CC BY
153
УДК 620.172.2
ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ПРОЧНОСТИ И ЖЕСТКОСТИ НЕСУЩЕЙ МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ СЕТКИ ИЗ СТАЛИ 12Х18Н9Т В СОСТАВЕ ПЛАСТИНЧАТО-СЕТЧАТОЙ ПАНЕЛИ
М. А.Федорова, З. Н. Соколовский
Омский государственный технический университет (ОмГТУ), Россия, г. Омск
Аннотация. Приводятся результаты экспериментального исследования диаграммы растяжения металлической тканой сетки из нержавеющей стали 12Х18Н9Т и экспериментально-теоретической оценки величины максимальных остаточных напряжений в нитях сетки после сборки. Показано существенное различие механических характеристик сетки в сравнении с характеристиками исходного материала. Анализируются причины этого различия. В заключении, на основе обобщённых полученных экспериментальных значений механических характеристик приводится билинейная аппроксимация диаграммы растяжения сетки.
Ключевые слова: металлическая сетка, модуль упругости, предел текучести, предел упругости, остаточные напряжения.
Введение
Металлическая сетка 1-0.9-
0.22, изготавливаемая по ГОСТ 3826-82 из нержавеющей стали 12Х18Н9Т, является несущим элементом пластинчато-сетчатой панели (ПСП) [1], предназначенной для шумо- и виброизоляции. Сетка, на которую крепятся металлические пластины, является основой крепления звукопоглощающего материала (слои ткани из базальтового волокна), обеспечивает всей конструкции гибкость, вместе с пластинами является виброгасителем, обеспечивает необходимую прочность.
При изготовлении сетки нити натягиваются и изгибаются, а также подвергаются термическим воздействиям. Поэтому механические характеристики сетки отличаются от соответствующих
характеристик исходной нити, которые, в свою очередь, отличаются от характеристик исходного материала вследствие нагартовки и термообработки проволоки. Без определения механических свойств сетки невозможен ее расчет в составе ПСП [2,3], что и определяет актуальность задачи, проводимых авторами исследований. Расчеты обычно производят на базе билинейной диаграммы растяжения.
Экспериментальные результаты
Необходимые параметры:
Бпффт - эффективный модуль упругости
проволоки, извлеченной из сетки, на растяжение, который, очевидно, должен быть
меньше исходного модуля материала Б вследствие ее кривизны и предварительного пластического деформирования проволоки;
Б^фф- эффективный модуль упругости сетки на растяжение;
г^р2сет, (ГОТ - условный предел текучести
проволочки, извлеченной из сетки, и условный предел текучести сетки, соответственно;
г"врсет, гсВет- предел прочности проволочки, извлеченной из сетки, и предел прочности сетки, соответственно;
8 - относительное удлинение при разрыве;
(¡ост - максимальные остаточные напряжения в проволоке сетки на момент начала ее эксплуатации в составе ПСП;
Гпцсет - предел пропорциональности
проволоки в составе сетки, значение которого необходимо для расчетов по линейной модели;
гспц - предел пропорциональности сетки.
Исследовалась сетка из стали 12Х18Н9Т с размером стороны ячейки в свету 0,9 мм и диаметрами проволок основы и утка б = 0,22 мм [4]. Справочные данные [5,6] по исходным механическим характеристикам материала приведены в таблицах 1 и 2, достаточно разнятся и могут быть использованы лишь как ориентировочные.
Таблица 1 - Механические характеристики стали 12Х18Н9Т по ГОСТ 18143-72 [5]
Марка стали Диаметр проволоки Термообработанная Холоднотянутая
Временное сопротивление разрыву, Н/мм2 Относительное удлинение, %; при расчётной длине образца 100 мм Временное сопротивление разрыву, Н/мм2
1 класс 2 класс
не менее
12Х18Н9Т 0.20 - 1.00 590 - 880 25 20 1130 - 1470
Таблица 2 - Механические свойства листа стали 12Х18Н9Т в зависимости от степени пластической деформации [6]
Степень обжатия, % а0,2 (МПа) ав(МПа) б (%)
Закалка 1050 °С, вода
0 280 - 400 550 - 650 40 - 50
30 900 950 12
70 1150 1250 3
Модуль упругости стали по справочным данным - Е =1,8-105 МПа.
