЕНИЕ

 

1. Введение………………………………………………………………………4

2. Задание. Исходные данные……………………………………………….…5

3. Расчет внутренних силовых факторов……………………………….......... 5

4. Выбор сечения балки…………………………………………………...........7

5. Определение высоты балки из условия жесткости………………………..7

6. Определение высоты балки из условия экономичности………………….7

7. Подбор геометрических размеров сечения балки…………………………7

8. Проверка балки на прочность………………………………………….……9

9. Обеспечение местной и общей устойчивости………………………….…..11

10. Конструирование и расчет сварных соединений………………………….13

11. Конструирование и расчет опорных частей……………………………...14

12.Расчет и проектирование подвижного опорного узла……………………..15

13.Лабораторный практикум……………………………………………………17

Приложение………………………………………………………………….…..19

Заключение ……………………………………………………………………..23

Список использованной литературы…………………………………………...24

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Введение[1]

Главная задача при изготовлении металлоконструкций уменьшение металлоемкости при сохранении прочностных характеристик. Что значительно повышает рентабельность проектов. В этом контексте сварные балки решают проблему уменьшения массы несущих конструкций. Балка сварная стальная двутавровая представляет собой сварную конструкцию из стальных листов, по форме и размерам схожую с аналогичным размером горячекатаной балки по ГОСТ 26020-83 или по СТО АСЧМ 20-93.  Сварка позволяет наиболее рациональным образом сочетать размеры горизонтальных листов, часто называемых поясами, с вертикальной стенкой. Возможность создавать сварные конструкции с желаемыми соотношениями размеров, снижает расход металла и делает их более экономичными и более рентабельными по стоимости. При сварном методе изготовления балки из листов, можно создавать более рациональные профили. Именно благодаря применению сварки удается создавать балки любой длины, разнообразных размеров высотой до 2 и более метров.

Сварные балки применяются в стальных строительных конструкциях каркасов жилых, общественных, сельскохозяйственных и промышленных зданий, перекрытиях, эстакадах, мостах, подкрановых балках и в других металлоконструкциях. Особенно эффективны сварные балки в большепролетных конструкциях промышленных зданий, цехов и других сооружений, так как дают не только меньшие нагрузки на них, но и значительную экономию металла.

Данная балка сделана  из материала Ст3 . К ней приложены две сосредоточенные  силы. В данной курсовой работе мы строим эпюры моментов и поперечных сил. Выбираем наиболее опасное сечение балки . Определяем высоту балки  из условия жёсткости и экономичности . Подбираем  сечения профиля. Чертим эскиз сечения балки с размерами. Проверяем на прочность. Рассчитываем местную и общую устойчивость . Конструируем расчёт сварных соединений.

Конструируем расчёт опорных частей балки с экспериментальным  мониторингом  сохраняемости геометрии  при естественном старении .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Задание. Исходные данные [1]

Таблица 1

Исходные данные

Вариант	l, м	q, Н/м	Р, кН	а, м	Материал	[σ]р, МПа	fmax/l
13	22	3000	160	8	Ст3	160	1/400

 

3. Расчет внутренних силовых факторов [1]

       ∑ Fу = Rа + Rв - 2P- gl = 0 .

     

       ∑ Mа = -Pа – P(l-a) –l g + Rвl = 0.

                                          2                

       Rв  = gl + P.

                2l

Rв  =3*22 +160  = 193 кНм.

        2*22

       Ra = 2P +gl –Rв

 Ra =2*160 +3*22-193=193 кНм.

 

Направление  Rв и Ra показаны на рис. 1.

Поперечные силы в  каком-либо сечении определяется как  сумма сил , лежащих по одну сторону  от сечения:

    Q=∑ Pyi  + ∑gyj zj.

 

Где Py – сосредоточенная сила.

       gy – распределённая сила.

        z – длина, на которой действует   gy.

    Q=193 - (3*11 + 160)=0.

    Q=193 -(3*8 +160)=9 кНм.

Изгибающий момент  в каком-либо сечении определяется как сумма всех производных сил, лежащих  по одну сторону от сечения , умноженная на их плечо .

