CC BY
0
и
Расчет многоцикловой усталости рамных узлов
А.К. Аль-Сабаеи
Белгородский государственный технологический университет имени В. Г. Шухова
Аннотация: Одной из основных причин разрушения конструкций является усталость (fatigue^, которая обуславливается разрушением при повторяющейся циклической нагрузке.
Вибрационная прочность сварных соединений зависит от высоты катета сварных швов, эквивалентные напряжения по Мизесу и общие перемещения рамных узлов строительных металлоконструкции, испытывающих многоцикловые нагружение надежность рамных узлов при их усилении.
Ключевые слова: усиления, рамных узлов, металлические конструкции, многоцикловая усталость, прочность, катет сварного шва.
Введение
Опыт эксплуатации усиленных металлоконструкции показал, что одной из основных причин, приводящих к разрушению узлов, является их многоцикловая усталость, возникающая при повторяющейся циклической нагрузке.
Возникает вопрос о том, что же влияет на величину вибрационной прочности сварных соединений рамных узлов металлоконструкции [1].
Есть два способа решить эту задачу: экспериментальный и расчётный, нами выбран расчётный метод с созданием конечно-элементной модели рамного узла с определёнными граничными условиями.
Методы исследований Для решения поставленной задачи использовано моделирование, с применением пакета Ansys SOLID186. Получены результаты в виде:
1. Суммарных перемещений;
2. Эквивалентных напряжений по 4й теории прочности;
и
3. Количества циклов до разрушения после многоциклового нагружения;
4. Силы реакции в заделке.
Разработана конечно-элементная модель с определёнными граничными условиями.
Созданы 3D-модели элемента Колонна - Балка. Для CAD-моделирования использовался пакет Ansys SpaceQaim.
Рис. 1. - Конечно-элементная модель
По геометрическим моделям были созданы конечно-элементные модели, содержащие в себе элементы высокого порядка (срединные узлы). Модели содержат гексаэдральные и тетраэдральные элементы. Размер элемента равен 6 мм.
Были применены следующие величины нагрузок:
Для балок 18x25 - -68646,55 Н.
Направление статической нагрузки и места фиксации отображены на рисунке ниже. На всех балках места граничные условия идентичны, приведем часть из них [2].
Рис. 2. - Граничные условия для балки сечением 18Б1х25К1:
а- усиления с помощью накладки, б- усиления с помощью накладки,
уголок и ребро.
и
Результаты моделирования образцов сечением 18x25 1- усилением с помощью накладки:
а- Размер профиля - 18х25мм, катет сварного шва - 6 мм.
Рис. 3. - Общие перемещения Общие перемещения балки при статическом нагружении равны 0,62
мм.
Рис. 4. - Эквивалентные напряжения по Мизесу
Максимальные эквивалентные напряжения балки при статическом нагружении по первому варианту равны 335,6 МПа. Наблюдаются в нижнем уголке усиления.
и
Рис. 5. - Коэффициент запаса прочности
Коэффициент запаса прочности в сварных швах верхней и нижней деталей усиления при заданном пределе текучести материала меньше 1, что означает появление в этих зонах пластических деформаций [3].
Рис. 6. -Количество циклов до разрушения Минимальное количество циклов до разрушения при симметричном
нагружении балки составляет 4652 циклов. Признаки усталостного
разрушения наблюдаются в нижнем и верхнем уголке усиления.
и
Рис. 7. - Расчетная долговечность в сварных зонах деталей усиления
Таблица № 1
Сила реакции в заделке
Сила реакции, Fx, Н Сила реакции, Fy, Н Сила реакции, Fz, Н Модуль силы реакции, Н
4,137e-005 68647 1,4985e-005 68647
б- Размер профиля - 18х25мм, катет сварного шва - 8 мм.
Рис. 8. - Общие перемещения Общие перемещения балки при статическом нагружении равны 0,82 мм
и
Рис. 9. -Эквивалентные напряжения по Мизесу
Максимальные эквивалентные напряжения балки при статическом нагружении по первому варианту равны 382,39 МПа. Наблюдаются в нижнем уголке усиления.
Рис. 10. - Коэффициент запаса прочности
Коэффициент запаса прочности в сварных швах верхней и нижней деталей усиления при заданном пределе текучести материала меньше 1, что означает появление в этих зонах пластических деформаций.
Рис. 11. -Количество циклов до разрушения
и
Минимальное количество циклов до разрушения при симметричном нагружении балки составляет 2987 циклов. Признаки усталостного разрушения наблюдаются в нижнем и верхнем уголке усиления [4].
