CC BY
9УДК 674.093.026
И.Н. СЕРПИК, д-р техн. наук, А.В. АЛЕКСЕЙЦЕВ (aalexw@mail.ru), А.А. ЛУКАШ, кандидаты техн. наук, Брянская государственная инженерно-технологическая академия
Методика анализа деформаций формообразования рельефной фанеры
Рельефная фанера может эффективно применяться в строительстве при изготовлении ячеистых стеновых панелей или в качестве облицовочного материала для отделки жилых помещений (рис. 1) [1].
Материал представляет собой пакет из листов шпона, которые склеивают между собой в разнотолщинной пресс-форме, имеющей выступы и впадины [2, 3]. Опыт изготовления рельефной фанеры показывает, что в ряде случаев при склеивании шпона возникает разрушение лицевого листа (рис. 2). В связи с этим представляется актуальным определение параметров пресс-формы, обеспечивающих сохранение целостности изготавливаемого изделия. Для этого необходимо разработать методику теоретической оценки нагруженности шпона в процессе склеивания фанеры.
Данный вопрос рассматривается авторами применительно к прямоугольной в плане плите фанеры, получаемой прессованием при постоянном по длине поперечном сечении рабочей траверсы пресса. Цель исследований — получение методики расчета напряженно-деформированного состояния пакета слоев шпона. Решение задачи осуществляют с помощью плоской модели путем дискретизации деформируемого объекта на основе метода конечных элементов в рамках метода перемещений [4]. Учитывается физически нелинейное поведение листов шпона, геометрическая нелинейность, обусловленная влиянием больших перемещений на геометрию рассматриваемой системы, и конструктивная нелинейность, связанная с переменностью контакта рабочей
траверсы и шпона в зонах скруглений траверсы. Основы математического аппарата для такого моделирования изложены в работе [5].
Методика решения задачи. Рассматриваем кинематическое нагружение пакета шпона (рис. 3), полагая, что верхняя плита пресса и пресс-форма являются абсолютно твердыми телами. Задаем вертикальное перемещение Ц() верхней плиты как функцию от времени и
Запишем условие динамического равновесия системы конечных элементов при прессовании пакета в виде:
№&})]&}+№&})}=№)}, (1)
где [М(^})], — матрица масс и вектор узловых
реакций, зависящие от обобщенных перемещений ^}; ^^)} — вектор внешних сил.
Принимаем начальные условия, соответствующие нулевым перемещениям и скоростям: (^(0)}=0; {^(0)}=0). Решаем начальную задачу на основе метода прямого интегрирования уравнений (1). Используем предпосылку метода Ньюмарка [6] о постоянных значениях ускорений на каждом шаге интегрирования.
Для реализации такого подхода к анализу больших перемещений строим конечно-элементные модели, рассматривая геометрию системы в деформированном состоянии. При этом для учета физической, геометрической и конструктивной нелинейности используем касательные матрицы жесткости конечных элементов [4]. На основании этих матриц может быть сформирована касательная [Кт] матрица для конечно-элементной мо-
Рис. 1. Потолок помещения, облицованный рельефной фанерой a I W(t)
Рис. 2. Разрыв лицевого листа шпона, склеенного в разнотолщинной пресс-форме
7
V.
/////////////
23
7
/////////////
Рис. 3. Схема работы пресс-формы на примере использования пятислойного пакета шпона: а - пакет слоев между абсолютно твердыми телами; б - узел А без разделки кромок; в - узел А со скруглением кромок: 1-5 - слои пакета; 6 - верхняя плита пресса; 7 - пресс-форма
б
6
1
А
L
rj научно-технический и производственный журнал
М ® декабрь 2012 31
Слой 1
о
Рис. 4. Модель контакта пакета и пресс-формы в зоне скругления (а) и диаграмма работы контактных элементов (б): 1, 2, 3 - фиктивные стержни
Z
2
1
S
Рис. 5. Структура системы конечных элементов рассматриваемой половины симметричного объекта: 1-5 - срединные плоскости слоев; 5 - стержневые конечные элементы; Р - плоские треугольные конечные элементы
140 120 100 80 60 40 20
R=0
1 - 20-40;
2 - 40-60;
3 - 60-80;
4 - 80-100;
5 - 100-120;
6 - 120-140
б
250
200
150
100 R=0
R=2
100-150; 150-200; 200-250
Рис. 6. Максимальные нормальные напряжения в лицевом слое при Р=1 МПа (а) и Р=2 МПа (б)
дели системы в целом. Полагаем, что на каждом шаге Д? численного интегрирования решается линейная задача. Для начального времени ги-1 некоторого шага п рассматривается матрица масс [М(гп_1)] и касательная матрица жесткости [Кт(гп-1)]. Вектор |Д^п})| для момента времени ?п окончания п-го шага интегрирования может быть приближенно определен по формуле:
(2) (3)
где {ДZk) — вектор приращений перемещений на k-м шаге.