Для определения механических свойств сетки авторы испытывали на растяжение непосредственно сетку и извлеченные из сетки проволочки (рисунок 1).
Рис. 1. Внешний вид проволоки, извлечённой из сетки 1-0.9-0.22 12Х18Н9Т
Извлеченные проволочки практически сохраняли кривизну, приобретенную при плетении (при исходной толщине сетки
h = 2d « 0,44 мм соответствующий размер извлеченной проволоки составил 0,39 мм). Это свидетельствует о наличии значительных
остаточных напряжений т^Т в проволоке.
Промером извлеченной проволоки оценивался ее радиус кривизны и длина волны, которые затем использовались в расчетной части исследования, где нить сетки моделировалась стержнем постоянной начальной кривизны.
Эксперименты проводились на испытательной машине ZWICK/ROELL Z010 рисунок 2 и на стенде, схема и фото которого представлена рисунке 3.
а) б)
Рис. 2. Фото испытания сетки на ^ЮК^ОЕН 7010: а) внешний вид испытательной машины,
б) испытание на растяжение куска сетки
В испытаниях на машине в осях: г -условное напряжение растяжения одной нити и 8 - относительное удлинение, строились диаграммы растяжения, как извлеченной проволоки, так и куска сетки. Обработкой полученных графиков определялись Ефф;т,
Есет _ пр сет _ сет _ пр сет _ сет с о эфф , Г0,2 , Г0,2 , ГВ , ГВ , 8 . В
результате получено:
- для извлеченных проволок без предварительного растяжения
Ефф = (1,34... 1,5) • 104МПа, г^сет = (238...307) МПа,
гпврсет = (806...846) МПа, 8 = (31,2...32,2)% ; - для извлеченных проволок с предварительным растяжением г « 560МПа после разгрузки и последующей нагрузки Епэрфет = (2,2...2,4) • 104 МПа,
гпврсет = (806...826) МПа, 8 = (11,9...19,6)%; - для сетки Ефф = (1,33...1,38)• 104 МПа, г0се2т = (200...346) МПа,
гсвет = (638...660) МПа, 8 = (17,3...24,1)%.
Рис. 3. Схема и общий вид установки для испытаний извлеченной проволоки на растяжение: 1 - зажим, 2 - испытываемая проволока, 3 - платформа для грузов, 4 - микрометр
В опытах на установке рисунке 3 нагрузка F изменялась пошагово. На каждом шаге нагружения фиксировалось напряжение растяжения (, относительное удлинение 81 после нагружения и после разгрузки.
900 800 700 600 500
ст, МПа 400 300 200 100 0
Строилась диаграмма деформирования Г -81, определялся секущий модуль
упругости при нагружения ЕН и модуль упругости при разгрузке Е^. На рисунке 4 представлены экспериментальные значения
Г - 8:
▲
А А
д ▲
А
А А , Эксперимент
/ 1—Бил инейна ая
г
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
е, %
Рис. 4. Диаграмма растяжения извлеченной нити
22
1
2
При оценке предела пропорциональности тппЦсет принято, что его значение примерно
соответствует
л ЕР - ЕН Д = ■
отклонению
ЕН от
ЕР
ЕР
100% не более 25% [7].
