Исследование местной устойчивости коробчатых балок

Внедрение: 2019 г.

В работе [1] проведено расчетно-экспериментальное исследование местной устойчивости элементов коробчатой балки с криволинейными стенками. 

Для экспериментальной проверки полученных зависимостей разработана установка на основе крейта LTR‑EU‑2, позволяющая определять усилия, деформации и напряжения в местах потери местной устойчивости коробчатых балок. В качестве предмета исследования выбраны консольные балки (рисунок 1, б): балка с прямыми стенками и балка с радиусными стенками. На рисунке 1, а представлена геометрия исследуемой балки с радиусными стенками и принятыми размерами, схема нагружения и закрепления. Балка с прямыми стенками имела такие же размеры, схему нагружения и закрепления.

Экспериментальная установка представляла балку (рисунок 2), прикрепленную винтами к стойке. В настоящей работе использовались тензорезисторы, что обусловило простоту их крепления на балку и возможность отображения показателей в виде графиков на одном экране в реальном времени. В сжатой зоне на балку приклеивались четыре тензорезистора, по 2 датчика на обе стенки балки. Компенсирующие датчики показаны на рисунке 2, г. Измерения показаний тензорезисторов производились крейтом LTR‑EU‑2 (рисунок 2, д) и передавались с помощью стандартного двадцатипятипинового разъема на компьютер (рисунок 2, е). Данная модель крейта позволяет передавать показание с четырех установленных на балку датчиков одновременно. Для обработки полученных данных использовалась программа LGraph2.

Рисунок 1. Геометрические параметры коробчатой балки с криволинейными стенками (d = 200 мм; tb = 2 мм; tw = 1 мм; b = 75 мм пояса; R = 500 мм) – а); итоговая модель экспериментальной балки – б).

Рисунок 2. Экспериментальная установка.

Формы потери местной устойчивости балок при эксперименте и в расчётной модели ANSYS Workbench показаны на рисунке 3. 

Рисунок 3. Формы потери местной устойчивости балок: а) с прямыми стенками (экспериментальная модель); б) с прямыми стенками (расчет Ansys); в) с криволинейными стенками (экспериментальная модель); г) с криволинейными стенками (расчет Ansys).

В эксперименте балка с прямыми стенками потеряла устойчивость (рисунок 4) при нагрузке – 19,1 кН и соответствующем этой нагрузке максимальном напряжении – 230 МПа. После разгрузки левый тензорезистор 1 и правый тензорезистор 2 пришли в исходное положение, а в левом тензорезисторе 2, правом тензорезисторе 1 образовались остаточные деформации.

Рисунок 4. Напряжения в стенках балки с прямыми стенками.	Рисунок 5. График нагружения балки с криволинейными стенками.

Примечание от техподдержки ООО "Л Кард": авторы работы не упомянули, какие именно модули LTR в составе крейта LTR были использованы для данной тензометрической задачи. Но, судя по описанию, здесь могли быть использованы модули LTR212М или LTR216. 

Авторы отмечают хорошее соответствие результатов расчетов и эксперимента, особенно в балке с криволинейными стенками. Сравнительные расчетные и экспериментальные исследования коробчатых балок с прямыми и криволинейными стенками доказывают, что балки с криволинейными стенками имеют в разы более высокие характеристики местной устойчивости. Это обосновывает эффективность их применения в конструкциях различных машин и сооружений. Численное моделирование балок коробчатого сечения с прямыми и криволинейными стенками показывает, что придание стенкам кривизны по радиусу повышает их местную устойчивость в 2,5‑4 раза.

Источник:
Наумов А.В. Манжула К.П. Расчетно-экспериментальное исследование местной устойчивости коробчатых балок с криволинейными стенками // Научно-технические ведомости СПбПУ. Естественные и инженерные науки. 2019. Т. 25, № 3. С. 108‑119. DOI: 10.18721/JEST.25308.

Разработчик: Наумов А.В., Манжула К.П. (Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого)