В данной работе авторы проводят конечно-элементный анализ перфорированной и обычной (донорской) балок, а также сравнивают полученные результаты, оценивая их количественно и качественно.
Ключевые слова: конечно-элементный анализ, перфорированная балка, количественная оценка.
Перфорированные балки (ПБ) нашли широкое применение в самых разных отраслях промышленности и техники. Эффективность применения таких балок обусловлена, в основном, меньшей массой конструкции, по сравнению с исходной (донорской) конструкцией и, отчасти, снижением ее себестоимости. Параметры перфорации и технология ее реализации могут быть различными и, в целом, зависят от задач, которые предстоит решать и выполнять этим конструкциям, а также от технологических возможностей производства [1]. Расчет таких балок на прочность, жесткость и устойчивость несет в себе определенные особенности [2], вызванные наличием отверстий различной формы в стенках балки, которые, как известно, выступают концентраторами напряжения. Применительно к металлическим конструкциям в гражданском, промышленном и транспортном строительстве, можно сказать, что перфорированные балки, преимущественно, занимают нишу между балками сплошного сечения и фермами [3], что, в свою очередь, позволяет применять их в тех случаях, в которых балка сплошного сечения, по каким-то причинам, не может быть использована в конструкции, а использование фермы нежелательно и/или дорого.
В данной работе проводится конечно-элементный анализ и сравнение его результатов применительно к обычной и перфорированной балкам одинаковых сечений и длины. В качестве стальной балки рассматривается прямоугольная бесшовная горячедеформированная труба длиной 1 метр, размеры поперечного сечения которой взяты из [4]. Чертеж перфорированной балки представлен на рисунке ниже. Перфорация выполнена таким образом, чтобы отверстия на верхних и нижних стенках трубы не попадали в одну плоскость с вырезами на боковых стенках трубы. Такая перфорация позволила уменьшить массу балки примерно на 1 килограмм, согласно анализу в программном комплексе Solidworks 2016.
Рис. Чертеж перфорированной балки
Конечно-элементный анализ обеих балок проводился в программном комплексе ANSYS Workbench. Метод разбиения конечно-элементной сетки в обоих случаях применялся одинаковый: Hex Dominant Method, с размерами конечных элементов 5 миллиметров (см. рисунки 1 и 2). Схема закрепления и приложения нагрузки в обоих случаях одинаковая: консольная схема закрепления с приложением к свободному концу балки силы, направленной вертикально вниз и равной 10000 Ньютонов (см. рисунки 3 и 4). Настройки материала по умолчанию Structural Steel. Заделка на конце ограничивает все 6 степеней свободы (жесткая заделка). Ниже, на рисунках 5 и 6, представлены результаты анализа в виде карт эквивалентных напряжений для стандартной балки сортамента и перфорированной балки, а на рисунках 7 и 8, представлены карты перемещений для них же. Для наглядности отображение перемещений увеличено в 10 раз.
Рис. 1. Разбиение конечно-элементной сетки обычной балки.
Рис. 2. Разбиение конечно-элементной сетки перфорированной балки.
Рис. 3. Расчетная модель обычной балки.
Рис. 4. Расчетная модель перфорированной балки.
Рис. 5. Карта эквивалентных напряжений для обычной балки.
Рис. 6. Карта эквивалентных напряжений для перфорированной балки.
Рис. 7. Карта перемещений для обычной балки.
Рис. 8. Карта перемещений для перфорированной балки.
Сравнивая полученные результаты, можно с уверенностью сказать, что максимальные возможные напряжения в перфорированной балке выше, чем в обычной, и это связано с тем, что отверстия перфорации являются концентраторами напряжения. Однако, если сравнивать максимальные перемещения свободного конца балок, то можно заметить, что разница между ними составляет меньше миллиметра, что в процентных долях исчисляется 8,26 %. Такие результаты говорят о том, что при определенных обстоятельствах, требующих снижения массы конструкции, можно использовать перфорированные балки вместо обычных, при этом обращая внимание на схемы закрепления и приложения нагрузок, а также проверяя все расчеты аналитически, согласно методикам различных ГОСТ и СНиП, в том числе с помощью метода конечных элементов (МКЭ).
Литература:
- Аль хетари. А. А. Особенности работы с и расчета балок с перфорированной стенкой // Символ науки № 6. — Уфа: МЦИИ Omega science, 2018. — С. 11–14.
- Лаврова А. С., Притыкин А. И. Экспериментально-теоретическое исследование жесткости и устойчивости перфорированных балок с круглыми вырезами // Известия КГТУ № 46. — Казань: Известия КГТУ, 2017.
- Кузнецов И. Л., Пеньковцев С. А., Гимранов Л. Р., Перфорированная балка с поясами из стальных профилей // Известия КГАСУ № 1(43). — Казань: Известия КГАСУ, 2018. — С. 129–135.
- ГОСТ 8645–68 «Трубы стальные прямоугольные». Сортамент с Изменениями № 1–4.
