Анализ напряженно деформационного состояния конструкций узла соединения многогранных оболочек на наклонных фланцах при работе в конструкциях опор ЛЭП Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

Анализ напряженно деформационного состояния конструкций узла соединения многогранных оболочек на наклонных фланцах при работе в конструкциях опор ЛЭП

Хорошкеев Евгений Вячеславович

соискатель, АСИ «Самарский Государственный Технический Университет» , [email protected]

В данной статье продолжаем рассматривать многогранную У-образную опору в частности двух цепной многогранной опоры вЛ 110/220 кВ на которую был получен патент № 170640 [1]. Ранее в журнале ВАК «Инновации Инвестиции» №10 2017г. [2] мной рассматривалась работа опоры в целом, анализ подобранной У-образной геометрической схемы. В этой статье рассмотрим напряженно деформированное состояние узла соединения оболочек через наклонные фланцы для этой опоры. Научная новизна заключается в том, что применение указанного фланцевого соединения траверс приводит к снижению металлоемкости (уменьшение толщины фланцев, уменьшению толщины дополнительных ребер, а в некоторых случаях и отсутствие в необходимости дополнительных ребер), путем увеличения площади поперечного сечения оболочки, благодаря наклонному срезу и как следствие увеличение длин сварных швов и болтов у грани. Соединение секций ствола и консольных траверс посредством болтового соединения через наклонные фланцы, позволяет обеспечить прочность и жесткость конструкции опоры путем увеличения длин сварных швов и количество болтов у грани, за счет увеличения длины окружности наклонного среза оболочки и увеличения длины окружности внутреннего диаметра фланца в местах их прикасания. Ключевые слова: МГС - многогранная гнутая стойка, наклонные и прямые фланцы, болтовое соединение через наклонные фланцы, МКЭ - метод конечных элементов, деформации, напряжения, вертикальные ребра, работа сварных швов, усилия, изгибающий момент.

Рис. 1 Патент на полезную модель. «Двухцепная многогранная опора линий электропередач №170640».

Ответственными узлами, определяющими прочность и надежность всей конструкции многогранных опор линий электропередач (ЛЭП) являются Фланцевые соединения. По мимо ручных расчетах, для повышения надежности фланцевых соединений, необходимо применять современные вычислительные комплексы ЭВМ в основу метода расчета которых положен метод конечных элементов (МКЭ). Теоретический анализ работы фланцевых соединений был широко рассмотрен в научных трудах И.А.Биргера и Г.Б.Иосилевича [2]. Ученые рассматривали расчет соединения с кольцевыми контактирующими фланцами методом конечных элементов (МКЭ). Как они считают, что при его использовании учитываются все виды деформаций фланца, а также форма стыка, наличие и характер сопряжения с трубой (корпусом, многогранной оболочкой). Предположим, что в соединении с равной силой Р0 затянут каждый болт. В результате поступательного перемещения фланцев под действием сил Р0 произойдет их деформация, а в стыке возникнут контактные давления р0.

Если предположить, что соприкосновение фланцев в этом случае осуществляется через зоны контакта площадью АоЬ (Ь=1,2,3...,п -номер болта), уравнение равновесия одного из фланцев примет вид

Давление ро в точках зон контакта и площади этих зон заранее не доступны; их можно определить, решив пространственную контактную задачу.

Для упрощения решения задачи целесообразно предположить, что при сравнительно большом числе болтов осесимметричные флан-

I I

О

В *

£

I

т П Н

цы контактируют под действием осесимметрич-ных сил, равномерно распределенных по окружности радиусом с расположения осей болтов.

Fon qo=-

2КС

У ы tt Е

5

«

tt

6 Е Е

Рис. 2

Такое допущение, как показывает результаты экспериментов, не вносит существенных погрешностей в распределение контактных напряжений на стыке фланцев при шаге болтов, соответствующем общепринятым рекомендациям.

При более точном расчете можно принять, что нагрузки на фланцы от головок болтов передаются по кольцевому поясу, площадь которого равна, например, суммарной площади опорных поверхностей гаек (головок болтов). В итоге, проведя ряд преобразований получим систему линейных алгебраических уравнений для определения неизвестных контактных давлений и кинематического перемещения фланцев.

Формирование и решение этой системы -основная функция программы решения контактной задачи на ЭВМ.

Расчет узла на наклонных фланцах проводился в автоматизированном вычислительном комплексе SCAD. Данный комплекс способен реализовать конечно-элементное моделирование статических и динамических расчетных схем, проверку устойчивости, выбор невыгодных сочетаний усилий, подбор арматуры железобетонных конструкций, проверку несущей способности стальных конструкций. Именно метод конечных элементов с использованием в качестве основных неизвестных перемещений и поворотов узлов расчетной схемы положен в основу расчета комплекса SCAD.