Рис. 12. - Расчетная долговечность в сварных зонах деталей усиления
Таблица № 2
Сила реакции в заделке
Сила реакции, Fx, Н Сила реакции, Fy, Н Сила реакции, Fz, Н Модуль силы реакции, Н
-3,0343e-005 68647 4,3734e-006 68647
2- усиления с помощью накладки, уголок и ребро.
а- Размер профиля - 18х25мм, катет сварного шва - 6 мм.
Рис. 13. - Общие перемещения
и
Общие перемещения балки при статическом нагружении равны 0,53 мм [5,6].
Рис. 14. -Эквивалентные напряжения по Мизесу
Максимальные эквивалентные напряжения балки при статическом нагружении по первому варианту равны 274,66 МПа. Наблюдаются в нижнем уголке усиления.
Рис. 15. - Коэффициент запаса прочности
Коэффициент запаса прочности в сварных швах верхней и нижней деталей усиления при заданном пределе текучести материала меньше 1, что означает появление в этих зонах пластических деформаций.
и
Рис. 16. -Количество циклов до разрушения Минимальное количество циклов до разрушения при симметричном
нагружении балки составляет 8643 циклов. Признаки усталостного
разрушения наблюдаются в верхнем и нижнем уголке усиления.
Рис. 17. - Расчетная долговечность в сварных зонах деталей усиления
Таблица № 3
Сила реакции в заделке
Сила реакции, Fx, Н Сила реакции, Fy, Н Сила реакции, Fz, Н Модуль силы реакции, Н
-1,309^-005 68647 2,7725e-005 68647
и
б- Размер профиля - 18х25мм, катет сварного шва - 8 мм.
Рис. 18. - Общие перемещения Общие перемещения балки при статическом нагружении равны 0,72
мм.
Рис. 19. -Эквивалентные напряжения по Мизесу
Максимальные эквивалентные напряжения балки при статическом нагружении по первому варианту равны 319,34 МПа. Наблюдаются в нижнем уголке усиления.
Рис. 20. - Коэффициент запаса прочности
и
Коэффициент запаса прочности в сварных швах верхней и нижней деталей усиления при заданном пределе текучести материала меньше 1, что означает появление в этих зонах пластических деформаций.
Рис. 21. -Количество циклов до разрушения Минимальное количество циклов до разрушения при симметричном
нагружении балки составляет 5424 циклов. Признаки усталостного
разрушения наблюдаются в верхнем и нижнем уголке усиления.
Рис. 22. - Расчетная долговечность в сварных зонах деталей усиления
Таблица № 4
Сила реакции в заделке
Сила реакции, Fx, Н Сила реакции, Fy, Н Сила реакции, Fz, Н Модуль силы реакции, Н
2,882^-005 68647 3,4502с-005 68647
и
Обсуждение
На основании анализа полученнных результатов, можно прийти к следующему выводу: модели образцов с малыми катетами сварных швов выдержали большее количество циклов до разрушения, что позволяет предположить значительное влияние на вибрационную прочность рамных узлов от остаточных сварочных напряжений [7,8].
Аналогичное заключение можно сделать и по анализу величин общих перемещений, эквивалентных напряжений по Мизесу и количеству циклов до разрушения [9,10].
Таблица № 5
Общий анализ результатов моделирования
Вариант Нагрузк, Катет Количество Общие Эквивалентные
сечения Н шва, циклов до перемещения, напряжения по
мм разрушения мм Мизесу, МПа
Усиления с помощью накладки
18Б1х 25 К1 68646,55 6 4652 0,62 335,6
8 2987 0,82 382,39
Усиления с помощью накладки, уголок и ребро
18Б1х 25 К1 68646,55 6 8643 0,53 274,66
8 5424 0,72 319,34
Заключение
На основании анализа результатов моделирования выявлено, что надёжность (вибрационная прочность сварных соединений) связана с высотой катета сварных швов, что указывает на влияние остаточных сварочных напряжений на надёжность работы сварных соединении при повторно статических нагружениях.
и
Количество циклов до разрушения, общие перемещения и эквивалентные напряжения по Мизесу подтверждают данное предположение.
При выборе способов усиления строительных металлоконструкций необходимо использовать для изгибаемых элементов методы, уменьшающие пролет конструкции, а для сжатых - уменьшающие их расчётную длину; способы усиления, ведущие к перераспределению напряжений в элементах строительных металлоконструкций за счет изменения расчётных схем здания; снижение расчетных нагрузок и т.п.
