Проектирование сварных конструкций

СОДЕРЖАНИЕ

 

 

ЗАДАНИЕ 2

ВВЕДЕНИЕ 4

1. Описание материала и оценка его сариваемости 5

2. Составление расчетной схемы и построение эпюр поперечных сил и изгибающих моментов 6

2.1 Определение грузовых  площадей…………………………………….….6

2.2 Определение расчетных сил………………………………………………6

2.3 Определение реакции в опорах……………………………………………...6

2.4 Определение изгибающих моментов в заделках……..……...……………..9

2.5 Построение эпюр поперечных сил Q и изгибающих моментов М для определения их максимальных значений……………………………………....10

3. Подбор сечения главной балки……………………………………………..114

3.1 Определение высоты балки из двух условий…………………………..14

3.1.1 Определение высоты балки из условия жесткости………………….14

3.1.2 Определение высоты балки из условия минимальной массы ……....14

3.1.3 Выбор по сортаменту…………………………………………………..16

3.2. Компоновка поперечного сечения балки с учетом полученных результатов и построение эскиза сечения……………………………………..17

3.3 Ряд проверок скомпонованного сечения………………………………..17

3.3.1 Проверка на прочность……………………..…………………………17

3.3.2 Проверка стенки на срез……………………………………………….18

3.3.3 Проверка на эквивалентные напряжения на стыке полки и стенки в сечении, где одновременно М и Q достигают достаточно больших значений…………………………………………………………………………18

3.3.4 Определение местной устойчивости стенки……………..…………...19

4. Расчет сварных соединенний…………………………………………….….21

4.1. Расчет поясных швов балки………………………………………………...21

4.2. Расчет сварных швов опорного узла балки .22

5. Составление расчетных схем и подбор сечений вспомогательных балок ...22

6. Определение массы сварной балки, массы наплавленного металла и процента наплавленного металла 29

7.Описание транспартировки главной балки. 31

8.Описание технологии изготовления главной балки………………………31

9. Список литературы.............................................................................................35

 

ВВЕДЕНИЕ

Сварку начали применять  в промышленности сравнительно недавно, в конце девятнадцатого века. В  настоящее время сварка превратилась в один из ведущих технологических  процессов, от степени развития и  совершенствования, которого во многом зависит коренное улучшение технологии производства всевозможных машин и  приборов. Современная сварочная  наука и техника позволяют  надежно соединить детали любых  толщин и конфигураций: от деталей  мельчайших электронных приборов до крупных сборочных единиц — корпусных  деталей машин.

Использование сварных конструкций  во всех отраслях машиностроения и  приборостроения объясняется целым  рядом их преимуществ по сравнению  с другими конструкциями, что  подробно излагается в литературе и  др.

В индивидуальном (опытном) и  мелкосерийном производстве, а также  при изготовлении конструкций сложной  формы вариант в сварном исполнении зачастую оказывается более выгодным, чем литой или кованый. Очень  высоки технико-экономические показатели комбинированных сварных конструкций, в которых используют различные  материалы, а отдельные части  изготовлены литьем, ковкой, штамповкой, механической обработкой и др. При  изготовлении таких конструкций  снижаются трудозатраты, сокращается  цикл изготовления, более экономно расходуется металл, полнее используются его свойства, снижается масса  конструкции и повышается ее эксплуатационная надежность.

Одним из видов сварных  конструкций являются сварные балки.

Балкой называют элемент  конструкции, один из размеров которой (длина) значительно больше двух других и работающий преимущественно на поперечный изгиб. Благодаря простоте и малой стоимости изготовления, удобной конструктивной форме, небольшой  строительной высоте балки находят  широкое применение в строительных конструкциях. Они применяются в  различных перекрытиях, на рабочих  площадках, эстакадах, мостах и других сооружениях.

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Описание материала

 

Для изготовления металлических  конструкций применяются в основном низкоуглеродистые и низколегированные  стали повышенной и высокой прочности. От правильного выбора металла для  сварных конструкций в значительной мере зависят их эксплуатационная надежность, долговечность и экономичность. Стоимость металла примерно занимает большую часть стоимости изготовления конструкции. В связи с этим при  выборе материалов металлоконструкции должно уделяться особое внимание экономической  целесообразности их применения.

