Последовательность проектирования конструкции

В процессе проектирования должны быть найдены кон­структивно-технологические решения, которые обеспечат выполнение всех требований, предъявляемых к конструкции (п. 1.1). В общем случае проектирование целесообразно выполнять по следующей схеме.

1. Проектирование начинают с выбора типа конструктив­ного решения и создания общего образа конструкции исходя из компоновки машины в целом с учетом функциональных требований, конструктивных ограничений и технологических возможностей предприятия, а также опыта проектирования подобных машин. Определяют виды проката, которые могут быть использованы для изготовления основ­ных элементов конструкции, т. е. листовой или фасонный прокат, трубы, гнутые профили и пр. Предварительно устанавливают марку стали или перечень сталей, которые могут быть применены.

2. Определяют эксплуатационные воздействия, формируют расчетные комбинации нагрузок и составляют таблицу нагрузок (п. 6.1). Устанавливают расчетные положения и направления подвижных и переменных нагрузок. Для из­меняемых конструкций определяют расчетные положения их частей, при которых можно ожидать возникновения наибольших напряжений в элементах.

3. Производят предварительную оценку геометрических параметров сечений по условию прочности (гл. 7). Расчет на прочность начинают с наиболее нагруженных сечений основных элементов конструкций.

4. Проверяют выполнение условия жесткости, которое устанавливает ограничение упругих прогибов от действия переменных нагрузок (гл. 8). При необходимости изменяют параметры сечений элементов конструкции, которые вносят наибольший вклад в расчетное перемещение. По результатам анализа расчетов на прочность и жесткость оценивают рациональность выбранного материала и при необходимости корректируют решение (п. 12.3).

5. Проверяют общую устойчивость балок открытого се­чения и сжатых стержней (п. 9.2, 9.3). При отрицательных результатах расчета изменяют сечение этих элементов или вводят дополнительные связи.

6. Проверяют местную устойчивость тонкостенных элементов конструкции, в которых действуют наибольшие на­пряжения сжатия, сдвига и их комбинации (п. 9.4). Если условие местной устойчивости не выполняется, то принимают решение об изменении их размеров или размещении ребер и диафрагм.

7. Проверочный расчет на сопротивление усталости выполняют для основных сечений конструкции, подвергаемых интенсивному циклическому нагружению (гл. 10). Если долговечность конструкции окажется меньше требуемой, то корректируют конструктивно-технологическое решение.

8. В процессе проектирования отдельных узлов конструк­ции производят расчет на прочность и сопротивление уста­лости сварных соединений, узлов, воспринимающих местные нагрузки, шарнирных узлов, монтажных соединений, кронштейнов и пр. (гл. 13-15).

Основы расчета конструкций

Общие положения построения расчетных методик

Расчет конструкции по различным критериям работо­способности по существу является математическим моде­лированием ее свойств и поведения под воздействием вне­шних факторов. Модель — это условный (упрощенный) об­раз реального объекта (системы, процесса), адекватно отра­жающий его свойства, существенные для целей данного исследования. Но, как известно, все модели и исходные дан­ные, используемые в расчетах, являются приближенными оценками некоторых реальных величин и процессов. На ста­дии проектирования точно не известны ни эксплуатацион­ные нагрузки, ни свойства стали, ни качество изготовления конструкции и т. д. Поэтому инженерный расчет неизбежно будет иметь некоторую погрешность, однако эта погрешность, как говорят, должна «идти в запас надежности».

Инженерные проверочные и проектировочные расчеты по любому критерию работоспособности строятся в форме требования выполнения неравенства двух параметров. Один параметр (А) характеризует фактическое состояние или поведение конструкции, а другой (Ф) — предельное состояние. Так, сравнивается действующее напряжение с допускаемым напряжением, долговечность — с требуемой долговечностью, прогиб — с допустимым прогибом. В зависимости от характера критерия работоспособности это условие имеет вид неравенства

А ≤ Ф или А ≥ Ф (1.1)

Для обеспечения надежности такого расчета структура расчетных условий и правила определения значений величин А и Ф должны быть построены так, чтобы выполнение условия (1.1) гарантировало с высокой вероятностью не возникновение отказа в реальной конструкции, если она качественно изготовлена и эксплуатируется в нормативных условиях. При этом чем тяжелее последствия возможного отказа, тем больше должна быть вероятность его не возникновения.

