CC BY
49Список литературы
1. Форсайт Д., Понс Ж. Компьютерное зрение. Современный подход. М.: Вильямс, 2004. 928 с.
2. Прэтт У. Цифровая обработка изображений / Пер. с англ. М.: Мир, 1982.
3. Гонсалес Р., Вудс Р. Цифровая обработка изображений / Пер. с англ. М.: Техносфера, 2005. 1070 с.
РАБОТА БОЛТОВ ВО ФЛАНЦЕВОМ СОЕДИНЕНИИ
Макарова Е.С.
Макарова Екатерина Сергеевна - магистрант, кафедра теории сооружений и технической механики, Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет,
г. Нижний Новгород
Аннотация: в статье анализируется работа болтов на растяжение в зависимости от приложенной нагрузки и величины их предварительного натяжения. Ключевые слова: анализ, удлинение болта, предварительное напряжение, разделение пластин, сжимающие усилия.
Затягивание гайки на болте или температурные воздействия на заклепки приводят к возникновению усилия, действующего вдоль оси, или предварительной нагрузке в крепежных элементах. Ввиду того, что данная нагрузка появляется до приложения внешнего усилия, болт предварительно напряжен. Вследствие данного предварительного нагружения внешние усилия изменяют контактное давление между фланцами; вводится очень малое дополнительное удлинение крепежной детали, в результате чего можно наблюдать, что натяжение болта изменяется, но незначительно.
Данную ситуацию можно проиллюстрировать моделью, показанной на рис. 1.1.
Рис. 1.1. Усилия в элементах фланцевого соединения 21
Затягивание гайки ведет к натяжению крепежной детали с последующим сжатием соединяемых частей. Если предположить, что крепежные элементы и пластины работают упруго, то между силой и изменением длины зависимость прямо пропорциональная, т.е.:
АВ = кьАе (1.1)
АС= -крАе, (1.2) где В - предварительная нагрузка, приложенная к болту; С - сумма сил сжатия между пластинами; кь, кр - жесткость болта и фланцев соответственно.
Значение Ае представляет собой изменение удлинения болта ввиду приложения внешних усилий. До тех пор, пока между пластинами не появится зазор, изменение удлинения болта равно изменению толщины предварительно сжатых деталей.
В том случае, когда соединение не нагружается, начальные усилия, приложенные к крепежным изделиям В0 равны силам сжатия Со (рис. 1.1а).
Как только к соединяемым элементам (рис. 1.1б) прикладывается усилие Т, болт начинает удлиняться, а изначально сжатые пластины утолщаются. Если данное расширение не превысит предварительное сжатие пластин, какое-то давление сохранится (рис. 1.1б). То есть требование равновесия формулируется следующим образом:
В = Ср + Т (1.3) где Т - приложенное внешнее усилие; Ср - сумма приведенных сил сжатия пластин;
В - усилие, возникающее в крепежном элементе после приложения силы Т. Хочется отметить, что с увеличением приложенного внешнего усилия Т происходит увеличение удлинения болта Ае. На рис. 1.1в проиллюстрировано, что ввиду разной жесткости болтов и пластин, приложение внешнего усилия Т влечет за собой большее изменение сжатия в пластинах (обозначение АС), чем при растяжении болта (обозначение АВ). Последующее увеличение внешнего усилия Т в результате уменьшает давление между пластинами до нуля, и они находятся на грани разделения. Из условий упругости зазор между пластинами образуется при приложении усилия, равного:
кь
Т = В
1+-
(1.4)
Как только контакт между пластинами нарушен, усилие в болте В эквивалентно внешнему приложенному усилию Т.
Зависимость изменения усилий в болте от величины приложенной нагрузки проиллюстрировано на рис. 1.2.
Рис. 1.2. Изменение усилий в болте в зависимости от приложенной нагрузки
22
Отношение кькр зависит от фактических размеров соединения. Однако, как показывает практика, чаще всего данное соотношение приблизительно равно 0,05-0,10.
Таким образом, можно сделать вывод, что если пластины не разделились, наибольшее увеличение усилий в крепежной детали из-за приложенного внешнего усилия составляет около 5-10% от предварительной нагрузки на нее. Болты работают на растяжение в том случае, когда направление внешних усилий, которые действуют на соединение, параллельно их продольным осям. Если соединение подвержено статической работе, то качество поверхности крепежных деталей и качество отверстий в пластинах никак не влияют на его работу.
