Металлические конструкции ГПМ

ют круглый стержень (рис.38, д). Это требует весьма качественного выполнения сварного со-

где: t0 20мм;

20 - находят по графикам, приведённым на рис.3929. Эти графики получены с помощью МКЭ при t f tw 1,7 и bt f 100

С уменьшением относительной толщины пояса, концентрация напряжений несколько снижается, и, например, при t f tw 1 - значение конструктивного коэффициента будет на 15-20%

меньше. Конструктивный коэффициент может быть также получен как k в результате расчёта напряжённого состояния МКЭ с размером конечных элементов l (2 4)t f .

Установка диафрагмы, приваренной к криволинейному поясу, способствует снижению концентрации напряжений в узле.

4.4.3 Прерывистые связи

Прерывистыми связями называют концентраторы в виде уступа, образующиеся в местах примыкания к основной балке дополнительных элементов, продольных рёбер, косынок, планок и пр. (рис. 40). В этих узлах имеет место значительная концентрация напряжений, локализованная

врайоне окончания прерывистой связи.

Врасчётах на прочность эта концентрация напряжений не учитывается, так как при уп- руго-пластическом состоянии материала она поглощается местной текучестью. При эксплуатации конструкций в условиях низких темпера-

дующее приближённое выражение для определения конструктивного коэффициента (обозначения на рис.40):

kb 1 0,44bL ; (4.4.15)

Соответственно для двухопорной балки с силой посередине следует считать L равным половине пролёта.

Для консольной коробчатой балки с равномерно распределённой нагрузкой q также в корне консоли:

kb 1 1,75bL 1,7 bL 2 ; (4.4.16)

Для двухопорной балки с равномерно распределённой нагрузкой q: kb 1; (4.4.17)

С удалением от зоны максимального стеснения дополнительные напряжения снижаются и на расстоянии x > b от заделки влияние стеснения исчезает.

Из приведённых формул следует, что стеснение при изгибе имеет более или менее существенное значение только для коротких и широких балок. При L>10b максимальное значение дополнительных напряжений не превышает 5-10% от номинальных.

Данный фактор является одной из причин снижения значения коэффициента условий работы d в расчёте на сопротивление усталости для тех случаев, когда действующие напря-

жения определяют по гипотезе плоских сечений.

4.4.6 Сварные соединения

Сварные соединения, как правило, обладают более или менее значительными концентраторами напряжений. Ими могут быть и неснятые усиления швов, и различные накладки, рёбра жёсткости, а также наружные или внутренние дефекты швов. В стыковых соединениях усталостные трещины чаще всего зарождаются с поверхности по линии сплавления шва с основным металлом. Сведения о значениях коэффициента концентрации напряжений формы стыка Ф в зависимости от параметров усиления шва весьма обширны. Наибольшая концентрация напряжений обычно имеет место со стороны проплава. При этом наличие неснятого проплава оказывает на предел выносливости значительно более сильное влияние, чем наличие в наплавленном металле пор. Это объясняется тем, что для сферических пор, не выходящих на поверхность металла, коэффициент концентрации напряжений 2,05, тогда как значение Ф в зоне перехода

от основного металла к усилению шва или проплава может быть существенно выше. Для различных типовых сварных соединений характерные величины теоретических коэффициентов концентрации напряжений:

Степень влияния концентрации напряжений на выносливость конструктивного элемента может оказаться различной в случае, если концентратор располагается в основном металле или в зоне сварного соединения. Так, при испытаниях различных типов соединений из низколегированной стали М16с, были получены пределы выносливости представленные в таблице:

Теоретический коэффициент концентрации напряжений для поперечных стыковых швов

Большой массив данных по пределам выносливости сварных узлов различных типов при различных типах нагружения представлен в [18]. Указанные в п. 4.4.6 теоретические коэффициенты концентрации напряжений не применяют для определения конструктивного коэффициента k , а используют для аналитико-сравнительной оценки долговечности узла конструкции.

_______________________________________________________________________________________

Значение k , определяемое в п. 4.4 используется для определения эффективного коэффициента

Рис.43 На графике, обозначения кривых (0,4; 0,5; 0,55; 0,6; 0,7; 0,8) это отношение предела текучести к пределу выносливости - Т В .

4.5 Методика прогнозирования долговечности конструкций при эксплуатационном нагружении.

Расчётные зоны.

Расчёт на сопротивление усталости проводится в целях проверки невозникновения усталостной трещины:

1.В конкретном месте конструкции;

2.При определённом режиме эксплуатационного нагружения;

3.В течение установленного ресурса.

