Корытный профиль для усиления тонкостенной оболочки

 

Союз Советских

Соцмвлистических

Реслублик

ОП ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕН ИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

< 708110 (61) Дополнительное к авт. свид-ву (51)М. Кл.

F 15 S 3/00 (22) Заявлено 01.08.77 (g1) 2520406/25 — 27 с присоединением заявки №

11кударотввииы1 комитет

СССР

00 делам изобретений и открытий (23) Приоритет

Опубликовано 05.01 80 Бюллетень ¹ 1

Дата опубликования описания 05.01.80 (53) УД К693.814..2 (088.8) (72) Автор изобретения

Г. М. Кацнельсон (71) Заявитель (54) КОРЫТНЫЙ ПРОФИЛЬ ДЛЯ УСИЛЕНИЯ ТОНКОСТЕННОЙ

ОБОЛОЧКИ

Изобретение относится к прокатному произ. водству, а также к транспортному машиностроению: железнодорожному, морскому и автомобильному, более конкретно — к устройству прокатного профиля, используемого в качестве конструктивного, элемента для подкрепления тонкостенной оболочки.

Известен корытный профиль, предназначенный для подкрепления тонкостенных металлических оболочек. Он характеризуется наличием отогнутых концов фланцев, находяшихся в одной плоскости, по которой осушествляется их примыкание к тонкостенной оболочке (1).

Этот корытный профиль при присоединении к тонкостенной оболочке образует подкрепляюшее ребро.

Указанный элемент, находясь в непосредственном контакте с оболочкой, смещает нейтральную ось всего узла подкрепляющего ребра к оболочке, увеличивая нагрузку на основание корытного профиля, которая чаще всего и является самым слабым местом всей металлоконструкциии.

В то же время отгиб концов полок в плоскости примыкания нужен лишь в тех случаях, когда для соединения корытного профиля с тонкостенной оболочкой применяется не сварка, а болтовое, заклепочное нли другое подоб5 ное соединение (например, при соединении с деревянной или алюминиевой обшивкой).

Таким образом, известная конструкция корытного профиля с наличием отогнутых концов

10 фланцев в плоскости примыкания с оболочкой, с которой они соединяются с помощью сварки, имеет нерациональную форму поперечного сечения, так как металл по концам фланцев используется весьма неэффективно. Он оказы15 вает незначительное, влияние на общую прочность и жесткость подкрепляющего ребра, увеличивая нагрузку на слабый элемент подкрепляюшего ребра — стенку корытного профиля.

Известен корытный профиль для усиления тонкостенной оболочкй, выполненный из оснований и соединенных с концами оболочки криволинейными участками двух полок, расположенных симметрично и пол тупым углом к основанию (2).

10 4

3 7081

Данный профиль наиболее близок к изобретению по технической сущности и достигаемому результату.

Этот профиль отличается одинаковой толщиной основания и полок. Такая конструкция характеризуется, с одной стороны, недостаточной прочностью основания, часто деформируется и легко повреждается, а с другой — избыточной толщиной концов полок, вызывающей их не рациональное утяжеление. о

Кроме того, величина разворота полок vKRзанных профилей мала (угол между полкой и оболочкой 74 — 78 не является оптимальным).

Одинаковая толщина концов полок корытных профилей разных размеров не рациональна как по условиям прочности подкрепляющего ребра, так и по условиям сварки полок с тонкостенной оболочкой.

Целью изобретения является снижение веса и повышение несущей способности корытного о профиля.

Поставленная цель достигается тем, что полки выполнены с раВномерно уменьшающейся толщиной к ее концам, и толщина концов в

l,75 — 2,75 раза меньше толщины основания, 25 при этом угол между наружными поверхностями каждой полки и основания составляет 120— о

135 . Кроме того, длина полок составляет

0,8 — 1,0 длины основания.

Предлагаемая конструкция корытного профиля в наиболее полной степени отвечает особенностям его эксплуатации. Так, наиболее удаленная от нейтральной оси всего узла подкрепляющего ребра стенка корытного профиля имеет наибольшую толщину. Это обеспечивает максимальные величины моментов инерции и сопротивления площади поперечного сечения всего подкрепляющего ребра, а также его повышенную местную прочность.

Уменьшение толщины полок по концам 40 обеспечивает существенное облегчение профиля, а также улучшает условия сварки его с тонкостенной оболочкой. Перепад толщины отдельных элементов поперечного сечения корытного профиля в пределах от 1,75 до 2,75 объясняется по минимальному значению необходимостью обеспечения достаточной прочности основания и эффективности его эксплуатационных свойств.

