К вопросу расчёта устойчивости в ЛИРА САПР. Часть 2

В рамках данной статьи будет рассмотрен вопрос обеспечения устойчивости шарнирно опертого стержня, при помощи упругого закрепления.

Расчёт устойчивости в линейной постановке

Исходные данные

В качестве примера возьмём расчётную модель консольного стержня, рассмотренную в предыдущей статье https://vk.com/@lirasaprtraining-k-voprosu-rascheta-ustoichivosti-v-lira-sapr. Параметры модели: консоль высотой 5 м сечением двутавр 25К1, нагруженная вертикальной продольной силой величиной 100 т.

Выполним расчёт модели и определим коэффициент запаса устойчивости и коэффициент расчётной длины:

Проверка устойчивости консольного стержня
Проверка устойчивости консольного стержня

КЗУ=1.91565, Ly=2;

Теперь, перед нами стоит задача, изменить конструкцию таким образом, чтобы стержень имел шарнирную опору вверху и жёсткую заделку внизу. Чтобы обеспечить шарнирное закрепление вверху, создадим на верхнем конце стержня упругую опору, но перед этим посчитаем модель с идеальным закреплением верхнего конца стержня, т.е. когда наложена связь. Также стержень разделим по длине на 10 частей, чтобы можно было оценить деформации при потере устойчивости:

Проверка устойчивости стержня с жёсткой заделкой внизу и шарнирной опорой вверху
Проверка устойчивости стержня с жёсткой заделкой внизу и шарнирной опорой вверху

КЗУ=15.5596, Ly=7, при длине одного стержня L/10, подучаем коэффициент расчётной длины всей стойки равным 7/10=0.7. Также определим критическую силу, при которой произойдёт потеря устойчивости стержня, для этого нужно умножить действующую нагрузку на КЗУ: 100т*15.5596=1555.96 т.

Вычисление необходимой жёсткости пружины

Создадим новую расчётную модель, с закреплением верхнего конца упругой связью, для чего будем применять КЭ51 с жёсткостью ориентированной вдоль оси Х, а также приложим к верхнему концу стержня критическую силу, определённую на предыдущем этапе.

Общий вид расчётной модели с упругим закреплением верхней опоры
Общий вид расчётной модели с упругим закреплением верхней опоры

Определяем жёсткость пружины, раскрепляющей верхний конец. Эту величину будем определять исходя из условия равенства изгибающих моментов относительно нижнего конца стержня, в ситуации, когда верхний конец отклонён на условную величину 1 м, при этом вертикальная сила вызывает изгибающий момент равный 1555.96*1 м, а горизонтальная пружина на верхнем конце должна этот момент компенсировать.

Общий вид модели стержня с упругим закреплением верхнего конца
Общий вид модели стержня с упругим закреплением верхнего конца

Необходимая жёсткость пружины Rx=1555.96*1/5=311.19 т/м, назначим данную жёсткость КЭ51, примыкающего к верхнему концу стержня, и выполним расчёт модели с проверкой КЗУ и Ly.

Проверка устойчивости стержня при жёсткости упругой опоры Rx=311 т/м
Проверка устойчивости стержня при жёсткости упругой опоры Rx=311 т/м

КЗУ=0.754872, Ly=8.047, как видно, результаты отличаются от тех, что были получены при расчёте модели с неподвижным закреплением верхнего конца стержня. Чтобы добиться совпадения результатов, попробуем увеличить жёсткость пружины в 2 раза Rx=311*2=622 т/м.

Проверка устойчивости стержня при жёсткости упругой опоры Rx=622 т/м
Проверка устойчивости стержня при жёсткости упругой опоры Rx=622 т/м

Как видно, коэффициент запаса устойчивости стал выше, а коэффициент расчётной длины уменьшился, но результаты по-прежнему расходятся с эталонными. Определим требуемую жёсткость пружины методом последовательных приближений, увеличивая Rx на каждом шаге на величину F/L, результаты расчётов сведём в таблицу и представим в виде графика:

График зависимости КЗУ от жёсткости пружины
График зависимости КЗУ от жёсткости пружины
График зависимости Ly от жёсткости пружины
График зависимости Ly от жёсткости пружины

Из результатов расчётов видно, что значения КЗУ и Ly стабилизируются по достижении величины Rx=3*F/L.

Следует понимать, что рассматриваемая задача, в рабочем проектировании, встречается крайне редко, поскольку в ней мы рассматриваем стержень при действии на него критической силы, в то время как эксплуатационные нагрузки будут в несколько раз меньше данной величины, однако полученная закономерность, может быть полезна при вычислении необходимой жёсткости упругой связи, при действии эксплуатационных нагрузок.