     М =∑ Pyi  zip + ∑ gyj zj .   

                                    2

     М =193*8 +3*11 =1725,5 кНм.

                             2

                                        0

   Мр  = ∑ Pyi  zip + ∑ qyj zj =193*8= 1544 кНм.

                                 2

                  0                                  

     Мq = ∑ Pyi  zip + ∑ qyj zj =3*11 = 181,5

2.    2

Рис. 1 – Эпюры внутренних силовых факторов.

 

4. Выбор сечения балки [1]

 

Выбираем балку двутаврового сечения, так как имеем случай приложения нагрузок только в вертикальной плоскости. Сварной двутавр состоит  из вертикальной стенки и двух горизонтальных полос, но может иметь вертикальные и горизонтальные ребра жесткости. Стенка и пояса могут быть при больших размерах составными. В некоторых случаях в целях экономии металла делают балки переменного по длине сечения. При этом изменяют высоту вертикального листа или ширину и толщину полок.

 

5. Определение высоты балки из условия жесткости [1]

 

Сварная балка должна удовлетворять требованию жесткости, т.е. ее прогиб f_max от наибольшей нагрузки не должен превышать предельно допустимого. В требованиях к балке задается норма жесткости в виде f_max/l. Чтобы удовлетворить требованиям жесткости, балка должна иметь высоту не менее некоторой предельной.

Определяем высоту балки  из условия жесткости:

 

6. Определение высоты балки из условия экономичности [1]

 

Балка должна удовлетворять прочности при условии наименьшей массы, т.е. площадь поперечного сечения должна быть минимальной.

Определяем высоту балки из условия  экономичности:

где S_B – толщина вертикального листа:

Так как высота h_ж больше, чем высота h_э, то ее следует принять в расчет при подборе сечения. Высоту вертикального листа h_в (h_в=(0,95…0,98) h) принимаем 1400 мм.

7. Подбор геометрических размеров сечения балки. [1]

 

Момент инерции подобранного вертикального листа, размером 1400мм х 10мм:

 

Далее по плану конспекта  из тетради. [1]

Требуемый момент сопротивления поперечного сечения балки:

                                                   

                        

 

 

Рис. 2 – Геометрические размеры сечения сварной двутавровой балки.

 

 

8. Проверка балки на прочность [1]

 

 

Наибольшее нормальное напряжение в крайнем волокне балки:

Проведем проверку:

, однако отличие  от равно:

, выходит за 5% что не допустимо . Спроектированное сечение не прошло проверку на прочность.

Возвращаемся к началу расчета момента сопротивления  поперечного сечения балки и  на основе метода «проб и ошибок»  будем добиваться нужного результата.

                                                   

                        

Проверим 

 

Проведем проверку:

, однако отличие  от равно:

, не выходит за 5% что вполне допустимо.

Спроектированное сечение  прошло проверку на прочность. Балка считается спроектированной

 

Кроме этого, производится проверка на прочность для ряда опасных сечений. Так, в опорных сечениях балки  значительны поперечные силы. Определяют касательные напряжения в центре сечения:

,

где - статический момент верхней половины сечения относительно нейтральной оси:

 

При этом должно выполняться условие:

Условие выполняется.

В местах приложения сосредоточенных  сил действуют значительные поперечные силы и изгибающие моменты. Расчет ведут  для точек, расположенных на верхней  кромке вертикального листа.

Определяют интенсивность  напряжений по формуле:

;

Условие прочности выполняется, так как разница и не более, чем 5% от .

В месте приложения сосредоточенной  силы в вертикальном листе возникают  местные напряжения (рис. 3). В этих местах целесообразно приваривать накладки и ставить ребра жесткости.

Рис. 3 – Влияние сосредоточенной силы.