Поэтому параметры всех трёх перечисленных факторов (свойств, воздействий и длительности работы) присутствуют в расчёте. Расчёт является проверочным, так как для его выполнения необходимо знать геометрические параметры и конструктивно-технологическое исполнение конструкции.

В подавляющем большинстве случаев усталостная трещина возникает в зоне концентрации нормальных напряжений и поэтому в расчёте на сопротивление усталости нагруженность обычно характеризуется нормальными напряжениями. Исключение составляет расчёт сварных соединений с угловыми швами, которые рассчитываются на срез по условным касательным напряжениям, а также те случаи, когда в рассчитываемом узле кроме высоких нормальных напряжений действуют существенные касательные напряжения и в расчёте следует учитывать их

совместное действие. В связи с этим основное внимание уделено типовому расчёту по нормальным напряжениям, а в необходимых случаях будут даны пояснения по учёту влияния касательных напряжений.

Расчёт на сопротивление усталости выполняется для конкретного места конструкции, потенциально наиболее опасного с позиции возникновения усталостного разрушения. Это место называют расчётной зоной (РЗ). Расчётными зонами следует считать такие места конструкции, в которых сочетаются достаточно большой размах номинальных напряжений от внешней нагрузки ( max min ) и существенная концентрация напряжений от сварных или болтовых соеди-

нений, галтельных переходов, вырезов и пр. Их можно подразделить на две группы:

1-ая группа. В неё входят расчётные зоны (РЗ-1), расположенные в основных сечениях конструкции, в области наибольших растягивающих напряжений, в которых действуют высокие, существенно изменяющиеся в процессе работы машины номинальные напряжения. Далее в этих сечениях, в области действия максимальных (или близких к максимальным) растягивающих напряжений, выбираются узлы, создающие наибольшую концентрацию напряжений (места приварки рёбер, кронштейнов, накладок или фланцев, болтовые соединения и пр.). Зоны концентрации напряжений в этих узлах и называются расчётными зонами первого типа (РЗ-1).

Основным сечением считается поперечное сечение элемента конструкции (балки, рамы или стержня), число циклов нагружения которого пропорционально числу циклов работы крана, а разрушение – приводит к потере несущей способности конструкции в целом. Примеры РЗ-1 и РЗ-2 (что такое РЗ-2 см. ниже) приведены на рис.44

РЗ-2

Рис.44

Расчёт на сопротивление усталости РЗ-1 является проверкой конструкции по условию долговечности, так как возникновение в них усталостной трещины может привести к катастрофическим последствиям и свидетельствует об исчерпании ресурса конструкции в целом.

2-ая группа. Объединяет расчётные зоны (РЗ-2), представляющие собой сварные узлы, для которых уровень действующих напряжений и/или число циклов нагружения не пропорциональны весу груза и числу циклов работы крана. Это узлы, воспринимающие местные нагрузки от ходовых колёс или роликов, узлы статически неопределимых конструкций, загруженность которых в основном обусловлена перекосом, погрешностями крановых путей или установки колёс, узлы крепления кронштейнов, поддерживающих галереи или механизмы передвижения мостовых кранов, и т.п. В большинстве случаев поле напряжений в районе РЗ-2 существенно нелинейно, что затрудняет применение технической теории изгиба балок, а процесс нагружения неизвестен. В связи с этим обычно удаётся выполнить только сравнительную оценку их долговечности. Появление усталостных трещин в РЗ-2, как правило, не приводят к значительным авариям.

Основной расчёт на сопротивление усталости выполняется по РЗ-1, далее в процессе конструкторской доработки проекта выполняются расчёты по РЗ-2.

4.6 Расчёт на сопротивление усталости

4.6.1 Общие положения

Расчёт на сопротивление усталости является проверочным и выполнятся по РЗ-1 (см. п.4.5), т.е. по узлам, расположенным в наиболее нагруженных основных сечениях. Этот расчёт

целесообразно начинать с проверки на неограниченную долговечность, которая проще и требует меньшего объёма исходной информации. В случае отрицательного результата этой проверки, необходимо выполнить уточненный расчёт РЗ-1 на ограниченную долговечность. Если и это условие не будет выполнено, необходимо изменить конструкцию узла или параметры сечения балки или принять технологические меры, обеспечивающие повышение сопротивление усталости. После введения изменений в конструктивно-технологическое решение, проводится повторный расчёт на сопротивление усталости. Эти операции следует выполнять для всех наиболее нагруженных РЗ-1.