Типовые инженерные расчеты металлических конструкций строят на основе следующих допущений:

а) материал конструкции идеально упругий;

б) размеры и форма конструкции полностью соответствуют проекту;

в) перемещения, возникающие под действием нагрузок, весьма малы по сравнению с габаритными размерами поперечных сечений;

г) напряженное состояние конструкции обусловлено только эксплуатационными воздействиями (т. е. не учитываются остаточные напряжения от сварки, гибки, соединений с натягом и пр.).

В тех случаях, когда эти допущения могут привести к существенным ошибкам, проводятся уточненные расчеты по более сложным моделям. Принципы построения расчетных условий вида (1.1), страхующих конструкцию от возможных отказов, и правила определения расчетных параметров (А и Ф) для них образуют систему инженерных расчетов. Для проектирования металлических конструкций используются системы расчетов по допускаемым напряжениям и предельным состояниям. Поэтому в данном учебнике почти все критерии работоспособности конструкций даются в этих двух системах.

Системы инженерных расчетов

Система расчетов по допускаемым напряжениям

(СРДН) является более старой и в настоящее время наряду с другими системами применяется для расчета конст­рукций и деталей механизмов [9-11].

Данная система базируется на следующих двух положениях:

• опасным считается состояние, при котором максималь­ные номинальные напряжения, вычисленные в предположении идеально упругого состояния материала и отсутствия дефектов в конструкции, достигают предельного уровня;

• все неточности моделей повреждения и свойств материала, методов определения нагрузок и т. д. учитываются коэффициентом запаса прочности.

В СРДН условия работоспособности и долговечности име­ют вид

(1.2)

Здесь — расчетное значение действующего напряжения, зависящего от эксплуатационных нагрузок, геометрии кон­струкции и типа критерия работоспособности; — допускаемое напряжение, где — значение опасного, пре­дельного напряжения по соответствующему критерию рабо­тоспособности; п — коэффициент запаса прочности. Напряжения в СРДН вычисляются по номинальным нагрузкам.

Данная СРДН включает также условие жесткости, т. е. ограничение упругих деформаций конструкции. Оно пред­ставляет собой неравенство вида

(1.3)

где и — оценка фактического относительного упругого прогиба от переменных нагрузок и его допускаемое значение.

Достоинством этой системы является ее простота. Для расчетов типовых стержневых конструкций СРДН дает впол­не надежные результаты.

Система расчетов по предельным состояниям (СРПС), основы которой были разработаны профессором Н. С. Стре­лецким в 50-х годах XX века, считается предпочтительной для проектирования строительных и крановых конструк­ций (СНиП П-23-81*, ГОСТ 27751-88, ГОСТ 28609-90).

Предельным называют такое состояние машинострои­тельной металлической конструкции, при котором веро­ятность нарушения ее работоспособности (несущей способ­ности) или эксплуатационной пригодности (деформативно- сти либо дефектности) превышает безопасный уровень. В ос­нове данной системы лежат два базовых положения, принципиально отличающих ее от СРДН.

1. Вводится понятие предельного состояния конструкции, которое может отличаться от рабочего наличием пластических деформаций, повреждений или потери устойчивости отдельных элементов, не снижающих эксплуатационных свойств конструкции. В связи с этим условия работоспособности могут быть построены не только по напряжениям, но, например, по нагрузкам, деформациям или другим параметрам состояния конструкции.

2. Вместо одного коэффициента запаса используется це­лая система частных коэффициентов надежности ( ), каждый из которых учитывает вероятность отклонения фак­тического значения нагрузки, характеристики материала и прочих показателей в неблагоприятную сторону.