 

9. Обеспечение местной и общей устойчивости [1]

 

Высокие балки, у которых  , под действием вертикальных нагрузок могут терять общую устойчивость. Для предотвращение потери общей устойчивости свободную длину изгибаемого элемента ограничивают путем установки горизонтальных связей, особенно на сжатых поясах. Проверку напряжений в изгибаемой балке с учетом требований обеспечения общей устойчивости проводят по формуле:

,

где - коэффициент уменьшения допускаемых напряжений в балке с учетом обеспечения ее устойчивости, который рассчитывается по формуле:

;

где и - моменты инерции относительно осей x и у;

       - полная высота балки;

       - пролет балки или расстояние между закреплениями, препятствующими перемещениям в горизонтальной плоскости.

Коэффициент является функцией от (рис. 3).

Рис. 4 – Функция ψ’ (α).

 

.

По рис.4 равен 2,31.

Однако для сталей классов С 44/29 – С 85/75 значения коэффициента следует умножить на отношение 210/R, где R – расчетное сопротивление, МПа (для Ст3 R=210МПа).

Момент инерции балки  относительно оси у  равен:

Вычисленный по формуле  коэффициент  корректируем следующим образом (табл.2).

 

Корректировка коэффициента

Таблица 2

	0,85…1,0	1,0…1,25	1,25…1,55	1,55 и более
	0,85	0,9	0,96	1,0

 

По табл. 2 соответствует .

Проверяем напряжения в  изгибаемой балке с учетом требований обеспечения общей устойчивости :

Отдельно элементы балки  могут терять местную устойчивость под действием напряжения сжатия .

Местная устойчивость сжатых поясов обеспечивается условием:

Условие местной устойчивости выполняется.

Местная устойчивость вертикального  листа в балке при отсутствии сосредоточенных перемещающихся сил обеспечивается условием:

,

где , предел текучести для стали марки Ст3

,

Местная устойчивость вертикального листа не обеспечена.

В вертикальных листах потеря устойчивости может быть вызвана комбинацией нормальных сжимающих и касательных напряжений. Касательные напряжения вызывают в диагональных сечениях нормальные сжимающие и растягивающие напряжения

При наличии сосредоточенных перемещающихся сил условие обеспечения устойчивости вертикального листа:

Это условие так же не выполняется .

Для повышения устойчивости балки следует установить ребра  жесткости и уменьшить расстояние между ними. Ширину ребра принимают:

По ГОСТ 19903-74 принимаем b_р=90мм

Толщину ребра принимаем:

Толщину листа принимаем .

Помимо основных ребер  жесткости иногда ставят укороченные ребра треугольного очертания.

 

10. Конструирование и расчет сварных соединений [1]

 

Горизонтальные и вертикальные листы соединяются поясными швами. Они выполняются, как правило, угловыми и лишь для ответственных конструкций  при действии переменных нагрузок – с подготовкой кромок. В поясных швах балок, работающих на поперечный изгиб, возникают связующие нормальные напряжения и рабочие касательные напряжения . В швах с катетом и коэффициентом формы шва касательные напряжения определяются по формуле:

,

где - статический момент площади пояса относительно тяжести сечения.

При сварке конструкций, у которых  , принимают

Швы, приваривающие ребра жесткости, как правило, не рассчитываются. Они выполняются угловыми с катетом . Эти швы в опорных сечениях, а также в местах приложения сосредоточенных сил выполняются непрерывными. Ребра жесткости вне опорных сечений в наиболее напряженных волокнах растянутой зоны иногда не приваривают.

Расчет прочности сварных стыков балок производится обычно на изгиб по формуле:

,

где - допускаемое напряжение на сварном шве при растяжении.

Согласно ГОСТ 19903-74 предельные размеры листового проката для толщины 10 мм и ширины 1400 мм, длина равна 2000-6000 мм; для толщины 10 мм и ширины 350 мм, выбираем длину листа 2000 мм. Таким образом сварная балка длиной 22м состоит из 2 листов 10*1400*7000, 1 листа 10*1400*6000 и 2 листов 15*350*2000.

Рис.5-расположение швов сварной балки.

 

11. Конструирование и расчет опорных частей [1]

 

Опорные части балок  для обеспечения шарнирности  опирания конструируют в форме выпуклых плит (рис. 5).

 

Рис. 6 – Конструкция опорной части балки.