Также хочется заметить, что на несущую способность болтов при их работе на растяжение предварительное натяжение не оказывает никакого воздействия. Это можно объяснить тем, что внутренние напряжения в болтах, возникающие от натяжения гаек, уравновешиваются сжимающими усилиями между соединяемыми элементами.
Приложение внешних усилий N к соединяемым элементам заменяет возникающие между элементами силы сжатия, но при этом равновесие болт -элемент не нарушается [1]. Контакт между пластинами сохраняется. В тот момент, когда внешние усилия N превысят внутренние усилия в болте, возникшие от затягивания гайки, контакт между пластинами прервется, и усилие растяжения в болте будет возрастать.
Таким образом, можно сделать вывод о том, что предварительное натяжение крепежных элементов не влияет на прочность фланцевого соединения. Она зависит от их прочности на растяжение [2].
В таблице 1 приведены варианты конструкции фланцевого узла (схемы расчётной области).
Таблица 1. Расчетные случаи
№
Расчетного случая
_(РС)_
Геометрическая модель фланцевого узла
Фланцевый узел с приварным фланцем и ребрами жесткости
Фланцевый узел с прорезным фланцем и ребрами жесткости
1
Для расчета в ПК Ansys были приняты следующие исходные данные:
Максимальное растягивающее усилие Р^ = 933,7 кН;
Физико-механические свойства конструкционных материалов (КМ) приведены в таблице 1;
В качестве модели материала была выбрана упругопластическая модель с изотропным билинейным упрочнением.
При расчете НДС конструкции фланцевого узла были приняты следующие критерии прочности:
- все элементы конструкции должны работать в упругой области:
а<ат (1.5)
- максимальные действующие напряжения смятия, реализующиеся в локальных зонах элементах конструкции, не должны превышать величину равную трем пределам текучести материала:
а < ЪОт (1.6)
Таблица 2. Физико-механические свойства КМ
Элементы конструкции Материал Предел текучести , МПа Предел прочности , МПа Модуль упругости Е, МПа *Модуль упрочнения Ет , МПа Относительное удлинение материала б %
Труба Сталь 345 325 470 2105 1284 21
Фланец
Ребро жесткости Сталь 5 285 560 2126 20
Болты Сталь 40Х 900 1000 2098 11
Гайка
Шайба
В первом расчетном случае при воздействии максимального растягивающего усилия болты деформируются упруго, действующие напряжения меньше предела текучести, таким образом прочность болтов обеспечивается с минимальным коэффициентом запаса прочности пт = 1,15.
На рисунке 1.3 приведено изменение эквивалентных напряжений от условного времени нагружения (шаг нагрузки). На представленном графике ясно видно, что нагрузка к болтовому соединению прикладывается в два шага нагружения. На втором шаге, при приложении О^Р^ наблюдается резкое возрастание напряжений.
Рис. 1.3. Изменение эквивалентных напряжений от условного времени нагружения
Во втором расчетном случае при воздействии максимального растягивающего усилия болты деформируются упруго. Максимальные эквивалентные напряжения, образующиеся в локальной области (в теле болта) не приведут к разрушению болтов, пластические деформации в них отсутствуют, таким образом прочность болтов обеспечивается с минимальным коэффициентом запаса прочности п = 1,1.
На рисунке 1.4 приведено изменение эквивалентных напряжений от условного времени нагружения (шаг нагрузки). На представленном графике ясно видно, что нагрузка к болтовому соединению прикладывается в два шага нагружения. На втором шаге, при приложении 0,4Ртах наблюдается резкое возрастание напряжений.
5,7001е-2 -|-—1-•-1-—1-1-1--г--•-г-'--'-
0, 0,25 0,5 0,75 1, 1,25 1,5 1,75 2,
М
Рис. 1.4. Изменение эквивалентных напряжений от условного времени нагружения
Список литературы
1. Стронгин С.Г., Шестак Г.А., Тимянский Ю.С., Сербинович П.П. Строительные конструкции, 1979. 520 с.
2. Патлусова К.А. Экспериментальное исследование напряженно-деформированного состояния фланцевого соединения на высокопрочных болтах. Челябинск: ЮУрГУ, АСИ, 2017. 111 с.