Для каждой конструкции можно установить множество частных предельных состояний в соответствии с количеством интенсивно нагруженных элементов и видов повреждений,

Таблица 1.2 Систематизация отказов по группам предельных состояний металличе­ских конструкций № п/п Группа предельных состояний Вид отказа Исчерпание ресурса (посте­пенный отказ) Усталостное повреждение Нарушение несущей способ­ности (внезапные отказы) Развитие чрезмерных пластических деформаций Вязкое разрушение Хрупкое разрушение Потеря устойчивости (общей или местной) Чрезмерные деформации конструкции Чрезмерные упругие деформации Чрезмерно большое время зату­хания колебаний

которые могут в них произойти. Применительно к машино­строительным несущим конструкциям возможные предельные состояния целесообразно разбить на три группы (табл. 1.2), каждой из которых соответствуют свой вид нарушения эксплуатационной пригодности и способ описания нагруженности.

Первая группа: исчерпание ресурса в результате разви­тия предельного усталостного повреждения. Этот вид повреждения связан с эксплуатационными воздействиями, действующими многократно в течение длительного време­ни, т. е. с нормальными эксплуатационными нагрузками.

Вторая группа: нарушение несущей способности или пригодности к нормальной эксплуатации. В эту группу входят все предельные состояния, которые могут произойти в результате внезапных отказов (разрушение, потеря устойчивости и т. п.). При расчетах по этим предельным состояни­ям используются максимальные редко возникающие значения нагрузок.

Третья группа: чрезмерные (по величине или по времени затухания) упругие деформации конструкции. Предельные состояния этой группы прогнозируются с использова­нием номинальных нагрузок.

Типичная структура условия работоспособности в СРПС, включающая основные коэффициенты и параметры, записывается в виде следующего неравенства:

(1.4)

где — расчетное значение действующего напряжения, которое вычислено по нагрузкам, найденным по правилам СРПС (это значит, что номинальное значение каждой расчетной нагрузки умножается на соответствующий коэффициент надежности — коэффициент перегрузки); — коэффициент надежности по назначению конструкции или ее элемента; — коэффициент условий работы; — коэффициент надежности по характеристике материала; — нормативное сопротивление материала, узла, элемента конструкции, соединения, которое зависит от вида расчета: при расчете конструкции на прочность — это предел текучести материала, при расчете на местную устойчивость — это критическое напряжение и т. д.

Коэффициент перегрузки учитывает возможность появления в процессе эксплуатации значения нагрузки , отличающегося от нормативного в неблагоприятную сторону, в результате различных случайных факторов. Как правило, учитывается возможность перегрузки, т. е. превышения номинального уровня нагрузки, тогда > 1. Если ка­кая-либо нагрузка приводит к уменьшению максимальных напряжений в рассчитываемом сечении, то следует предусмотреть возможность ее снижения по сравнению с нормативным значением, т. е. использовать < 1. Этот коэффициент зависит от степени вероятностного рассеяния значений нагрузки F_t,поэтому он различен для разных видов нагрузок (гл. 6). Коэффициент ≤ 1 дает возможность учесть в расчете степень ответственности конструкции или элемента, а также степень опасности того вида повреждения, по которому ведется расчет (табл. 1.3). Коэффициент ≤ 1 предназначен для учета неточностей математической модели процесса повреждения и методики расчета действующих напряжений, несовершенства учета возможных сочетаний нагрузок и сопут­ствующих факторов (тепловых, коррозионных воздействий и пр.). Коэффициент ≤ 1 учитывает возможность появле

Коэффициент надежности по назначению конструкции или ее элемента Показатель Последствия повреждения значительные незначительные   Прочность (ограничение пластических деформаций) 0,95 1,0   Устойчивость 0,90 0,95   Сопротивление усталости 0,95 1,0   Трещиностойкость 0,85 0,95

ния меньшего значения характеристики сопротивления материала по сравнению с нормативным значением.

В форме (1.4) строятся условия прочности, устойчивос­ти и сопротивления усталости. Условие жесткости конструкции в СРПС имеет тот же вид, что и в СРДН (1.3).