 

На одной из опор балка  имеет продольную подвижность. На другой она закреплена болтами. Ширина опорной  плиты рассчитывается по формуле:

,

а длина:

Плиты изготовляют стальными. Радиус цилиндрической поверхности Толщина плиты на оси определяется из условия прочности при работе на изгиб. Изгибающий момент по оси плиты от реактивных распределенных усилий определяется по формуле:

Момент сопротивления сечения  плиты, ослабленной отверстиями, определяется из соотношения:

 

 

Толщина плиты:

 

Где d=30 диаметр болта, соединяющего балку и опору.

 

 

12.Расчет и проектирование подвижного опорного узла [1]

 

 

Рис. 7-Конструкция подвижного опорного узла балки.

 

1. d – диаметр болта в нашем случае d =30 мм
2. α- коэффициент линейного расширения
3. ΔТ – конструкционный диапазон температур
4. l- пролет балки
5. W-момент сопротивления сечения балки
6. М_ср – средний изгибающий момент
7. С- добавка(10 мм)

 

Общая длина паза равна : приращением L от действия изгибающего момента, от колебания Т°, а также включает в себя d болта и припуск (на всякий случай).

 

 

Где,

λ≈10÷12;

∆Т – колебания  температуры среды (100°С);

С=10мм;

Е= - модуль упругости

Определяем  :

 

М_ср=

 

    ;    

 

Определяем  :

 

=

 

Однако, эта формула  представлена в литературе включая  в себя величину С, как некий запас. Но совсем не учитывает явления автовибрации, который как и температурный  фактор  приводит к колебанию  длины L. Но в формулу введен дополнительный член .

 

Определяем  :

  ;

=

 

 

Определяем С: С=14,5+12.2+10+30+52,8=119,5

 

 

 

13.Лабораторный практикум [1]

 

Ознакомление с технологией мониторинга сохраняемости геометрии сварных СС и окружающей среды.

Цель работы: изучить методику оценки сохраняемости геометрии и среды. В условиях аудитории 1401 с 30.03.12 по 11.05.12.

Приборы для  исследования:

1. Деформометр съемного  типа с переменной базой конструкции МГТУ (1971 г.) (рис.2). 2. Прибор для контроля уровня радиационного фона марки РКСБ-104 (Белоруссия, БЕЛМАЗ, см. рис. 3).

 

Методика проведения лабораторной работы. 

1. Ознакомление и эскизирование. (допускаются современные методы копирования).

2. Ознакомиться с работой  деформометра и прибора РКСБ  в рабочем  режиме на образцах-имитаторах.

3. Записать № измеряемых  образцов и деформометров (заводской  № на корпусе индикаторных  головок). Примечание:

а) Категорически запрещается  трогать узлы резьбовых соединений, крепления головки и подвижной ножки, и прочее, во избежание нарушения показаний микрометра и других подводных частей;

б) Особое внимание обратить на сварные узлы крепления шаровых  опор диаметром 2 мм на ножках деформометра. Для предотвращения соударения шариков с поверхности стола или образца предусмотрена мягкая поролоновая прокладка. Прибор должен находится только либо в руках измерителя, либо на поролоне.

4. Записать шкалу измерений  (красная или черная). Цена деления  по большой шкале равна 10 мкм = 0,01 мм, по малой (практически не используется) – 1 мм.

5. Записать 0 отсчет на  каждом образце показания прибора  и на малой шкале.

6. Взятые для мониторинга  7 образцов «паспортизируются» с  лицевой (№ без штриха) и обратной (№ со штрихом) стороны. Для этого деформометр ставится на сверления (базы) образца, записывают показания (обоих шкал), данные заносятся в таблицу с отметкой времени начала замера на каждом образце с точностью до минуты. Далее проводится измерения с обратной стороны. Таких циклов измерения проводится по 3 на каждом образце, но только не сразу, а в цикличном порядке: сначала измеряется с лицевой и обратной стороны все образцы, затем все повторяется. Достаточно отметить время начала измерений.

