Об учете сварочных напряжений при проверочных расчетах металлоконструкций грузоподъемного оборудования

Об учете сварочных напряжений при проверочных расчетах металлоконструкций грузоподъемного оборудования

19 ноября 2015
Морозов Анатолий Николаевич,
исполнительный директор ООО «Рассвет», эксперт ООО «Рассвет»,
raccvet@inbox.ru.


Аннотация: Обсуждаются вопросы учета сварочных напряжений при поверочных расчетах ферменных металлоконструкций грузоподъемного оборудования


Известно [1], что одним из наиболее ответственных узлов, определяющих надежность грузоподъемного оборудования, является его металлоконструкция. Именно от фактической несущей способности металлоконструкций подъемных сооружений (ПС) зависит способность последних воспринимать весь комплекс действующих нагрузок (весовых, ветровых, инерционных и т.п.).

Для металлоконструкций ГПМ, конструктивно представленных сварными фермами (рис. 1), большой вклад в итоговое напряженно-деформированное состояние конструкций вносят остаточные сварочные напряжения. В этой связи определённую актуальность имеет проблематика корректного учета данного фактора при проведении поверочных расчетов подъемных сооружений, как на стадии проектирования, так и при эксплуатации. Учет напряженно-деформированного состояния (НДС) узлов и соединений сварных конструкций подъемных сооружений позволяет объективно оценивать влияние остаточных напряжений и деформаций на несущую способность, обоснованно применять методы их регулирования и устранения, разрабатывать конструктивно-технологи-ческие мероприятия, направленные на формировании в металлоконструкциях более благоприятных полей остаточных напряжений и деформаций.

ris21.png













Оценка несущей способности элементов ферменных металлоконструкций ПС может базироваться как на расчетном, так и на экспериментальном исследовании НДС изделия [1]. Большой практический интерес представляет применение расчетных методов численного определения НДС металлоконструкции на основе современных численных методов, таких как метод конечных элементов (МКЭ) [2, 3]. Это позволяют полностью учесть все особенности топологии крановых металлоконструкций, а также все технологические факторы, влияющие на их несущую способность. Более того применение МКЭ к расчету ПС позволяет существенно упростить и ускорить процедуру поверочных расчетов, реализуемую например в рамках проведения экспертизы промышленной безопасности ПС, выработавших нормативный срок службы [4 - 6]. Полученные в ходе численного анализа металлоконструкций ПС результаты могут быть в дальнейшем использованы в качестве исходных данных для оценки надежности, усталостной прочности и долговечности.

Первым этапом при расчете остаточных напряжений и деформаций [1] является процесс определения значений температур в соединениях во время сварки с последующим остыванием, т.к. образование и развитее сварочных деформаций зависит от распределения температур и характера термических циклов. На втором этапе проводится решение ряда упругопластичных задач для металлоконструкций ПС на различных этапах времени, позволяющих с использованием зависимостей механических свойств металла от температуры, определить расчетные значения остаточных сварочных напряжений и деформаций. При этом на каждой итерации упругопластического расчета теплофизические свойства в конструкциях выбираются в зависимости от температуры в них на предыдущей итерации.

В общем случае задача распределения температуры в металлоконструкциях во времени решается с применением теории поля для нестационарных задач. Исходным дифференциальным уравнением при этом служит уравнение теплопроводности, описывающее нестационарный тепловой режим в трехмерном теле:

ris26.JPG


где с – удельная теплоемкость материала, Дж/кг*К;
ρ – плотность материала, кг/м3;
T – температура, К;
t – время, с;

ris22.png
 – вектор оператор;

ris23.png  -  вектор скорости переноса тепла;

{q} – вектор теплового потока, Вт/м2;
qv – мощность внутренних источников теплоты, Вт/м3.

Непосредственно решение упругопластической задачи выполняется с использованием, так называемого критерия пластичности [7, 8]. В качестве критерия пластичности, например, может служить критерий, предложенный Губером и Мизесом, известный также под названием энергетической теории прочности. Указанный критерий получен, исходя из условия постоянства энергии формоизменения, и записывается как:
σ_и=σ_τ,
где σ_u – интенсивность напряжений, квадрат которой пропорционален второму инварианту девиатора напряжений[7]:

ris24.png



где σ x, σ y, σz,  ris25.pngris.png-  компоненты тензора напряжений.

Полученные в результате расчета сварочные напряжения и деформации сварных узлов ферменных металлоконструкций ПС используются в дальнейшем [1]:
при расчетах несущей способности по усталости;
при расчетах трещиностойкости (учитываются при вычислении энергии, израсходованной на необратимую пластическую деформацию поверхности трещины (J –интеграл));
при расчетах устойчивости элементов ферменной решетки (НДС сварных узлов оказывает влияние на условиях закрепления элементов решётки);
при расчетах остаточного ресурса, согласно требований [4-6].


Литература:

Понитаев, А. А. Разработка расчетных методов определения напряженно-деформированного состояния крановых металлоконструкций с учетом технологии изготовления: дис. канд. техн. наук: 05.05.04/Понитаев, Александр Анатольевич. - М., 2002. - 250 с.
Метод конечных элементов в технике/О. Зенкевич. - М.: Мир, 1975. - 542 с.
Бате, К. Численные методы анализа и метод конечных элементов/К. Бате, Е. Вильсон. - М.: Стройиздат, 1982. - 448 с.
Федеральный закон от 21.07.1997 N 116-ФЗ (ред. от 13.07.2015) . О промышленной безопасности опасных производственных объектов. - 1997.
Федеральные нормы и правила в области промышленной безопасности. Правила проведения экспертизы промышленной безопасности. - Утверждены Приказом от 14 ноября 2013 года N 538. - 2013. - (в ред. Приказа Ростехнадзора от 03.07.2015г. № 266).
Федеральные нормы и правила в области промышленной безопасности. Правила безопасности опасных производственных объектов, на которых используются подъемные сооружения. - Утверждены Приказом Ростехнадзора от 12.11.2013 N 533. - 2014. - 148 с.
Щербо, А. Г. Основы теории упругости и пластичности/А. Г. Щербо. - Новополоцк: ПГУ, 2008. - 240 с. - ISBN 978-985-418-743-3.
Качанов, Л. М. Основы теории пластичности/Л. М. Качанов. - М.: Наука, 1969. - 420 с.


Короткая ссылка на новость: https://a-economics.ru/~R1aQE