Диссертация: Устойчивость криволинейных стенок крановых коробчатых балок.

Актуальность темы исследования. Значительная часть несущих металлоконструкций современных машин транспортного комплекса имеет балочную структуру. Наиболее распространены в машиностроительных конструкциях коробчатые балки, так как обладают повышенной жесткостью в горизонтальной плоскости и могут изготавливаться сваркой требуемой формы из листового проката. При работе на изгиб, сжатие или сжатие с изгибом элементы балок, помимо удовлетворения условиям прочности и жесткости, должны обеспечивать местную устойчивость. Потеря местной устойчивости этих элементов приводит к потере локальной или общей несущей способности, а также к аварийным ситуациям. Для ее обеспечения в балках увеличивают толщины элементов, устанавливают продольные и поперечные ребра, диафрагмы, которые увеличивают массу конструкции. Одним из целесообразных решений вышеуказанной проблемы явилось использование в 80-е годы XX столетия гофробалок (SIN-балок) – балок с гофрированными стенками, изготавливаемыми прокатом. Такие стенки особенно эффективны в двутавровых балках, а также в качестве стенок железнодорожных вагонов, транспортных контейнеров, мостов. Попытки использования гофрированных стенок в коробчатых крановых балках распространения не получили, из-за заранее заданного расположения гофра в местах стенок, определяемого при прокатке, что, как правило, не совпадает с конструктивным его расположением по соображениям местной устойчивости. Одним из решений проблемы увеличения местной устойчивости стенок коробчатых балок является придание им кривизны, так как известно, что оболочки, купольные элементы обладают большей местной устойчивостью, по сравнению с плоскими листами. В этом случае снижается число устанавливаемых ребер и масса конструкции. Однако, как показал анализ литературы, имеются патенты с предложениями использования криволинейных стенок в балках, но не обнаружены методы расчета на местную устойчивость таких стенок, а, следовательно, отсутствует и практика их применения.
Целью диссертации является повышение несущей способности металлоконструкций подъемно-транспортных, транспортных и строительных машин, строительных и мостовых конструкций по критерию обеспечения местной устойчивости, путем использования балочных элементов с криволинейными стенками, снижение их металлоемкости за счет уменьшения числа диафрагм, продольных и поперечных ребер жесткости, а также развитие методов расчета конструкций с криволинейными элементами.
Для осуществления поставленной цели сформулированы следующие основные задачи: 1. разработать методику конечно-элементного моделирования балки с криволинейными стенками и проведения численного исследования местной устойчивости, установить границы максимально возможной кривизны стенки; 2. выполнить численное исследование местной устойчивости криволинейной стенки при вариации геометрических параметров балки для основных расчетных схем нагружения: сжатие, изгиб, сжатие с изгибом, для случаев действия нормальных и касательных напряжений; 3. получить расчетные зависимости для определения критических напряжений местной устойчивости криволинейных стенок в коробчатых балках с учетом влияния их геометрических размеров и условий нагружения; 4. провести экспериментальное исследование коробчатых балок с плоскими и радиусными стенками, определить критические напряжения потери местной устойчивости и оценить погрешность расчетных зависимостей относительно результатов экспериментального исследования; 5. оптимизировать криволинейную форму стенки по критериям устойчивости и минимальной массы; 6. разработать рекомендации по использованию криволинейных стенок в коробчатых балках с целью снижения их массы, числа устанавливаемых продольных и поперечных ребер жесткости.
Научная новизна заключается в обосновании повышенных в разы характеристик местной устойчивости криволинейных стенок в коробчатых балках по сравнению с плоскими стенками, в разработке методики расчета их местной устойчивости, в полученных уравнениях для оценки критических напряжений устойчивости.
Практическая значимость работы заключается в том, что: 1. обосновано использование криволинейных стенок в составе коробчатых балок для увеличения местной устойчивости и снижения массы итоговой конструкции; 2. получены инженерные расчетные зависимости определения местной устойчивости криволинейных стенок при различных видах нагружения, применимые в проектировании металлических конструкций грузоподъемных машин, в проведении экспертиз и обследований; 3. предложены рекомендации по применению полукриволинейных стенок в балках при различных нагружениях для снижения числа вспомогательных элементов массы конструкции.
Методологической и теоретической основой исследования являются работы отечественных и зарубежных ученых в области устойчивости элементов конструкций, стандарты по расчету и обеспечению работоспособности элементов металлоконструкций. Основной исследовательский аппарат включил в себя численный и физический эксперименты, а также аналитические методы исследования. В исследовательской работе были использованы программные комплексы: конечно-элементного моделирования и расчета ANSYS Workbench и SOLIDWORKS; обработки и аппроксимации массивов данных, построения расчетных зависимостей MathCad и Excel; считывания и записи массивов экспериментальных данных датчиков LGraph, а также аппаратура и методы для проведения тензометрирования.
Степень достоверности научных положений и выводов обоснована использованием основополагающих принципов и законов механики деформируемого твердого тела, использованием апробированных программных CAD, CAE комплексов, средств вычислительной математики, применением точной контрольно-измерительной аппаратуры, согласованностью результатов теоретических исследований с экспериментальными данными.
Апробация результатов. Результаты исследования были представлены на международных научных конференциях «Современное машиностроение: Наука и образование», Санкт-Петербург, 2016 и 2017 гг.; XXI Международной научнотехнической конференции МИСИ – МГСУ, 2018 г.; «Неделя науки СПбПУ», 2016 и 2017 гг., «Наземные транспортно-технологические комплексы и средства», Тюмень, 2016 г.
Публикации. По теме диссертации было опубликованы 12 статей в научных журналах и в сборниках конференций, из них 1 в журнале из перечня ВАК, 3 статьи входят в международную базу цитирования Scopus и приравнены к перечню ВАК.
Внедрение результатов исследования Результаты исследований внедрены в учебный процесс в СПбПУ, используются в дисциплине «Прочность и долговечность конструкций»
На защиту выносятся следующие наиболее существенные научные результаты диссертационной работы: 1. результаты численных и экспериментальных исследований, обосновывающие эффективность влияния кривизны на местную устойчивость стенок в составе коробчатых балок; 2. расчетные зависимости для определения критических нормальных и касательных напряжений местной устойчивости криволинейных и полукриволинейных стенок в коробчатых балках при различных видах нагружения и их сочетаний; 3. условия по назначению предельных радиусов кривизны стенок в коробчатых балках и рекомендации по влиянию геометрических параметров на критические напряжения устойчивости; 4. методика конечно-элементного моделирования и расчета местной устойчивости криволинейных стенок в составе пакета программ SOLIDWORKS, ANSYS Workbench, MathCad и Excel; 5. рекомендации по целесообразному применению, на основе критериев устойчивости и минимума массы, криволинейной и полукриволинейной формы стенки, продольных ребер и диафрагм в коробчатых балках.
Объем и структура диссертации: Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы. Общий объем диссертации 187 страницы, включая 25 таблиц, 90 рисунков и схем. Список использованной литературы содержит 81 наименование.