Отношение 1,75 — 2,25 рекомендуется при

s изготоВлении корытного профиля из металла 5о повышенной прочности по сравнению с прочностью материала тонкостенной оболочки (например, из низколегированной стали при применении оболочки из низкоуглеродистой стали) . Максимальное значение соотношения тол- 55 гдин основания и концов полок корытного профиля отвечает условиям обеспечения необходимой прочности корытного профиля, свойства материала которого близки к прочностным свойствам материала оболочки. Кроме того, это соотношение определяется также обеспечением нормальных условий его прокатки.

Разворот полок корытного профиля в прео делах 120 — 135 С, не уменьшая существенно расстояния между основанием профиля и тонкостенной оболочкой, обеспечивает, с одной стороны, вовлечение большей длины тонкостен4ой оболочки в конструктивный узел подкрепляющего ребра, а, с другой — при одном и том же шаге подкрепляющих ребер, — уменьшает длину свободного пролета тонкостенной оболочки и тем самым существенно повышает ее прочность и жесткость. Это, в свою очередь, позволяет использовать для тех же целей более тонкую (а следовательно, и более легкую) тонкостенную оболочку, либо увеличить расстояние между осями подкрепляющих ребер.

Длина поIIoK корытного профиля во избежание местной потери устойчивости не должна превышать 0,8 — 1,0 от длины оснований профиля. Меньшие значения резко снижают прочность и жесткость узла подкрепляющего ребра.

На фиг. 1 изображен корытный профиль, поперечное сечение; на фиг. 2 — узел соединения тонкостенной оболочки с различными профилями а) — полоса, б) — швеллер, в) — двутавр, г) — равнотолщинный корытный профиль с параллельными полками, д) — предлагаемый корытный профиль); на фиг. 3 — график изменения показателей прочности и жесткости узла корытный профиль — тонкостенная оболочка в зависимости от угла разворота гголок корытного профиля.

Корытный профиль состоит из основания 1 одинаковой толщины и двух полок 2, которые расположены симметрично и соединены с конuàìH стенки криволинейными участками 3.

Полки имеют толщину, уменьшающуюся к их концам.

На фиг. 1 обозначено: Ь -- ширина стенки, d —; m —; s— толщина концов полок; h — общая высота профиля;  — габаритная ширина профиля:

R u r — наружный и внутренний радиусы закругления участков сопряжения стенки с полками профиля; у — угол между полкой и оболочкой, к которой крепится профиль.

На фиг. 2 обозначено. t — подкрепляющий шаг ребер, образуемых профилями разного сечения; s — толщина оболочки; Ьо — ширина подкрепляющего ребра, образованного усиливающим профилем и частью тонкостенной оболочки; (t — bo) — свободный (гибкий) участок оболочки; у — расстояние между нейтральной осью подкрепляющего ребра и оболочкой. 11а фиг. 2 видно. что IIo мере перехода

708110

30

50 от одного конструкгивного выполнения подкрепляющего ребра к другому уменьшается длина свободного участка тонкостенной оболочки (t — ho), увеличивается длина участка тонкостенной оболочки, вовлекаемая в жесткий узел подкрепляющего ребра ho, и нейтральная ось приближается к тонкостенной оболочке, усиливая эффективность влияния наиболее удаленного элемента поперечного сечения подкрепляющего ребра — основания — на прочность и жесткость всей конструкции. Зля каждого профиля подкрепляющего ребра показаны наименьшие и наибольшие напРЯжениЯ -Err1 jr иб 1о1,возникающие в тонкостенной оболочке. Ясно видно значительное снижение максимального напряжения при использовании корытного профиля с развернутыми полками и толстым основанием (фиг. 2, д).

Для каждого профиля подкрепляющего ребра показано положение нейтральной оси отно- 2о сительно оболочки у. Видно приближение оси к оболочке, что разгружает ее и нагружает наиболее удаленный элемент поперечного сечения подкрепляющего ребра, величина напряfT жения в котором обозначена G с соответствую- 25 шим индексом. Минимальное значение 6 объясняется увеличенной толщиной основания корытного профиля.

На фиг. 3 изображена схема остаточной деформации неподкрепленных участков тонкостенной оболочки,. находящихся между ребрами.

В подкрепленную зону помимо ширины профиля "в" включены с обеих сторон части тон35 костенной оболочки, равные по длине примерно 10s, как свисающие участки ребра, на длине которых еще отражается жесткость корытного профиля, прочно соединеинаго с оболоч-кой. Изменение положения нейтральной оси

40 х — х в поперечном сечении иллюстрирует . это обстоятельство.