Если повторный расчёт подтвердил достаточную долговечность конструкции по РЗ-1, то выполняется проверка долговечности узлов местного нагружения (РЗ-2). Следует иметь в виду,

что выполнение условия неограниченной долговечности для основных сечений (РЗ-1) не даёт основания считать, что обеспечена долговечность и узлов местного нагружения. Необ-

ходимость проверки сопротивления усталости того или иного узла определяется на основании опыта эксплуатации подобных конструкций и анализа напряжённого состояния наиболее нагруженных узлов. В случае отрицательного результата расчёта какой-либо РЗ-2 требуется провести изменение конструкции или технологии изготовления рассчитываемого узла.

4.6.2 Характерные технологические циклы работы крана.

Работа крана может проходить по различным технологическим схемам. Для моделирования процесса нагружения необходимо составить набор характерных технологических циклов (ХТЦ) работы крана. Сформировать ХТЦ можно на анализе грузопотоков и размещения оборудования в зоне обслуживания крана.

Если же таких данных нет или проектируется серийный кран, который может работать по разным схемам, то назначаются такие ХТЦ (один или несколько), которые создают наибольший размах напряжений ( max min ) в рассчитываемой РЗ. Причём для расчёта каждой

РЗ может быть построен свой ХТЦ, обеспечивающий наибольший размах изменения напряжения в этой зоне. Такое решение даёт дополнительный запас надёжности. Например, для расчёта РЗ-1 в центральном сечении главной балки мостового крана наихудшим ХТЦ будет (рис.45, ХТЦ1):

1.Подъём груза в середине пролёта;

2.Перемещение тележки в крайнее положение;

3.Перемещение крана;

4.Опускание груза;

Для расчёта концевой балки наихудшим ХТЦ (ХТЦ2) будет:

1.Подъём груза в крайнем положении у рассчитываемой концевой балки;

2.Перемещение крана;

4.6.3 Расчётное число циклов работы крана

Число циклов работы крана за срок службы на стадии проектирования задаётся классом использования U0 – U9. Однако при проектировании обычно указывается группа режима крана А1 – А8. Каждой группе режима соответствует несколько комбинаций классов использования и режимов нагружения Q1 – Q4. Для расчёта на сопротивление усталости следует выбрать наименее благоприятную комбинацию. Она характеризуется режимом нагружения Q4, с коэффициентом распределения нагрузок КР=1 и классом использования, соответствующим заданной группе

тальные динамические нагрузки (kT , Fy1 ), собственные веса конструкции и тележки (табл.1,

комбинация Ib );

Так производится расчёт номинальных напряжений для каждого (если их несколько) ХТЦ. Таким образом, становится известно, что в анализируемом процессе нагружения присутствует n-ое количество ХТЦ, каждый из которых имеет свои максимальное max напряжение, мини-

мальное min и коэффициент асимметрии R min max . Чтобы учесть влияние касательных на-

пряжений (при их наличии и высоком значении), достаточно вычислить их максимальное и минимальное значения в пределах каждого ХТЦ ( max и min ).

4.6.5 Обработка процесса нагружения.

Процесс нагружения элементов конструкций всегда нестационарный. Усталостные характеристики и условия сопротивления усталости даются для случая стационарного нагружения. Поэтому нестационарные процессы нагружения РЗ следует заменить эквивалентными по создаваемому усталостному повреждению стационарными. Для этого необходимо выполнить следующие операции:

1.Схематизировать процесс, т.е. разложить на отдельные циклы (ХТЦ);

2.Привести циклы нагружения к общему коэффициенту асимметрии (обычно приводятся к R 1 - симметричный цикл);

3.Определить параметры эквивалентного стационарного нагружения;

4.6.6 Определение усталостных характеристик расчётной зоны

Усталостными характеристиками РЗ являются пределы выносливости31 – 1К или при расчёте по касательным напряжениям – 1К , а также показатель наклона усталостных кривых по нормальным (m ) и касательным (m ) напряжениям.

Для определения предела выносливости рассчитываемого узла на любой базе и при любом значении коэффициента асимметрии цикла необходимо иметь32:

значение предела выносливости при симметричном цикле на базе N0 2 106 циклов на-

гружения ( 1К , 1К );

описание диаграммы предельных напряжений на базе N0 2 106 циклов;

описание усталостной кривой;

Для определения пределов выносливости необходимо по табл.23 подобрать тип базового концентратора, соответствующий конструкции узла, в котором расположена РЗ. При этом следует добиться того, чтобы не только конфигурация, но и характер нагружения базового концентратора и узла в конструкции были подобны. Особо внимательно к этому необходимо относится при расчёте РЗ-2, находящегося в условиях плоского напряжённого состояния. В этих случаях иногда приходится проводить два варианта расчёта:

по направлению наиболее значительного концентратора;

по направлению наибольшего размаха напряжения;

4.6.6.1 Предел выносливости при симметричном цикле стационарного нагружения на базе N0 2 106 циклов.