1,20 1,00 0,80 0,60 Л, % 0,40 0,20 0,00 -0,20 -0,40
♦__! ' — > ♦
♦ г
♦
♦
0 сет 1 < тпц 0 —>- 20 Ю 3( 04 Э0 5( Л По 06 Э0 7( 0 80
Рис. 5. Зависимость Л от а
В результате получено
тПЦсет ~ 160 МПа (см. рисунок 5). При этом
среднее значения модуля упругости при нагрузке извлеченной проволоки при т < 160МПа составило ЕН и 1,37• 104МПа,
т.е. практически совпало со значением Ефф;т
для извлеченных проволок без предварительного растяжения и
результатами испытания сетки ЕЭфффф на
машине ZWICK/ROELL Z010. Условный предел текучести сетки из известного соотношения для стали
Ттах + Тпц = 677 МПа .
пЦ
0,5...0,7
(228...300) МПа и тоже
соответствует опытным данным т£е2т. Такое
согласование данных даёт основания полагать, что для оценки прочностных характеристик сетки достаточно испытать проволочку, извлечённую из сетки.
Предполагаем, что полученное в опытах для извлеченных проволок с предварительным растяжением
= 2,3 • 104МПа = Е . При
160 МПа
значение ЕЭффф
нагрузке, соответствующей тпц
расчетным путем в линейной постановке определены максимальные напряжения в круговом стержне с геометрическими параметрами извлеченной проволоки. Они составили ттах = 517МПа. Расчетное значение соответственно для исходного
материала тпцрссч Этот результат примерно соответствует справочным данным при степени обжатия 20...30 % (таблица 2). Значит максимальные остаточные напряжения в извлеченной
проволоке ттсат и ттах > 517 МПа. Т.е. для значительной части сечения ЕН < Е (из опыта
ЕН
при
т) = 517 МПа,
4 • 103 МПа).
Расчетное ЕН с учетом остаточной кривизны
проволоки ЕЦтфрссч = 1,28 • 104МПа и очень
близко к опытному значению. Все сказанное в совокупности объясняет почти 10-кратное уменьшения эффективного модуля растяжения сетки в сравнении с исходным модулем. Подобное уменьшение модуля упругости после пластической деформации отмечено авторами [8].
В опытах на растяжение сетки тсВет и 650МПа,т0се2т и 300 МПа. Уменьшение
т°Вет в сравнении с результатами испытаний извлеченной проволоки объясняется неравномерным распределением нагрузки между проволочками. Относительное удлинение при разрыве извлеченной проволоки несколько выше справочных значений для исходной стали, видимо из-за распрямления изначально искривленной нити.
В заключении рассмотрим построение билинейной диаграммы растяжения для сетки, необходимой для расчетов прочности ПСП.
<7
0,2
Приняв Ефф и 1,37 • 104МПа, вычисляем относительное удлинение
300
е(тП2) =--• 100 и 2,18%. Билинейная
0.2.1,37 • 104
аппроксимация диаграммы растяжения сетки приведена на рисунке 5, где принято 8 = 18%.
Заключение
Жесткость и прочность сетки не может быть рассчитана на базе справочных данных для исходной стали.
1) Механические характеристики сетки могут быть определены после обмера и испытаний извлеченной из сетки проволоки без распрямления.
2) Эффективные модуль упругости, условный предел текучести и предел прочности нити сетки определяются из диаграммы растяжения извлеченной нити с разгрузкой после каждого шага нагружения.
3) Эффективный предел пропорциональности оценивается как среднее напряжение растяжения, при котором модули нагрузки и разгрузки не отличаются больше чем на 25 %.
4) Остаточные напряжения в проволоке сетки определяются расчетом стержня с круговой осью как максимальные напряжения при нагрузке, соответствующей эффективному пределу пропорциональности.
5) При предварительной оценке жесткости сетки на растяжение эффективный модуль упругости следует считать как (1/10.1/15) от модуля упругости исходной стали.
6) С целью увеличения предела прочности сетки целесообразно перед эксплуатацией предварительно растянуть сетку при напряжениях, равных эффективному пределу пропорциональности, для выравнивания распределения нагрузки между нитями.