В расчетной схеме нагрузки на узлы передаются через абсолютно жесткую вставку в верхней части оболочки. Максимальные нагрузки предварительно были получены из расчета опоры как системы в целом в режиме «максимальный ветер под 90° к линии» (рис.4).

У1.8

утг

У1.3

УЧ.»

Eü_

уч.з

уи

V1.1

Ш—

Уоя

2ÍL

уо.г

У 0.8

УО.5

ya.«

у о.з уод У0.1

Рис. 3 Расчетная схема. Общий вид.

Рис. 4 Расчетные нагрузки.

На рисунках видно, что максимальный изгибающий момент равный М = 60 т*м, вертикальное сжимающее усилие N = 6,2 т, а боковое сдвигающее усилие О = 8,3 т.

Как и во всех фланцевых соединениях, наклонный фланец при работе испытывает изгиб. Между оболочкой и ребрами жесткости в пластине фланца возникают изгибающие моменты, которые способны деформировать фланец и

разорвать сварные швы. Концентрация напряжений возрастает в местах соединения наклонного фланца с ребрами, гранью оболочки и в отверстиях болтовых соединений.

Анализ расчета напряжений в наклонных фланцах показал, что нормальные напряжения (рис 5), а также не маловажные напряжения, возникающие в пластинах у поверхности каждой грани ребер, оболочки (рис.6,7) не превышают допустимых напряжения для стали С345.

а) Напряжения Ых. б) Напряжения Ыу.

Рис. 5 Эпюра нормальных напряжений Ых,Ыу (кН/м2).

а) Напряжения Эх верх. б) Напряжения Эх низ. Рис. 6 Эпюра напряжений на поверхности граней Эх верх, Эх низ (кН/м2).

• 1 Ь* Мри (1Н/и2> и

■ ■мил

■и— ■В'-' шиш

•■нл 'ИЛИ

а) Напряжения Эу верх. б) Напряжения Эу низ. Рис. 7 Эпюра напряжений на поверхности граней Эу верх, Эу низ (кН/м2).

Ребра жесткости (вертикальные ребра) в данном узле воспринимают сжимающие и растягивающие усилия. Основная их задача передать часть усилий от оболочки к фланцу. Максимальное напряжение возникает в ребрах, которые расположены в плоскости изгиба. Концентрация напряжений возникает в местах соединения ребра с оболочкой и фланцем.

Анализ расчета напряжений в вертикальных ребрах жесткости показал, что нормальные напряжения (рис 8), а также не маловажные напряжения, возникающие в пластинах у поверхности

каждой грани ребер, оболочки (рис.9,10) не превышают допустимых напряжения для стали С345.

■ ■■ил

к-]

1НИ1Ж

10»« ы.

Л Щ 1«1»1№

11Я1М5

ЛЯ*»

| 75Ki.CC вар.г?

^^ЯИРДЧ? имчч

шгалш

нум/ча и

■ ни

' I я

ЛИУЛ

ИПЯЛ ■

141 мн

-гг" Ш*Л1«

иП"""

МИШ

а) Напряжения Ых. б) Напряжения Ыу.

Рис. 8 Эпюра нормальных напряжений в оболочке Ых,Ыу

(кН/м2).

& мр. («И/ч2| I

■ ■ни

/I,,

л) :«Н'и?.1 I

III! Л

=1 =

1159865«: 15авг и

ц жаьэя изыск

I

(I

К

*

а) Напряжения Эх верх. б) Напряжения Эх низ. Рис. 9 Эпюра напряжений на поверхности граней Эх верх, Эх низ (кН/м2).

__ )

а) Напряжения Эу верх. б) Напряжения Эу низ.

Рис. 10 Эпюра напряжений на поверхности граней Эу верх,

Эу низ (кН/м2).

Еще хочется обратить внимание на работу болтовых соединений. В данном соединении болты достаточно разместить в один ряд (рис.11). По 6-ть болтов у каждой грани. На рис. 11 можем проанализировать полученные усилия в болтах.

9

»1

а) Усилие Ы б) Усилие Мк

Рис. 11 Растягивающие и сжимающие усилия болтов

фланцев Ы(кН), закручивающий момент Мк (кН*м).

I I

О в

£

I

т П Н

а) Усилие Му б) Усилие Ог

Рис. 12 Изгибающий момент Му(кН*м), Сдвигающее усилие

Ог (кН).

У Ы tt Е

5

«

tt

6 Е Е

а) Усилие Мг б) Усилие Оу

Рис. 13 Изгибающий момент Мг(кН*м), Сдвигающее усилие

Оу (кН).

