Расчет НДС рамной конструкции

    В данной публикации будет описан расчет линейной статики рамной конструкции и анализ сварных соединений.

  Исследуемая модель представляет собой промышленный стеллаж. Создание геометрии проводилось на основе полученного эскиза (рис 1) и фотографий (рис. 2-3) исследуемого объекта. Габаритные размеры конструкции показаны на рис. 1.

Рисунок 1 - эскиз исследуемого объекта

Рисунок 2 – Исследуемая модель

Рисунок 3 – Исследуемая модель

  Построение геометрии проводилось в программном комплексе FEMAP 10.3. Для исследования данной конструкции было создано 2 модели: поверхностная и каркасная (рис.4-5).

Рисунок 4 – Поверхностная модель стеллажа

Рисунок 5 - Каркасная модель стеллажа

     Входные параметры:

- сечение балки - швеллер 10У (рис. 6 и таб. 1);

Рисунок 6 - Сечение балки

Таблица 1 – Параметры сечения конструкции по ДСТУ 3436-96 (ГОСТ 8240-97)

- материал-сталь ст.3 (ГОСТ 380-71) ;

- предел текучести - 250 МПа;

- модуль упругости – 2,1·1011 кг·с/м2;

- коэффициент Пуассона – 0.3 .

  Следующим этапом следует создание конечно-элементной модели. В соответствии с построенными геометрическими моделями, были созданы поверхностная и балочная КЭ модели. В основе поверхностной модели лежит 4х узловой элемент типа Plate с 6ю степенями свободы в каждом узле (рис. 7).

.Рисунок 7 – Поверхностная КЭ модель

     В основе балочной модели лежит 2х узловой элемент типа Beam с 6ю степенями свободы.в каждом узле (рис. 8-9), но в дальнейшем пришлось отказаться от балочной модели из-за не совсем корректных результатов (моменты образовывающиеся на краях нагруженных балок переходят в перемещения).

Рисунок 8 – Балочная конечно-элементная модель

Рисунок 9 – Балочная конечно-элементная модель

с отображенными сечениями

     Параметры конечно-элементных моделей приведены в таб. 2.

Таблица 2 - Параметры КЭ моделей

     Далее следует задание граничных условий конструкций. Закрепление модели находится в месте контакта модели с поверхностью где будет установлен стеллаж (рис. 10).

Рисунок 10 – Закрепления модели

     Нагрузки модели задавались в местах, где в реальной модели будет лежать различные трубы и другая арматура. Основная нагрузка приходит на место стыка полки с основной конструкции (рис. 11).

Рисунок 11 – Приложенные нагрузки

     Далее был проведен линейный статический анализ. На рис. 12-15 изображены картины перемещений и напряжений балочной и поверхностной моделей.

Рисунок 12 – Перемещения поверхностной конструкции

Рисунок 13 – Перемещения балочной конструкции

Рисунок 14 – Напряжения поверхностной конструкции

Рисунок 15 – Напряжения балочной конструкции

     В приведенной ниже таблице указаны разницы в результатах между поверхностной и балочной моделями.

Таблица 3 – Процент погрешности между поверхностной и балочной моделью

     Т.к. коэффициент запаса очень близок к 1 (рис. 16), то было принято решение провести оптимизацию модели. В основание конструкции были добавлены ребра жесткости, чтобы снять концентраторы напряжения. Размеры и форма ребер показаны на рис. 17.

Рисунок 16 - Расчет коэффициента запаса

Рисунок 17 – Оптимизированная модель

     Проводим повторный расчет и видим что напряжения в месте концентратора уменьшились на 20% (рис. 18-19, таб. 4).

Рисунок 18 – Перемещения поверхностной конструкции

Рисунок 19 – Напряжения поверхностной конструкции

Таблица 4 – Процент погрешности между максимальными напряжениями и коэффициентом запаса начальной конструкциии и оптимизированной

     Следующим этапом будет более детальный анализ сварных соединений полок и основной конструкции. Разделив наши швы на подобные, будем анализировать 2 шва (рис. 20-21).

Рисунок 20 – Места детального анализа

Рисунок 21 – Места детального анализа

     Согласно евростандарту, в данной конструкции применяются 4 категории сварочных швов:

     В соответствии с критериями по данным категориям были выбраны типы сварки и толщина сварочного шва (таб. 5-6).

Таблица 5 – результаты детального анализа шва №1

Таблица 6 – результаты детального анализа шва №2

     Также был рассмотрен вариант, когда полностью нагружена одна сторона (анализ устойчивости). Результаты данного анализа приведены в рис. 22-23.

Рисунок 22 – Перемещения поверхностной конструкции

Рисунок 23 – Напряжения поверхностной конструкции

     Превышения по напряжениям вызваны не полным соответствием геометрии сечения. В реальной конструкции данные напряжения будут рассредоточены по профилю швеллера.

     В ходе выполнения исследования данного объекта можно сделать следующие выводы:

- данная конструкция выдержит до 11 тонн (до 1100 кг на каждую полку);

- при максимальном нагружении одной из сторон – перекоса конструкции не произойдет;