Библиографический список
1. Панель звукоизолирующая: пат. № 2340478 Рос. Федерация: МПК7 В 60 Р 13/08, G 01 К 11/16 / Зубарев А. В., Трибельский И. А., Адонин В. А., Малютин В. И.; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное унитарное предприятие «Научно-производственное предприятие «Прогресс». - № 2007131186/11; заявл. 15.08.2007; опубл. 10.12.2008, Бюл. № 34. -8 с.
2. Федорова, М. А. Анализ динамики ПСП при ударных нагрузках / М. А. Федорова, С. А. Корнеев. // Динамика систем, механизмов и машин: Материалы VIII Международной научно-технической конференции (Омск, 13-15 ноября 2012 г.) в пяти книгах, Книга I. - Омск, 2012. - С. 63 - 67.
3. Корнеев, С. А. Аналитический расчёт собственных и вынужденных колебаниий пластинчато-сетчатой панели / С. А. Корнеев, М. А. Федорова // Омский научный вестник Серия: Приборы, машины и технологии.. - 2011. - № 3 (103). - С. 129-133.
4. ГОСТ 6613-86 Сетки проволочные тканые с квадратными ячейками. Технические условия. -М.: ИПК Издательство стандартов, 2003. - 16 с.
5. ГОСТ 18143-72 Проволока из высоколегированной коррозионностойкой и жаростойкой стали. Технические условия. - М.: Изд-во стандартов, 1991. - 10 с.
6. Сталь марки 12Х18Н9Т: [Электронный ресурс] // Центральный металлический портал РФ, 2009-2014. Режим доступа: http:// metallicheckiy -portal. ru/marki_ metallov/stn/ 12X18H9T /. (дата обращения: 18.02.2014)
7. ГОСТ 1497-84 Металлы. Методы испытаний на растяжение. - М.: Изд-во стандартов, 1984. - 12 с.
8. Головин, С. А. Упругие и демпфирующие свойства конструкционных металлических материалов / С. А. Головин, А. М. Пушкар, Д. М. Левин. - М.: Металлургия, 1987. - 190 с.
RESEARCH OF PARAMETERS OF STRENGTH AND STIFFNESS OF THE BEARING METAL GRID FROM STEEL 12Х18Н9Т COMPRISING A PLATE-MESH PANEL
M. A. Fedorova, Z. N. Sokolovsky
Abstract. The results of experimental studies the diagram expansion of a metal woven mesh stainless steel 12Х18Н9Т and experimentally-theoretical estimation of the maximum residual stress from the thread of the mesh after the assembly. Shows a significant difference in the mechanical characteristics of the mesh in comparison as compared with the characteristics of the original material. The reasons for this difference. In conclusion, on the basis of the generalized experimental values of mechanical characteristics is bilinear approximation of the diagram expansion of the mesh.
Keywords: metal mesh, elastic modulus, yield stress, modulus, residual stress.
References
1. Zubarev A. V., Tribelsky I. A., Adonin V. A., Malyutin V.I. Panel zvukoizoliruyushhaya [The sound proof panel]. Patent RF, no 2340478, 2008.
2. Fedon^^ M. A., Korneev S. A. Analiz dinamiki psp pri udarnyx nagruzkax [The analysis PSP loudspeakers at shock loadings]. Dinamika sistem, mexanizmov i mashin: materialy viii mezhdunarodnoj nauchno-texnicheskoj konferencii (omsk, 13-15 noyabrya 2012 g.). Omsk, 2012, pp.63-67.
3. Korneev S. A. Fedorova M. A. Analiticheskij raschyot sobstvennyx i vynuzhdennyx kolebaniij plastinchato-setchatoj paneli [Analytical calculation of own and compelled kolebaniiya of the lamellar and mesh panel]. Omskij nauchnyj vestnik, 2011, no 3 (103), pp. 129-133.
4. GOST 6613-86. The wire mesh woven with square cells. Technical conditions. Moscow, 2003. 16 p.
5. GOST 18143-72. Wire of alloy corrosion-resistant and garotas coy steel. Technical conditions. Moscow, Izd-vo standartov, 1991, 10 p.