Из анализа возникающих усилий видно, что максимальные из всех усилий являются растягивающие и сжимающие. Изгибающие и сдвигающие усилия значительно малы по сравнению с растягивающими. Болты во фланцах растягиваются и сжимаются.

Вывод: Была проведена большая работа по расчету узла соединения многогранных оболочек на наклонных фланцах. Во всем вышеизложенном можно отметить, напряженно деформированное состояние узла удовлетворяет всем нормам и требованиям. Анализ показал, что узел соединения оболочек через наклонные фланцы способен выдержать все нагрузки, действующие на опору. Наклонные фланцы и вертикальные ребра передающие усилия с верхней оболочки на нижнюю отвечают условиям прочности, сохраняя свою надежность, устойчивость, а разнесенные по фланцам болты в один ряд не дают оболочкам поворачиваться относительно друг друга. Наклонный фланец позволил значительно снизить толщины фланцев и вертикальных ребер. Данное решение облегчает процесс изготовления, путем уменьшения размеров соединяемых элементов, значительно снижает отходы, и облегчает конструкцию опор в целом. В следующем году планируется провести испытания нововведенного узла в испытательном центре для дальнейшего внедрения его в одностоечные конструкции, работающие одновременно на изгиб, кручение и сдвиг.

Литература

1. Патент на полезную модель №170640

2. Журнал «Инновации инвестиции №10. 2017.

3. И.Б. Биргер, Г.Б. Иосилевич. Резьбовые и фланцевые соединения.

4. Пособие по проектированию стальных конструкций опор воздушных линий (ВЛ) электропередачи и открытых распределительных устройств (ОРУ) подстанций напряжением свыше 1кВ (к СНиП II-23-81*).

5. Пособие по проектированию стальных конструкций (к СНиП II-23-81*).

6. Коптева В.Б., Коптев А.А. Фланцевые соединения: конструкции, размеры, расчет

7. Волошин А.А. Григорьев Г.Т. «Расчет и конструирование фланцевых соединений. Второе издание, переработанное и дополненное. Ленинград «Машиностроение» 1979г.

8. Деклу, Ж. Метод конечных элементов Текст / Ж. Деклу. - М.: Мир, 1976г.

9. Бате К. Численные методы анализа и метод конечных элементов Текст / К. Бате. - М.: Стройиздат, 1982.г

Analysis of the stress-strain state of the structure of the junction of multi-faceted shells on inclined flanges during operation in the structures of power line supports Khoroshkeev E.V. Samara State Technical University

In this article we continue to examine the multi-faceted Y-shaped support, in particular a chain of two polygonal poles VL 110/220 kV which was obtained by patent No. 170640 [1]. Earlier in the journal VAK "Innovations Investments" №10 2017. [2] I considered the work of the support as a whole, the analysis of the selected y-shaped geometric scheme. In this article, we consider the stress-strain state of the shell joint Assembly through the inclined flanges for this support. Scientific novelty lies in the fact that the use of the specified flange connections traverse leads to the reduction of metal (reducing the thickness of the flanges, reducing the thickness of the additional rib, and in some cases the lack of required additional edges) by increasing the cross sectional area of the shell, due to the inclined slice and as a consequence increasing the length of the welds and bolts have the edge. The connection sections of the trunk and console traverse through bolted connection through the inclined flanges, allows to ensure the strength and rigidity of the support by increasing the lengths of welds and number of bolts have the edge, due to the increase of the circumference of the inclined cut of the shell and increase the length of the circumference of the internal diameter of the flange in the places of their touching. Key words: MGS -faceted curved front, sloped and straight flanges, bolted pan flanges, FEM - finite element method, deformation, stresses, vertical fin, the work of welds, stress, bending moment.

References

1. Patent for utility model No. 170640

2. Journal of Innovation Investment No. 10 of 2017

3. I.B. Birger, G.B. Ioselevich. Threaded and flanged connections.

4. Manual on the design of steel structures of the overhead lines

(overhead lines) of power transmission and open distribution devices (ORU) of substations with voltage above 1 kV (to SNIP II-23-81 *).

5. Manual on the design of steel structures (to SNiP II-23-81 *).

6. Kopteva VB, Koptev AA Flange connections: structures, dimensions, calculation

7. Voloshin A.A. Grigoryev G.T. "Calculation and design of flange connections. The second edition, revised and enlarged. Leningrad "Mechanical Engineering" 1979g.

8. Dekla, G. Finite Element Method Text / J. Declus. - Moscow: Mir,

1976.

9. Bate K. Numerical Analysis Methods and Finite Element Method Text / C. Bathe. - Moscow: Stroyizdat, 1982.