Определение требуемой жёсткости связи при действии эксплуатационной нагрузки

В качестве примера возьмём исходную задачу, с величиной нагрузки F=100 т. Для определения жёсткости пружины, решим данную задачу в геометрически нелинейной постановке, стержень при этом должен быть разделён на отдельные части, т.к. при учёте геометрической нелинейности обязательно наличие промежуточных узлов по длине стержня.

Нагружение стержня будем производить в 2 этапа:

1 Зададим горизонтальное отклонение верха стержня (начальное несовершенство);

2 Приложим эксплуатационную нагрузку, которая будет вызывать изгибающий момент, из-за эксцентриситета, и тем самым приводить к ещё большему отклонению;

По величине итогового отклонения верхнего конца стержня будем судить о том, достаточно принятой жёсткости пружины, или нет.

Создание нелинейной задачи

Возьмём исходную задачу и выполним смену типа КЭ для всех стержней:

Смена типа КЭ стержней
Смена типа КЭ стержней

В первом загружении, сообщим верхнему концу стержня горизонтальное перемещение, величину которого определим по таблице 4.9 СП 70.13330.2012:

К вопросу расчёта устойчивости в ЛИРА САПР. Часть 2, image #10

Предельное отклонение осей колонн при длине свыше 4000 мм до 8000 мм - +/- 10 мм.

Задание горизонтального перемещения верхнего узла
Задание горизонтального перемещения верхнего узла

Во втором загружении будет приложена вертикальная нагрузка F=100 т. После приложения нагрузок, необходимо сформировать историю нагружения:

Создание истории нагружения
Создание истории нагружения

Каждое загружение разбиваем на 10 шагов, и выводим на экран перемещения и усилия после каждого шага.

Начальную жёсткость пружины (КЭ51) в уровне верхнего конца колонны определим по формуле Rx=F/L=100/5=20 т/м.

Проверка результатов при начальной жёсткости пружины

Выполним расчёт задачи с начальной жёсткостью пружины и определим горизонтальные перемещения верхнего конца после приложения всей нагрузки:

Мозаика горизонтальных перемещений при начальной жёсткости пружины Rx=20 т/м
Мозаика горизонтальных перемещений при начальной жёсткости пружины Rx=20 т/м

Как видно, итоговые перемещения составляют 110 мм, дополнительные перемещения, от действия вертикальной силы с эксцентриситетом, составят 110-10=100 мм, что в 10 раз больше начального отклонения. Вывод: необходимо увеличить жёсткость пружины.

Вычисление требуемой жёсткости пружины

Для определения требуемой жёсткости пружины, воспользуемся закономерностью, полученной ранее: Rx=3*F/L, в результате получим Rx=3*100/5=60 т/м. Назначим данную жёсткость пружине (КЭ51), и проверим результаты геометрически нелинейного расчёта.

Мозаика горизонтальных перемещений при скорректированной жёсткости пружины Rx=60 т/м
Мозаика горизонтальных перемещений при скорректированной жёсткости пружины Rx=60 т/м

Из результатов расчёта видно, что итоговое горизонтальное перемещение составит 14.8 мм, прибавочное 4.8 мм, что почти в 2 раза ниже начального, исходя из чего сделаем вывод, что принятой жёсткости пружины достаточно для обеспечения устойчивости колонны.

Подбор сечения связи

Принимаем конструкцию вертикальной связи в виде одной наклонной ветви, расположенной под углом 45 градусов к горизонту, соединяющую основание с верхним концом стойки. При подборе сечения связи, следует учитывать следующие факторы:

1 Наклон связи к горизонту;

2 Геометрическая длина связи;

3 Гибкость связи;

Схема устройства вертикальной связи
Схема устройства вертикальной связи

Разберём влияние этих двух факторов на работу вертикальной связи.

Учёт наклона связи к горизонту

Поскольку, при отклонении верхнего конца стойки, в ветви вертикальной связи будет возникать продольное усилие, вектор которого будет наклонён к горизонту, необходимо разделить величину продольного усилия на косинус угла наклона, чтобы получить силу, действующую перпендикулярно оси стержня стойки: N=Nx/cos45. Поскольку возникающая продольная сила пропорционально зависит от осевой жёсткости связи, то вместо величины N, в формулу можно подставить величину EF (осевая жёсткость), а вместо Nx, подставляем жёсткость пружины, полученную на предыдущем этапе Rx=60 т/м.

При подготовке статьи использованы материалы видео «Повелитель связей. Часть 1. Что делает связь связью?»

1394 views·21 shares