V Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2013

Внецентренно сжатые элементы широко используются во многих отраслях промышленности. Они могут работать как в упругой, так и в упруго пластической стадии. При этом нормативные документы (включая [1,2]) не содержат рекомендаций по определению деформаций данных стержней. Для исследования напряженно-деформированного состояния применяются различные способы. В последнее время получили широкое распространение программно-расчетные комплексы. Среди них ПК Лира, SCAD Office, Nastran и т.д. [3].

Нами была предпринята попытка оценить возможность применения комплекса SCAD Office 11.5.1 для исследования состояния стального симметричного двутаврового сечения и сравнения результатов с результатами экспериментов [4-7].

Программный комплекс SCAD предназначен для выполнения полного набора расчетов, включая расчет напряженно-деформированного состояния, собственных частот и форм колебаний, анализ устойчивости, исследование установившихся и неустановившихся процессов, нелинейных статических и быстротекущих процессов, нелинейных динамических переходных процессов, расчет критических частот и вибраций роторных машин, анализ частотных характеристик при воздействии случайных нагрузок. В нем предусмотрена возможность моделирования практически всех типов материалов, включая композитные и гиперупругие.

Нами в программе SCAD была спроектирована модель двутавровой колонны со следующими размерами: длина модели 5 м; толщина полок 4 мм; толщина стенка 2,2 мм. В качестве материала для изготовления принята «сталь обыкновенная» R_y = 270 МПа из сортамента комплекса, имеющая наиболее близкие характеристики со сталью ВСт3сп3 НО 14637-89, использованной для изготовления образцов колонн (предел текучести материала стенки , поясов ).

Для более точного расчета и выявления опасных зон колонна была построена из большого числа конечных элементов (КЭ). Стенка двутавра имеет шаг разбивки 0,01 м, т.е. 500 рядов в длину и 18 рядов по высоте. Каждая единица КЭ представляет собой прямоугольную «пластинку». По исходным данным программы все «пластинки» сшиваются, образуя стенку разбитую на сектора и работающую как единое целое.

Полки двутавра заданы с помощью четырех узловых пластин, каждая из которых имеет свою жесткость и толщину, после чего с помощью программной функции «дробление 4х узловых пластин» были разбиты так же, как и стенка на КЭ : 500 рядов по длине верхнего и нежнего пояса (направление X в программе) и 10 по ширине (направление Y в программе).

Для задания эксцентриситета использовалась функция программы «абсолютно твердое тело» ниже АТТ. Размеры АТТ заданы с помощью узлов входящих в него таким образом, что бы эксцентриситет приложения нагрузки равен 100 мм.

С одной стороны расположен неподвижный шарнир устанавливающий связи в направления X Y Z с другой стороны установлен подвижный шарнир устанавливающий связи в направлениях Y Z все по краям полок установлены связи в направлении Y по длине на расстояние l/3 для обеспечения жесткости в направлении Y ( плоскости наименьшей жесткости).

Загружение происходило, как и в опыте, проводимом при испытании колонн на стенде ступенями: на первом этапе (от 20 до 80 кН) шаг составлял 20 кН, после 80 и до 110 шаг был уменьшен до 5 кН с целью уточнения величин критических нагрузок.

На рис.1 представлено сравнение экспериментальных данных с результатами моделирования. Из рисунка видно, что вплоть до нагрузки 80 кН, которая примерно соответствует краевому напряжению, равному пределу пропорциональности материала, экспериментальные и расчетные величины деформаций практически совпадают, при этом отклонения не превышают 5-7%. Следует отметить, что экспериментальные кривые чуть более пологи. При больших нагрузках теоретическая кривая изгибается более полого, что связано с увеличенным коэффициентом запаса, установленным программным комплексом.

 

Рис 1. Диаграмма прогибов моделей в среднем сечении.

 

Разрушение конструкции, как в теоретическом, так и в экспериментальном случае, произошло из-за потери устойчивости сжатым поясом в зоне между упорами, раскрепляющими модели от потери устойчивости из плоскости действия изгибающего момента, при нагрузках 105-110 кН при этом общая теоретическая деформация превышает экспериментальную на 25-32%.

 

Рис 2. Потеря устойчивости сжатым поясом:

а- экспериментальная;

б- смоделированная в SCAD

а)

б) сжатым поясом: а-экспериментальная б-смоделированная

 

В заключение следует отметить, что программный комплекс SCAD может быть использован для компьютерного исследования напряженно деформированного состояния внецентренно-сжатых элементов на различных стадиях, при этом следует учитывать увеличенный коэффициент запаса за пределом пропорциональности. К недостаткам следует отнести отсутствие возможности задания физико-механических характеристик стали (пределы пропорциональности, текучести) и условий сварного соединения. Было бы желательно, чтобы принятая диаграмма работы материала максимально согласовывалась с реальной при возможности задания отдельных характеристик, полученных экспериментальным путем.

Список использованной литературы

1. СНиП II-23-81*. Стальные конструкции.- Введ . 1982-01-01. –М. :ЦИТП Госстроя СССР, 1990. 96 с.

2. СП 16.13330.2011 Стальные конструкции актуализированная редакция СНиП II-23-81 М., 2011.- 178 с.

3. Свидетельство о гос. регистрации программ для ЭВМ 2010617702. Расчет по деформациям внецентренно сжатых двутавровых стержней / Буланов В.Е. Мазов А.А.; правообладатель Тамб. гос. техн. ун-т.; заяв. 21.09.10; зарег. 19.11.10 в реестре программ для ЭВМ.

4. Васильков, Ф.В. О прогибах и пластическом деформировании стальных внецентренно-сжатых стержней / Ф.В. Васильков В.Е. Буланов // Изв. Вузов. Стр-во.- 1999.-№1.- C. 4-6

5. Мазов А.А. Пластическое деформирование стальных стержней переменной жесткости /А.А. Мазов, В.Е. Буланов.// Вопросы современной науки и практики. Университет им. В.И. Вернадского. Тамбов, 2010 №4-6(29). - С. 60-63.

6. Буланов В.Е. Экспериментальное исследование устойчивости внецентренно сжатых стальных колонн. / В.Е. Буланов, С.А. Кашковский, С.В. Толстых // Труды ТГТУ, 1998: Сб. науч. статей молодых ученых и студентов Выпуск 2. Тамбов: Тамб. гос. техн. ун-т, 1998. - С. 304-306.

7. Буланов В.Е. О напряженно-деформированном состоянии внецентренно-сжатых элементов / В.Е. Буланов, А.А. Мазов // Научные исследования и их практическое применение. Современное состояние и пути развития, 2008: Сб. науч. трудов по материалам Международ. науч.-практич. конф. Т. 3. Технические науки. Одесса: Черноморье, 2008. - С. 14-18.

4

Код для цитирования: Скопировать