Объектом для проведения расчета является траверса, предназначенная для осуществления погрузки кассет с заготовками на выкатной под печи и последующего снятия их с пода для дальнейшего перемещения в закалочную ванну.Для правильной термообработки необходимо выдержать заданное расстояние между кассетами с заготовками. Конструкция должна быть жёсткой, поэтому потребуется применение сварки. 3D модель траверсы представлена на рисунке 1.
Рисунок 1. 3D модель проектируемой траверсы
Выполним расчет наиболее нагруженного элемента конструкции — сварного шва вала траверсы и уха, за которое предполагается осуществлять подъем и перемещение данного приспособления с грузом. Важно обеспечить достаточную прочность сварного шва. Это необходимо для безопасной и продолжительной эксплуатации изделия.
Прицепное ухо соединяется с валом траверсы посредством стыкового сварного шва.Сварка производится с одной стороны, непрерывным швом. Перед началом сварки необходимо сделать разделку кромки уха фаской 5 мм под углом 45°, на длине 300 мм. Положение сварного шва представлено на рисунке 2.
Рисунок 2. Положение сварного шва
Детали изготовлены из углеродистой стали обыкновенного качества Ст3.Сварка электродуговая производится вручную электродами Э42А по ГОСТ 9467 – 75. Максимальная нагрузка Р, воздействующая на сварной шов равна 18 375 Н. Ухо изготовлено из листового проката толщиной 14 мм.Число сварных швов n = 1.
Для используемого материала – Ст3 допускаемое напряжение на растяжение σт = 220 МПа. Коэффициент запаса прочности принимаем Sт = 1,5. Отсюда:
Допускаемое напряжение при растяжении для материала сварного шва равно [σ]т = 146,66 МПа.
Рассчитаем действующее напряжение при растяжении сварного шва во время номинальной эксплуатации:
где s – ширина привариваемого уха равная 14 мм.
Проверяем условие прочности:
Условие прочности выполняется.
Эпюра сил, действующих на сварной шов при эксплуатации траверсы представлена на рисунке 3.
Рисунок 3. Эпюра сил, действующих на сварной шов при эксплуатации траверсы.
Как видно, сварной шов обладает значительным запасом прочности и расчетное напряжение намного меньше допускаемого. При расчете методика была применена с некоторыми упрощениями, но это сильно не повлияло на результат расчета.
Проверим выполненный расчет сварного шва с использованием библиотеки APM FEM для КОМПАС 3D18.Программа установлена в компьютерном классе для студентов института лесных, горных и строительных наук. Для начала расчета была смоделирована трехмерная модель траверсы(рис. 4) с упрощенным изображением проверяемого сварного шва(рис. 5). Для расчета предполагается, что сварной шов на 10 мм короче соединения (моделируется непровар). Контакт с соединяемыми деталями модели шва осуществляется по плоскостям соприкосновения с деталями.
Рисунок 4. 3D модель траверсы со швом
Рисунок 5 – Модель сварного шва
Для дальнейшего расчета на трехмерной модели были расставлены закрепления и нагрузки, действующие на модель. Результаты расчета приведены на рисунках 6 и 7.
Рисунок 6. Результаты расчета напряжения
Рисунок 7 - Результаты расчета коэффициента запаса по прочности
Помимо расчетов в КОМПАС 3D18, таже был проведен расчет в библиотекиSimulation для Solidworks. В программе были выполнены те же действия что и в КОМПАС 3D18. Сварной шов был выполнен встроенным инструментом. 3D модель представлена на рисунке 8. После моделирования и подготовки модели были проведены расчеты (рис. 9,10).
Рисунок 8. 3D модель траверсы с сварным швом
Рисунок 9. Результаты расчета напряжения
Рисунок 10. Результаты расчета коэффициента запаса по прочности
Исходя из результатов моделирования сварного шва в двух программах, можно сделать вывод, что самыми нагруженными и опасными местами сварного шва являются его края, где образуются концентраторы напряжения. По краям сварного шва возникают концентрации местных напряжений, где коэффициент запаса может снижаться ниже предельно допустимого значения. Минимальный коэффициент запаса при расчете в КОМПАС 3D18 составляет 0.49, при расчете вSolidworks1.6. Тем не менее, эти напряжения не оказывают существенного влияния на работоспособность конструкции. Конструкция работоспособна, она изготовлена и успешно эксплуатируется. Полученные результаты иллюстрируют особенности программы КОМПАС 3D18. К сожалению, в данной отечественной программе отсутствуют возможности для моделирования сварных швов в металлоконструкциях штатными средствами. Приходится делать это вручную. Библиотека APMFEMдля КОМПАС позиционируется разработчиком как версия для учебных целей, что снимает возможные замечания. Поэтому результаты расчетов методом конечных элементов (не только в этой программе) всегда следует проверять по формулам сопротивления материалов.
Список литературы
Вайсон А. А. Крановые грузозахватные устройства : справочник. Москва: Машиностроение, 2005. 304 с.
Кисленков В. В. Оборудование термических цехов: учебное пособие. Санкт-Петербург: СПбГПУ, 2011.142 с.
Расчет сварных соединений - формулы, параметры и примеры : [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://nauka.club/materialovedenie/raschet-svarnykh-soedineniy.html — (дата обращения: 12.05.2021).
Изготовление траверс крюковых подвесок : [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.kranmash.su/Entsiklopediya-proizvodstva-podemnich-kranov/Izgotovlenie-travers-kriukovich-podvesok.html. (дата обращения: 12.05.2021).
Система прочностного анализа APMFEM для КОМПАС-3D. Версия 18.0. Режим доступа: https://apm.ru/apm-fem. (дата обращения: 13.12.2021).