Предел выносливости сварного узла вычисляется по формуле33:

1К kt 1КВ ; (4.6.1)

где: kt - коэффициент влияния толщины основного элемента сварного узла;

1КВ - базовый предел выносливости, (табл.20 и табл.21); Значение коэффициента влияния толщины определяется следующим образом:

kt t0 t 0,2 ; (4.6.2) или kt t0 t 0,25 (4.6.2-1)

31Предел выносливости при симметричном цикле в узле конструкции, где есть какой-либо концентратор.

32Представленный материал базируется на обзоре и анализе результатов экспериментальных исследований, а также российских и зарубежных норм.

33В отдельных случаях для определения предела выносливости может быть использована формула (4.4.19).

где: t - толщина того элемента узла, по которому происходит усталостное разрушение (табл.23); t0 20 мм;

t d - для стержня, приваренного к листу (табл.23, поз.29);

Таблица базовых значений пределов выносливости (см. табл.20 и табл.21) содержит ряд значений, каждое из которых является пределом выносливости для определённой группы узлов, имеющих примерно одинаковый уровень концентрации напряжений. Примеры узлов и элементов конструкций с номерами групп, к которым они отнесены, приведены в табл.23.

Узлы и элементы, не содержащие сварных соединений, в основном (по табл.20) относятся к группам 1–3, а со сварными соединениями - к группам 4–10. Пределы выносливости узлов без сварных соединений и с низкой концентрацией напряжений зависят от свойств материала, поэтому в группах 1–3 введены подгруппы, соответствующие различным уровням прочности сталей.

Установленные значения пределов выносливости ( 1КВ или 1К ) при симметричном цикле на базе N0 2 106 циклов нагружения, найдены при толщине основных элементов узла

t0 20 мм. Эти значения соответствуют вероятности обеспечения 0,9 ? 0,95, т.е. при наиболее

неблагоприятном сочетании номинальных значений конструктивно-технологических параметров (конструкции и размеров швов, свойств материала и пр.) и заданном качестве изготовления узла.

Расчёт на сопротивление усталости сварных соединений с угловыми швами по сечению шва производится по касательным напряжениям. Значение предела выносливости при этом следует принимать равным 1К 43 МПа, поэтому в табл.23 для таких случаев указана группа концентраторов 7 по табл.20.

Базовые значения пределов выносливости по [7] указана в табл.21. Группы узлов для данной таблицы также указаны в табл.23.

При необходимости, для определения 1К , совместно с формулой (4.6.1), можно использовать данные из п. 4.4. При этом необходимо учесть масштабный фактор, п. 4.3.4.

4.6.6.2 Предел выносливости при произвольном значении коэффициента асимметрии цикла

стационарного нагружения, на базе N0 2 106 циклов.

Для циклов с m 0 (среднее напряжение), предел выносливости определяется по макси-

В соответствии с [21] значение коэффициента для узла конструкции, в котором отсутствует концентрация напряжений, можно определить по формуле:

со значениями, вычисленными по формуле (4.6.4’), идет в запас надёжности.

Для нахождения предела выносливости RK элемента либо узла с каким-либо концентратором напряжений на базе N0 2 106 , при некотором значении коэффициента асимметрии цикла

R , следует найти предел выносливости при симметричном цикле ( 1К ), после чего вычислить требуемое значение по формуле:

где: К - коэффициент чувствительности узла к асимметрии цикла, определяется по следующим формулам:

Значения 1 в зависимости от группы (табл.23) можно выбирать по табл.20 и 21. либо вычислять по группе формул (4.3.4). Значения 1К определяются по (4.6.1).

Для сварных узлов со значительной концентрацией напряжений и высокими остаточны-

1.Сертификатам на металл (если не было произведено ни одного цикла нагружения).

2.Результатам испытаний металла узла конструкции, по которому производится данный расчёт.

3.По данным соответствующих ГОСТов, либо по данным – [7].

Более точные результаты расчёта получаются при назначении данных механических характеристик по результатам испытаний, потому что при этом отражается истинная картина состояния металла рассчитываемого узла.

4.6.6.3 Предел выносливости при произвольном значении коэффициента ассиметрии цикла стационарного нагружения, на произвольной базе N циклов.

Для определения предела выносливости на произвольной базе ( RKN ) необходимо иметь описание усталостной кривой. Для этого используются следующие допущения: