Введение к работе
Актуальность темы исследования. В настоящее время в области строительства, машиностроении, судостроении, авиации и космонавтике широко применяются легкие конструкции.
Наиболее эффективными легкими конструкциями являются многослойные конструкции, имеющие высокую жесткость при малом весе. Особенно это относится к трехслойным конструкциям (ТК) с сотовыми заполнителями. Известно, что трехслойная конструкция состоит из двух внешних, сравнительно тонких слоев и толстого среднего слоя (заполнителя).
При создании трехслойной конструкции возникает необходимость соединения ее элементов, для чего применяют сварные, паяные, заклепочные и клеевые соединения. Наиболее эффективным считается клеевое соединение, которое позволяет надежно и достаточно прочно соединить разнородные материалы неодинаковой толщины.
ТК, в том числе и с клеевыми соединениями, подвергаются действию различных нагрузок и температуры, влияние которых на несущую способность подобных конструкций изучено недостаточно. Следует отметить, что в существующих методиках расчета ТК не учитываются влияния клея и температуры на их работу, хотя эти факторы играют существенную роль в несущей способности данных конструкций, и их учет позволяет точнее рассчитывать ТК при любых внешних воздействиях.
В настоящее время в расчетах ТК принято, что клеевой шов не влияет на их несущую способность и разрушение может произойти в любой точке конструкции.
Эксперименты, проведенные в лаборатории кафедры промышленного и гражданского строительства Дагестанского государственного технического университета показали, что, в частности, при действии равномерно распределенной нагрузки разрушение ТК с сотовым заполнителем происходит, в основном по клеевому шву и при нагрузках меньших, чем расчетные (особенно с относительно жестким сотовым заполнителем). Кроме того, исследования показали, что на несущую способность ТК, соединенных на клею, влияет повышение температуры.
Степень разработанности темы исследования. Исследованиями ТК занимались такие известные ученые, как Э.И. Григолюк, А.Я. Александров, Л.М. Куршин, Л.Э. Брюккер, В.Н. Кобелев, А.Б. Губенко, Ю.А. Джерарда, С.А. Амбарцумян, и др.
Цель и задачи диссертационного исследования. Целью диссертационного исследования является проведение теоретических и экспериментальных исследований влияния на несущую способность ТК соединительного клея, влияния температурного воздействия на прочность клеевого шва, разработка методики расчета ТК с учетом прочностных характеристик клея.
В соответствии с целью, в работе поставлены и решены следующие задачи:
обоснована необходимость повышения надежности работы трехслойной балки (ТБ), элементы которой соединены на клею;
применен метод конечных элементов (МКЭ) для расчета ТБ без учета и с учетом влияния работы клеевого шва;
разработана установка для экспериментального исследования ТБ под действием равномерно распределенной нагрузки;
установлены значения коэффициента снижения несущей способности ТК, учитывающего влияние клея и температуры.
Объект исследования - трехслойная балка с сотовым заполнителем, элементы которой соединены на клею ЭД-20 и К-153.
Предмет исследования - напряженно-деформированное состояние (НДС) ТБ с учетом влияния работы клеевого шва и температуры.
Научная новизна диссертационного исследования заключается в том, что:
разработана методика расчёта НДС ТК без учета и с учетом влияния работы клеевого шва с применением МКЭ;
предложена система дифференциальных уравнений для расчета НДС трехслойной балки, учитывающая сближение слоев, в основном для несимметричных конструкций;
предложен метод учета в расчетах влияния работы клея на несущую способность ТК, введением соответствующего коэффициента, полученного экспериментально;
предложен метод учета в расчетах влияния температуры на несущую способность ТК, введением соответствующего коэффициента, полученного экспериментально;
разработана методика проведения экспериментальных исследований по определению напряжений в клеевом шве ТК, без учета и с учетом влияния температуры;
определены рациональные параметры ячеек сотового заполнителя, от которых зависит влияние клея на несущую способность ТБ.
Теоретическая значимость работы заключается в том, что предложены уточненные дифференциальные уравнения равновесия трехслойной цилиндрической оболочки (ТЦО) и на их основе получены общие уравнения равновесия ТБ. Показана возможность расчета ТК, элементы которой соединены на клею, при помощи МКЭ.
Практическая ценность диссертационной работы состоит в том, что:
разработана установка для экспериментального исследования несущей способности трехслойной балки, находящейся под действием равномерно распределенной нагрузки, с учетом влияния клея и температуры;
проведен расчет ТБ, элементы которых соединены на клею, методом конечных элементов с учетом влияния работы клеевого шва;
определены рациональные параметры ячеек сотового заполнителя, от которых зависит влияние клея на несущую способность ТБ;
установлены значения коэффициентов снижения несущей способности ТК, в зависимости от влияния клея и температуры;
полученные результаты диссертационной работы могут быть использованы при проектировании ТК, соединенных на клею.
Методы исследования. Для вывода дифференциальных уравнений использована теорема о минимуме потенциальной энергии. При экспериментальных исследованиях использован механический метод нагружения внешней нагрузкой ТБ. Для определения напряжений и деформаций использован тензометрический метод.
Основные положения, выносимые на защиту:
использование метода конечных элементов в расчётах ТК, без учета и с учетом влияния клеевого шва на их несущую способность;
система дифференциальных уравнений для расчета НДС трехслойной балки, учитывающая сближение несущих слоев, в основном для несимметричных конструкций;
метод учета влияния работы клея на несущую способность ТК;
метод учета влияния температуры на несущую способность ТК, соединенных на клею;
результаты теоретических и экспериментальных исследований по определению прочностных характеристик ТК с учетом влияния работы клеевого шва и температуры;
влияние размеров сотового заполнителя на несущую способность ТК.
Достоверность полученных теоретических результатов обеспечена применением известных положений механики твердого деформируемого тела, математического анализа, компьютерного моделирования, а также теории прочности материалов. Достоверность экспериментальных исследований обеспечена применением проверенного оборудования, использованием современного программного обеспечения при обработке экспериментальных данных, испытанием необходимого количества контрольных образцов и сравнением с результатами теоретических расчетов.
Внедрение результатов работы. Опытно-производственное апробование разработанных ТК было произведено в организации ОАО «Стеклопластик», г. Махачкала. Результаты расчета взяты за основу при проектировании ограждающих и несущих конструкций в институте ООО «Дагагропромпроект». Результаты исследования внедрены в учебный процесс на IV–V курсах по разделу «Здания и сооружения из легких конструкций» для специальности 270102 – «Промышленное и гражданское строительство». Кроме того, результаты исследования используются студентами в курсовом и дипломном проектировании.
Апробация результатов исследования. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на ХXX-XXXIII итоговых научно-технических конференциях преподавателей, сотрудников, аспирантов и студентов Дагестанского государственного технического университета (г. Махачкала, 2009-2011 г.), Региональной научно-практической конференции «Новое в расчетах и проектировании строительных конструкций» (г. Махачкала, 2009 г.), Международной научно-технической конференции МГСУ (г. Москва, 2011 г.), XIV Международной межвузовской научно-практической конференции молодых ученых, докторантов и аспирантов (г. Москва, 2011г.), Всероссийской научно-технической конференции «Вопросы проектирования и расчёта зданий и сооружений» (г. Махачкала , 2011г.).
Публикации. По результатам диссертационной работы опубликовано 10 работ, в том числе 5 статей в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов по диссертации, заключения, списка использованной литературы из 154 наименований и приложения. Работа изложена на 141 страницах машинописного текста, включает 75 рисунков и 21 таблицу.
Во введении обоснована актуальность выбранного направления исследований, сформулированы цели и задачи исследования.
В первой главе рассматриваются область применения ТК, преимущества и недостатки ТК, требования к материалам, используемым для ТК, а также история развития теории расчёта трёхслойных конструкций.
Во второй главе анализируются существующие модели, допущения и гипотезы расчета ТК, и предлагаются новые уточнения и допущения, исходя из которых, получены дифференциальные уравнения равновесия трехслойной цилиндрической оболочки. Определены приведенные характеристики призматического сотового заполнителя для ТК. Рассматривается задача расчета НДС ТБ с сотовым заполнителем при шарнирном и жестком опирании концов.
Третья глава посвящена расчету ТБ с использованием метода конечных элементов с помощью программного комплекса LIRA (ПК LIRA).
Четвертая глава посвящена экспериментальным исследованиям ТБ.
В заключении, по результатам теоретических и экспериментальных исследований ТБ, сделан вывод о том, что предложенная в диссертации методика повышения точности расчета НДС ТК позволяет достаточно надежно и обоснованно производить расчет ТК с помощью вычислительных средств.