Сталь должна обладать одинаковой структурой и однородностью химического  состава по длине проката, устойчивыми  и относительно высокими показателями механической прочности, достаточной  пластичностью. В конструкциях, которые  воспринимают переменные и динамические нагрузки, сталь должна иметь дополнительную гарантию на ударную вязкость.

Спокойные стали менее  чувствительны к хрупкому излому, чем кипящие. Слитки полуспокойной  стали имеют меньшую химическую неоднородность, чем кипящие. Для  изготовления балки будем использовать сталь ВСт3сп. Так как она поставляется с гарантией на механические свойства и химический состав, и по цене она не сильно дорогая.

Материал: сталь ВСт3сп. [6].

В таблицах 1.1 и 1.2 приведены  химический состав, и механические свойства данной стали. [6].

 

Таблица 1.1. Химический состав, % (ГОСТ 380-71)

C	Si	Mn	Cr	Ni	Cu	P	S	As
			не более
0,14- 0,22	0,12- 0,30	0,40- 0,65	0,30	0,30	0,30	0,04	0,05	0,08

 

 

Таблица 1.2. Механические свойства.

ГОСТ	Состояние поставки	Сечение, мм
			МПА		%
			не менее
380-71	Прокат горячекатаный	До 20	370-480	245

 

2. Составление расчетной схемы и построение эпюр поперечных сил и изгибающих моментов.

 

2.1 Определение грузовых площадей:

 

 

 

 

2.2 Определение расчетных сил:

 

 

 

где  q – распределенная нагрузка от настила, F – грузовая площадь.

 

 

 

 

2.3 Определение реакции в опорах (рис.2.1):

Для раскрытия статической  неопределимости воспользуемся  готовым решением для одной силы и принципом суперпозиции:

 

 

Рисунок 2.1 – Расчетная  схема для определения реакций  и изгибающих моментов в заделках.

 

 

 

 

Рисунок 2.2 – Расчетная схема главной  балки.

 

 

;

 

;

 

;

 

;

 

;

 

;

 

;

 

;

 

;

 

;

 

;

 

;

 

;

 

;

 

;

 

;

 

 

 

2.4 Определение  изгибающих моментов в заделках (Рис.2.1):

;

 

;

 

;

 

;

 

;

 

;

 

;

 

 

+.

 

;

 

;

 

;

 

;

 

;

 

;

 

;

 

 

+

216.47152+121.22302=822.94108 .

 

2.5 Построение эпюр поперечных сил Q и изгибающих моментов М для определения их максимальных значений (Рис.2.3):

 

Эпюра поперечных сил Q:

 

1 участок:  ;

 

2 участок:  ;

 

K участок: ;

 

3 участок:  ;

 

4участок:  ;

 

5участок:  ;

 

6 участок:  ;

 

7 участок:  .

 

Проверка: Q₇ = ; 380,2223 кН=380,2223 кН.

 

Эпюра изгибающих моментов М:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Проверка:; 822,94 =822,94.

 

 

Рисунок 2.3 – Эпюры поперечных сил Q и изгибающих моментов M.

 

 

3. Подбор сечения главной балки

 

 

Из эпюры изгибающих моментов определяем, что М_МАХ=1416,92 кН∙м;

 

                                                                

 

где  σ_т– предел текучести, МПа;

к_З – коэффициент запаса.

 

Для стали ВСт3сп принимаем σ_Т= 245 МПа [6].

к_З=1,4÷1,6;  принимаем к_З=1,5.

 

 

3.1 Определение высоты балки из двух условий:

 

3.1.1 Определение высоты балки из условия жесткости:

 

                                     

 

где ψ – коэффициент, зависящий  от типа нагрузки, а также от условий  опирания;

Е – модуль упругости материала, МПа;

L – длина балки, м.