Примечание: необходимо соблюдать одинаковые условия измерений по max возможным; помимо порядка измерения образцов необходимо соблюдать идентичность расположения прибора в руках измерителя. Схему измерения записать. В том числе и расположения членов бригады, а тем более стол.

7. Один студент из группы проводит измерения расположения фона согласно м/у А4-29.

Контролируются параметры  сварного соединения  Материал образцов -низкоуглеродистая сталь. Размеры 150x50x2 мм. На каждом образце для оценки геометрической нестабильности просверлены отверстия ("реперные точки").

Замеры проводятся с помощью механического деформометра съемного типа конструкции МВТУ , с переменной базой измерения линейной деформации. Рабочий ход (измеряемая база) - до 200 мм. Коэффициент усиления деформометра К_д≈1,5. Цена деления-0,01 мм =  10 мкм. Точность измерения - 5 мкм.

Замеры проводятся следующим  образом. В специально фиксируемое  время шаровые опоры деформометра устанавливаются на «реперные точки» с лицевой стороны, обозначенной номером образца (например, образец 20). После снятия показаний этот образец переворачивается на обратную сторону, обозначенную номером образца со штрихом (образец 20'), и снова проводится замер с помощью деформометра.

Проделав  такую же операцию со вторым образцом, полученные в шкале реального времени, привязанной к датам измерений, результаты, а также данные по колебаниям температуры окружающей среды (в аудитории 1401) во время замеров следует записать в протокол эксперимента.

                                          

 

 

 

Приложение. [1]

 

В данной курсавой работе , при расчете и проектирование подвижного опорного узла были взяты данные из лабораторного практикума на тему “Мониторинг нестабильности”. Цель данной лабораторной работы – замерить автовибрации , которые необходимо учитывать для обеспечения сохраняемости и безопасности ответственных конструкций общего и специального назначения.

Мониторинг сохраняемости  геометрии сварного соединения

 

Рис. 8. Образец с имитацией сварного соединения

Контролируются параметры  сварного соединения (образцов в виде полос с имитацией продольного шва, выполненного шовной сваркой - рис. 9, образец 20). Материал образцов -низкоуглеродистая сталь. Размеры 150x50x2 мм. На каждом образце для оценки геометрической нестабильности просверлены отверстия ("реперные точки").

Замеры проводятся с помощью механического деформометра съемного типа конструкции МВТУ (рис. 10), с переменной базой измерения линейной деформации. Рабочий ход (измеряемая база) - до 200 мм. Коэффициент усилениядеформометраК_д≈1,5. Цена деления-0,01 мм =  10 мкм. Точность измерения - 5 мкм.

Замеры проводятся следующим  образом. В специально фиксируемое  время шаровые опоры деформометра устанавливаются на «реперные точки» с лицевой стороны, обозначенной номером образца (например, образец 20). После снятия показаний этот образец переворачивается на обратную сторону, обозначенную номером образца со штрихом (образец 20'), и снова проводится замер с помощью деформометра.

 

 

 

 

Рис. 9. Деформометр:

1. - испытуемый образец;
2. - индикаторная головка часового типа;
3. - корпус деформометра;
4. — подвижная консоль деформометра;
5. - шаровая опора (с приваренным стальным шариком 02,1 мм)

                      Оценка сохраняемости геометрии сварного соединения (СС)

Сохраняемость является одним из основных показателей качества и надежности изделий, материалов и их соединений. В ходе эксперимента в аудитории 1401 геометрия образцов изменялась и под воздействием других факторов (температуры в помещении, радиационного фона и т.д.), что также вызывало определенные трудности при традиционной оценке сохраняемости геомегрии СС. Из анализа кривых 1 и 2 видно, что даже на одном и том же образце, измеряемом одним оператором и тем же деформометром, амплитуда колебаний резко меняется.. Этапы "стабильности" (участки кривых "а" и "б") сменяются резкими скачками, достигающими по величине 17мкм (ε = =1,7х10"⁴) за 30 секунд (кривая 2, замеры около 14 ). За 1.2 месяца поведение образца изменилось коренным образом. Амплитуда колебаний заметно возросла (более чем в 2 раза), соответственно и число "стабильных" участков сократилось.