На фиг. 3 приведено изменение показателей прочности и жесткости узла подкрепляющего ребра в зависимости от угла разворота полок корытного профиля. Момент сопротивления плошади поперечного сечения в плоскости оболочки Фоб, снаружи стенки корытного профиля W-q момент инерции 3.

Из графика видно, что для принятого отношения толщин тонкостенной оболочки и основания корытного профиля существует оптио мальный угол разворота его полок (90 у), при котором показатели прочности и жесткости всего подкрепляющего ребра приобретают о о 55 максимальные значения (т.е. при 90 — у =37 или прн 7 -- 53 . Увеличение жесткости и прочности в пределах 0--37 объясняется влиянием вовлечения в подк1епляюц1ее замкнутое

6 ребро части тонкостенной оболочки. Дальнейшее резкое снижение этих параметров является результатом черезмерного приближения стенки корытного профиля к оболочке.

Таким образом, равнотолщинные по всем элементам сечения холодногнутые подкрепляющие ребра, в особенности с параллельными полками, являются не равнопрочными деталями металлоконструкций. Их слабое место — тонкое основание.

Поскольку момент сопротивления по основанию Фст меньше момента сопротивления по оболочке, прочность материала корытного профиля должна превышать прочность материала оболочек, и, чем тоньше основание, тем прочнее должен быть материал ребра.

Следует иметь в виду, что наибольшие напряжения в оболочке, нагруженной равномерным внутренним давлением, возникают посредине между подкрепляющими ребрами. А их величина пропорциональна отношению (фиг. 2):

Прогиб, в свою очередь, может характеризоваться отношением (+-Ъо)1

2 Ь

Таким образом, применение корытных профилей с развернутыми до оптимальной величины полками обеспечивает существенное уменьшение длины свободного пролета оболочки (t — bo), что резко снижает в ней рабочие напряжения (фиг. 2).

Так, например, если кузов автомобильного самосвала, изготавливаемый обычно из тонкого листа толщиной s = 3 мм и подкрепленный корытным равнотолщннным холодногнутым профилем с длиной основания 100 н длиной полок 85 мм при их толщине s=d=3 мм при шаге подкрепляющих ребер с = 500 мм сопоставить с таким же кузовом, но подкрепленным корытным профилем (развернутые полки

7 = 53 и утолщенное основание d = 7 мм), то изменение прочностных характеристик всего кузова будет следующим:

1. Величина рабочего напряжения в оболочке между ребрами снизится на 49,5%, т.е. примерно в 2 раза;

2. Жесткость оболочки возрастет почти в

4 раза, 3. Прочность по слабому месту подкрепляющего ребра по основанию увеличится в 2 раза;

4. Прочность ребра в плоскости оболочки возрастет в 2,2 раза.

При этом увеличение собственной массы кузова составит лишь 24,7% (в 8 раз меньше, чем показатели прочности). Естественно, что при необходимости сохранения номинальной

708110 грузоподъемности кузова самосвала его масса может быть уменьшена примерно на 25 — 35% эа счет утонения оболочки и применения пред лагаемого корытного профиля для подкрепляющих ребер.

Формула изобретении

1. Корытный профиль для усиления тонкостенной оболочки, выполненный в виде основания и соединенных с ее концами криволинейными участками двух полок, расположенных симметрично и под углом к основанию, о тл и ч а ю шийся тем, что, с целью снижения веса и повышения его несущей способ8 ности, полки выполнены с равномерно умень. шающейся толщиной к ее концам, и толщина концов в 1,75 — 2,75 раза меньше толщины основания, при этом угол между наружными поверхностями каждой полки и основания составляет 120-135 .

2, Профиль по и, 1, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что длина полок составляет 0,8—

1,0 длины основания.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Горячекатанные сортовые фасонные профили проката. Справочник. M„"Металлургия", 1969, с. 179, поз. 8.

2. Производство и применение гнутых профилей проката. Справочник. М., "Металлургия, 1975, с. 472, поэ. 6 — 2 и б — 17 (прототип).

7081!О

N ФХ FO

Уиол Раз3оротц аотк -(N -.ô, ряд аду .т

Редактор H. Ахмедова

Заказ 8461/31

Тираж. 1095 Подписное

1NHHIIH Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж вЂ” 35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4

Составитель И. Антипова

Техред Н. Бабурка . Корректор Т. Скворцова