 

Ψ=0,075÷0,078;         принимаем ψ=0,075;

 

 

3.1.2 Определение высоты балки из условия минимальной массы:

 

                               

 

где ν =1,2÷1,4 – для двутавра. Принимаем ν=1,3;

δ_СТ – толщина стенки, см.

                                                           

 

 

из двух высот в расчет принимаем большую, то есть h=102,8 см.

 

Определим требуемый момент инерции J_ТР относительно оси у

 

,

 

Определим момент инерции  вертикального листа (стенки), при  этом приближенно принимаем, что  h_СТ≈0,95h

 

;

;

Принимаем δ_СТ= 8мм в соответствии с сортаментом ГОСТ 19903–74 [9]:

 

Определим требуемый момент инерции двух полок и требуемую площадь

 

 

 

Определение размеров полок

 

F_П – площадь поперечного сечения полки, см2;

δ_П – толщина полки, см;

b_П – ширина полки, см.

 

     

 

принимаем

 

;

 

3.1.3 Выбираем по сортаменту ГОСТ 19903–74 [9]:

 

h_ст=1000 мм;

δ_ст=8 мм;

δ_п=20 мм;

b_п= 200 мм;

 

Найдем фактические значения момента инерции  и момента сопротивления

 

 

 

где  J_СТ – фактический момент инерции стенки, см4;

J_П – фактический момент инерции полки, см4;

δ_СТ – фактическая толщина стенки, см;

 

h_СТ – фактическая высота стенки, см;

δ_П – фактическая толщина полки, см;

а_П – фактическое расстояние от центральной оси поперечного сечения балки до центральной оси полки, см.

 

 

 

 

 

3.2 Компоновка поперечного сечения балки с учетом полученных результатов и построение эскиза сечения (Рис.3.2):

 

 

Рисунок 3.2 –  Эскиз поперечного сечения балки.

 

3.3 Ряд проверок скомпонованного сечения:

 

3.3.1 Проверка на прочность:

 

;

 

 

15,97 kH/см² < 16.3 kH/см²  Проверка сходится;

 

3.3.2 Проверка стенки на срез:

 

 

                                                         (3.11.1)

 

где τ – напряжение при  срезе, МПа;

– статический момент половины сечения относительно оси у, см³;

Q_МАХ – максимальная поперечная сила, Н;

[τ] – допускаемое напряжение  при срезе, МПа.

 

 

 

 

 

Q_МАХ=383,4277 кН, (Рис. 2.3);

 

[τ]=(0,6÷0,65)[σ]_Р;

 

[τ]=0,65∙163,3=106,145 МПа;

 

 

5,4 kH/см² /см²

 

Проверка выполняется.

 

3.3.3 Проверка на эквивалентные напряжения на стыке полки и стенки в сечении, где одновременно М и Q достигают достаточно больших значений:

 
       (3.11.2)

 

 

 

где: 

kH/см²

 kH/см²

 kH/см²

 

М и Q соответственно  изгибающий момент и поперечная сила в рассматриваемом  сечении:

 

  kH/см²

 

 

;

 

16,5;

 

 

 

1,2%

 

Общая устойчивость балки  считается обеспеченной, если по верхним  ее поясам, например, приварен настил или  наличие других связей по длине балки.

Местная устойчивость верхнего сжатого пояса обеспечивается условием   уже на этапе компоновки сечения.

3.3.4 Местная устойчивость стенки определяется воздействием сжимающих нормальных и касательных напряжений и при отсутствии сосредоточенных перемещающихся по балке сил. Местная устойчивость обеспечена, если

 

;

;

Так как условие не выполняется, то в балке необходима расстановка вертикальных поперечных ребер жесткости, которые привариваются к стенке и полке.

Рисунок 3.3 – Схема расстановки ребер жесткости.

 

т.е

 

 

 принимаем δ_Р=6 мм.

 

Обычно ребра жесткости  ставятся на расстоянии d=2h_СТ, либо по другим конструктивным соображениям. В нашем случае поставим ребра жесткости в местах крепления вспомогательных балок на расстоянии d=c=2,3 м.