Моделирование контакта лицевого слоя шпона с пресс-формой выполняли в соответствии со схемой (рис. 4, а), а путем задания фиктивных стержневых контактных элементов, испытывающих деформации растяжения-сжатия, — в соответствии с диаграммой (рис. 4, б), где Д/(- — величина зазора для стержня i; Al, N — абсолютная деформация и продольная сила в стержне; Дlja, N, Nia — условные положительные величины, вводимые для приближенного описания работы контакта.
До достижения перемещения Al значения Alia, несколько меньшего величины Al, рассматривается относительно малая фиктивная жесткость стержней. С дальней-
шим увеличением сжатия учитывается фиктивная жесткость, значительно превосходящая жесткость фанеры.
Пример. Рассматривали технологический процесс получения пятислойной рельефной фанеры, изготавливаемый из березового шпона, каждый лист которого имеет размеры 120x1000x1,75 мм. Расчет выполняли для различных сочетаний радиусов скругления R внутренних кромок пресс-формы и пролетов рельефного рисунка L (рис. 2) при R = 0; 1; 2 мм, где нулевой радиус указывает на отсутствие скругления, и L = 20, 40; 80 мм. Механические параметры шпона принимали на основе литературных источников [7, 8] и полученных при изготовлении фанеры такого типа экспериментальных данных.
Использовали пластинчато-стержневую расчетную схему. При формировании конечно-элементной модели (рис. 5) узлы размещали по срединным плоскостям слоев фанеры.
Внешние связи вводили в соответствии с условиями опирания и симметрией объекта. Здесь волокна слоев 1, 2, 3 направлены параллельно оси х, слоев 4, 5 — перпендикулярно плоскости ху. Деформации слоев 1, 3, 5 в направлении оси х и деформации всех слоев в направлении оси у, а также условия контакта слоя 1 с нижней траверсой моделировали стержневыми конечными элементами, испытывающими только деформации растяжение-сжатие.
Сдвиговые деформации всех слоев описывали плоскими треугольными конечными элементами, имеющими по три степени свободы в узле (по два перемещения в направлениях координатных осей и углу поворота в плоскости расчетной схемы) [9]. Установлено, что наиболее опасными зонами с точки зрения максимальных напряжений являются участки контакта листов шпона с краем выступа пресс-формы. В этой зоне и рассматривали стержневые конечные элементы. Наибольшие расчетные напряжения получили в слое, который соприкасался с пресс-формой. Разработанные алгоритмы реализованы в программном комплексе DГVLOC-SEGMENT. На рис. 6 приведены объемные графики максимальных нормальных напряжений в слое 1 фанеры при рассматриваемых значениях R и L для средних давлений сжатия пресса Р= 1 и 2 МПа. На основе проведенных расчетов были получены следующие результаты по геометрии пресс-формы.
1. При использовании пресс-форм с пролетом рельефного рисунка 20 мм условие получения фанеры без дефектов может быть достигнуто при давлении до 1,5 МПа без разделки кромок траверсы. При давлении 2 МПа пресс-форма должна иметь радиус скругления кромок 2 мм.
2. Для пресс-формы пролетом 40 мм радиус скругления кромок при давлении 1 МПа должен составлять 1 мм, при давлении 1,5 и 2 МПа — 2 мм.
3. Для пресс-формы пролетом 80 мм уровень давления пресса не должен превышать 1 МПа. При этом кромки пресс-формы можно не скруглять. Заключение. Разработана методика расчета напряженно-деформированного состояния шпона при получении рельефной фанеры в разнотолщинной пресс-форме. Рассмотренная вычислительная схема позволяет подбирать геометрические параметры пресс-формы, обеспечивающие сохранение целостности получаемого изделия. Рекомендуется использовать выполненные разработки при назначении технологических процессов изготовления фанеры с рельефным рисунком.
Полученные зависимости были применены при разработке конструкций пресс-формы. При изготовлении опытной партии рельефной фанеры на лицевой стороне полученных изделий трещины и разрывы отстутствовали.
Ключевые слова: строительство, рельеф, фанера, пресс-форма, деформации.
б
a
N
0
3
4
5
a
научно-технический и производственный журнал Q'j'pfjyrj'ijj^jlj^js "32 декабрь 2012 Ы ®
Список литературы
1. Лукаш А.А., Плотников В.В., Савенко В.Г., Ботагов-ский М.В. Ячеистые стеновые панели из древесных материалов // Строительные материалы. 2009. № 2. С. 72-73.
2. Пат. РФ 2212334. Устройство для склеивания древесных слоистых материалов. / А.А. Лукаш. Опубл. 20.09.2003. Бюл. № 26. 2 с.
3. Лукаш А.А., Плотников В.В., Савенко В.Г., Ботагов-ский М.В. Новые строительные материалы — рельефная фанера и плита фанерная ячеистая // Строительные материалы. 2006. № 12. С. 38—39.
4. Zienkiewicz O.C., Taylor R.L. The finite element method for solid and structural mechanics. Sixth edition. Oxford: Elsevier Butterworth-Heinemann. 2005. 631 pp.
5. Серпик И.Н. Лелетко А.А., Алексейцев А.В., Милако-ва А.А., Горбачев С.М. Оптимальный синтез рамных металлических каркасов гражданских зданий с учетом за-проектных воздействий // Теория и практика расчета зданий, сооружений и элементов конструкций. Аналитические и численные методы: Сб. труд. II меж-дунар. науч.-практ. конф. М.: МГСУ, 2009. С. 263—273.