6. Stal marki 12x18n9t. Centralnyj metallicheskij portal rf, 2009-2014. url [Stell mark]. Available at:
http://metallicheckiy_-_portal.ru_/marki
metallov/stn/12X18H9T. (accessed 18.02.2014)
7. GOST 1497-84 Metals. Methods of tensile
tests. Moscow,1984, 12 p.
8. Golovin S. A., Pushkar A. M., Levin D. M. Uprugie i dempfirujushhie svojstva konstrukcionnyh metallicheskih materialov [Elastic and damping properties of structural metallic materials]. Moscow, Metallurgiya, 1987, 190 p.
Федорова Мария Александровна (Россия, Омск) - старший преподаватель кафедры «Сопротивление материалов» Омского государственного технического университета
УДК 624.012
(ОмГТУ). (644080, Россия, г. Омск, пр. Мира, 11, е-mail:marija_af@mail. ru)
Соколовский Зиновий Наумович (Россия, Омск)) кандидат технических наук, доцент кафедры «Сопротивление материалов» Омского государственного технического университета (ОмГТУ). (644080, Россия, г. Омск, пр. Мира, 11, е-mail: [email protected])
Fedorova M. A. (Russian Federation, Omsk) -post-graduate student of the of the «Resistance of Materials» department Omsk state technical university (OmGTU). (644080, Omsk, Mira Ave, 11, e-mail: marija_af@mail. ru)
Sokolovsky Z. N. (Russian Federation, Omsk) -candidate of Technical of Sciences, associate professor the of the «Resistance of Materials» department Omsk state technical university (OmGTU), (644080, Omsk, Mira Ave, 11, е-mail:[email protected])
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ КОРОТКИХ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ БАЛОК
А. И. Шеин, О. В. Снежкина, Р. А. Ладин, А. А. Киселев
Пензенский государственный университет архитектуры и строительства, Россия, г. Пенза
Аннотация. В статье приведены результаты натурных и численных исследований напряженно-деформированного состояния коротких железобетонных балок с пролетом среза а^0 <1,5. Определен характер распределения нормальных, касательных и главных напряжений. Построены линии максимальных, равных и нулевых напряжений. Выявлены зоны концентрации главных напряжений. Согласно картине напряженно-деформированного состояния коротких балок с а^0 до 1,5, поверхность бетона разделена на четыре характерные зоны: первая зона представляет собой наклонную полосу, расположенную между грузовой и опорной площадками, в пределах которой концентрируются главные сжимающие напряжения; вторая зона представляет собой горизонтальный участок в нижней части балки, в пределах которого концентрируются главные растягивающие напряжения; третья и четвертая зоны располагаются с внутренней и с внешней стороны сжатого наклонного участка бетона и характеризуются малыми напряжениями.
Ключевые слова: короткие железобетонные балки, экспериментально -теоретические исследования, напряженно-деформированное состояние, трешиностойкость, прочность.
Введение
На кафедре "Строительные конструкции" ПГУАС на протяжении ряда лет проводятся экспериментально-теоретические исследования железобетонных конструкций, направленные на совершенствование методов расчета и конструирования коротких железобетонных элементов (короткие балки, консоли, ригели с подрезками, перемычки и ригели двухветвевых колонн, приопорные участки обычных балок и др.). Приведенные в статье натурные и численные исследования
позволили выявить особенности напряженно-деформированного состояния коротких железобетонных балок с пролетом среза a/h0 <1,5 при действии поперечных сил.
Натурный эксперимент
Планировалось изучение работы сжатой и растянутой зон коротких балок при изменении следующих факторов: пролета среза a/h0 <1,5, количества продольной арматуры |s=0,6 - 1,2 %,влияния распределенной арматуры. Всего авторами испытано 10 образцов. Опытные образцы коротких балок