Резюмируя вышеизложенное, можно заметить, что при усилении строительных металлоконструкций методом наращивания сечений, необходимо стремиться к снижению уровня остаточных сварочных напряжений, за счет уменьшения массы наплавленного металла сварных швов.
Литература
1. Форрест П., Усталость металлов. Москва: Машиностроение, 1968 —
354 с.
2. Берендеев Н.Н., Сопротивление усталости. Основы. Учебно-методическое. Н. Новгород: Нижегородский госуниверситет, 2010 - 65 с.
3. Абсиметов В.Э., Дефекты монтажа, методы устранения надёжность и долговечность строительных конструкций: монография / Белгород: Изд-во БГТУ, 2021. - 222с.
4. Касьянов В.Е., Котесов А.А., Котесова А.А. Аналитическое определение параметров закона Вейбулла для генеральной совокупности конечного объема по выборочным данным прочности стали // Инженерный вестник Дона, 2012, №2.URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/ n2y 2012/ 804.
5. Касьянов В.Е., Щулькин Л.П., Котесова А.А., Котова С.В / Алгоритм определения параметров прочности, нагруженности и ресурса с помощью аналитического перехода от выборочных данных к данным совокупности//
и
Инженерный вестник Дона, 2012, №4. часть 2. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4p2y2012/1236.
6. Belen'kii D.M., Beskopyl'nyi A.N., Vemezi N.L., Chamraev L.G. Determination of the strength of butt welded joints // Welding International. 1997.-№11. p.643-645.
7. Belen'kii D.M., Vernezi N.L., Cherpakov A.V. Changes in the mechanical properties of butt welded joints in elastoplastic deformation//Welding International. 2004.- №18. p.213-215.
8. Горев В.В. Математическое моделирование при расчетах и исследованиях строительных конструкций: Учебное пособие / Высшая школа, 2002. — 206с.
9. Безлюдько Г.А., Мужицкий В.Ф., Попов Б.Е. Магнитный контроль (по коэрцитивной силе) напряженно-деформированного состояния и остаточного ресурса стальных металлоконструкций // Заводская лаборатория. — 1999. - №9. - С.53-57.
10. Погодин Д.А., Уткин В.С. Определение несущей способности металлических конструкций многократным нагружением одной ступенью в контексте мер возможностей // Строительные конструкции - 2000. 4.2. Металлические конструкции. Сб. материалов науч. - практ. конференции молодых ученых /. МГСУ. - М., 2000. - С.71-75.
References
1. Forrest P., Ustalosf metallov. Moskva [ Metal fatigue. Moscow: Mechanical engineering]: Mashinostroenie, 1968. 354 p.
2. Berendeev N.N., Soprotivlenie ustalosti [Fatigue resistance].Osnovy\ Uchebno-metodicheskoe. N. Novgorod: Nizhegorodskij gosuniversitet, 2010. 65p
3. Absimetov V.E\ Defekty' montazha, metody' ustraneniya nadyozhnosf i dolgovechnosf stroitel'ny'x konstrukcij [Installation defects, methods of
и
elimination reliability and durability of building structures]: Monografiya Belgorod: BGTU, 2021.222p.
4. Kas'yanov V.E., Kotesov A.A., Kotesova A.A. Inzhenernyj vestnik Dona, 2012, №2. URL:ivdon.ru/ru/magazine/archive/n2y2012/804.
5. Kas'yanov V.E., Shhulkin L.P., Kotesova A.A., Kotova S.V«Inzhenernyj vestnik Dona, 2012, №4. chasf2. URL:ivdon.ru/ru/magazine/archive/ n4p2y 2012/1236.
6. Belen'kii D.M., Beskopyl'nyi A.N., Vemezi N.L., Chamraev L.G. Determination of the strength of butt welded joints Welding International. 1997. №11. p.643-645.
7. Belen'kii D.M., Vernezi N.L., Cherpakov A.V. Welding International. 2004. №18. pp.213-215.
8. Gorev V.V. Matematicheskoe modelirovanie pri raschetax i issledovaniyax stroiteFny'x konstrukcij [Mathematical modeling in calculations and studies of building structures]: Uchebnoe posobie. Vy'sshaya shkola, 2002. 206p.
9. Bezlyudko G.A., Muzhiczkij V.F., Popov B.E. Zavodskaya laboratoriya. 1999.№9, pp.53-57.
10. Pogodin D.A., Utkin V.S. StroiteFnye konstrukcii 2000. 4.2. Metallicheskie konstrukcii. MGSU. M., 2000. pp.71-75.
Дата поступления: 7.12.2023 Дата публикации: 3.02.2024