6. БатеК. Методы конечныхэлементов. М.: Физматлит, 2010. 1024 с.
7. Боровиков А.М., Уголев Б.Н. Справочник по древесине. М.: Лесная промышленность, 1989. 296 с.
8. Куликов В.А., Чубов А.Б. Технология клееных материалов и плит. М.: Лесная промышленность, 1984. 344 с.
9. Serpik I.N. Development of a new finite element for plate and shell analysis by application of generalized approach to patch test // Finite Elements in Analysis & Design. 2010. Vol. 46. № 11. Рр. 1017—1030.
В издательстве «Стройматериалы» Вы можете приобрести специальную литературу
Учебное пособие «Химическая технология керамики»
Авторы - Андрианов Н.Т., Балкевич В.Л., Беляков А.В., Власов А.С., Гузман И.Я., Лукин Е.С., Мосин Ю.М., Скидан Б.С. Освещены вопросы современного состояния технологии основных видов керамических изделий строительного, хозяйственно-бытового и технического назначения, а также различных видов огнеупоров. Главное внимание уделено основным процессам технологии керамики и ее свойствам. Подробно изложены характеристика различных видов сырья, проблемы подготовки керамических масс различного вида и их формование различными методами, особенности механизмов спекания, а также дополнительные виды обработки керамики: металлизация, глазурование, декорирование, механическая обработка. Детально описаны свойства керамических изделий - механические, деформационные, теплофизические, электрофизические, в том числе при высоких температурах.
Пособие может быть полезно специалистам, работающим в области технологии керамики и огнеупоров.
Книга «Керамические пигменты»
Авторы - Масленникова Г.Н., Пищ И.В.
В монографии рассмотрены физико-химические основы синтеза пигментов, в том числе термодинамическое обоснование реакций, теория цветности, современные методы синтеза пигментов и их классификация, методы оценки качества. Приведены сведения по технологии пигментов и красок различных цветов и кристаллических структур. Описаны современные методы декорирования керамическими красками изделий из сортового стекла, фарфора, фаянса и майолики.
Книга предназначена для научных сотрудников, студентов, специализирующихся в области технологии керамики и стекла, а также для инженерно-технических работников, занятых в производстве керамических изделий и красок. Будет полезна для специалистов других отраслей промышленности, где применяются высокотемпературные пигменты.
Книга - «Технология производства стеновых цементно-песчаных изделий»
Авторы - Балакшин Ю.З., Терехов В.А.
писано производство и применение стеновых материалов методом вибропрессования из цементно песчаных бетонов. Рассмотрена существующая и перспективная номенклатура изделий и их свойства. Даны характеристики сырьевым материалам - песку, щебню, вяжущим и химическим добавкам, и рекомендации по подбору состава бетонной смеси. Подробно представлена технология производства цементно-песчаных вибропрессованных стеновых изделий. Особое внимание уделено технологическому контролю на производстве и техническому контролю и обслуживанию оборудования. Книга предназначена для организации производственно-технического обучения на предприятии, будет полезна инженерно техническому персоналу и широкому кругу специалистов.
Книга «Сухие строительные смеси. Состав, свойства»
Авторы - Корнеев В.И., Зозуля П.В.
Изложены основы современных представлений о сухих строительных смесях и растворах. Приведены основные определения и классификации сухих смесей. Охарактеризованы составляющие: вяжущие, заполнители, наполнители, функциональные добавки. Показана методика проектирования составов. Описаны основные группы ССС, их состав и свойства. В приложении даны основные применяемые термины и определения, наиболее употребляемые единицы измерения, перечень российских и зарубежных стандартов и др.
Книга «Отечественный опыт возведения зданий с наружными стенами из облегченной кладки»
Автор - Ищук М.К.
Обобщен отечественный опыт возведения зданий с наружными стенами из облегченной кладки. Показана история проектирования и строительства таких зданий. На конкретных примерах зданий, возведенных в конце 1990-х гг. рассмотрены различные дефекты наружных стен с лицевым слоем из кирпичной кладки. Приведены результаты экспериментальных и расчетно-теоретических исследований наружных облегченных стен, инженерные методы расчета различных воздействий на наружные многослойные стены и др.
Книга «Бетоноведение: лексикон»
Автор - д-р техн. наук, профессор Ушеров-Маршак А.В.
Издание подготовлено в виде толкового словаря, ориентированного на формирование понятийно-терминологического аппарата бетоноведения. Учтены тенденции международной интеграции науки о бетоне и его технологии. Особенность издания состоит в насыщенности информацией физико- и коллоидно-химического характера в связи с возрастающей ролью этих знаний при обосновании составов, структур, свойств, технологических процессов получения и службы бетона.
Заказать литературу можно через редакцию, направив заявку произвольной формы по факсу: (499) 976-22-08, 976-20-36
Отечественный опыт возведения зданий с наружными
rj научно-технический и производственный журнал
¿Удекабрь 2012 33
