Пример выполнения домашней контрольной работы
Вариант №31
Задания: 1,34,65,96,127
Вопрос №1 Исторические этапы применения сварки в конструкциях.
Первые сварки возникли у истоков цивилизации – с началом использования и обработки металлов.
Известные древнейшие образцы сварки, выполненные в 18-17 тысячелетиях до н.э. Древнейшим источником металла были случайно находимые кусочки самородных металлов – золота, меди, метеоритного железа. Ковкой их превращали в листочки, пластинки, острия. Ковка с небольшим подогревом позволяла соединять мелкие кусочки более крупные, пригодные для изготовления простейших изделий.
Позже научились выплавлять металл их руд, плавить его и литьем изготовлять уже более крупные и часто весьма совершенные изделия из меди и бронзы.
С освоением литейного производства возникла литейная сварка по так называемому способу промежуточного литья – соединяемые детали заформовывались, и место сварки заливалось расплавленным металлом. В дальнейшем были созданы особые легкоплавкие сплавы для заполнения соединительных твои и наряду с литейной сваркой появилась пайка, имеющая большое значение и сейчас.
Весьма важным этапом стало освоение железа около 3000 лет назад. Железные руды имеются повсеместно, и восстановление железа из них производится сравнительно легко. Но в древности плавить железо не умели и из руды получали продукт, состоящий из мельчайших частиц железа, перемешанных с частицами руды, угля и шлака. Лишь многочасовой ковкой нагретого продукта удавалось отжать неметаллические примеси и сварить частицы железа в кусок плотного металла. Из получаемых заготовок кузнечной сваркой изготовляли всевозможные изделия: орудии труда, оружие и пр.
Кузнечная сварка и пайка были ведущими процессами сварочной техники вплоть до конца 19в., когда начался совершенно новый, современный период развития сварки. Несоизмеримо выросло производство металла и всевозможных изделий из него, многократно – потребность в сварочных работах, которую не могли уже удовлетворить существовавшие способы сварки. Началось стремительное развитие сварочной техники – за десятилетие она совершенствовалась больше, чем за столетие предшествующего периода. Быстро развивались и новые источники нагрева, легко расплавляющие железо: электрический ток и газокислородное пламя.
Особо нужно отметить открытие электрического дугового разряда, на использовании которого основана электрическая дуговая сварка – важнейший вид сварки настоящего времени. Само явление дугового разряда открыл и исследовал в 1802 году русский физик и электротехник, впоследствии академик Василий Владимирович Петров.
В 1802 г. Русский академик В.В. Петров обратил внимание на то, что при пропускании электрического тока через да стержня из угля или металла между их концами возникает ослепительно горящая дуга, имеющая очень высокую температуру. Он изучил и описал это явление, а также указал на возможность использования тепла электрической дуги для расплавления металлов и тем заложил основы дуговой сварки металлов.
Н.Н. Бенардос в 1882 г. изобрел способ дуговой сварки с применением угольного электрода. В последующие годы им были разработаны способы сварки дугой, горящей между двумя или несколькими электродами; сварки в атмосфере защитного газа; контактной точечной электросварки с помощью клещей; создан ряд конструкций сварочных автоматов.
Н.Г. Славянов не только изобрел дуговую сварку металлическим электродом, но и сам широко внедрял ее в практику. С помощью обученного им коллектива рабочих-сварщиков, Н.Г. Славянов дуговой сваркой исправлял брак литья и восстанавливал детали паровых машин и различного крупного оборудования. Н.Г. Славянов создал первый сварочный генератор и автоматический регулятор длины сварочной дуги, разработал флюсы для повышения качества наплавленного металла при сварке. Созданные Н.Н. Бенардосом и Н.Г. Славяновым способы сварки явились основой современных методов электрической сварки металлов.
Внедрение сварки в производство проходило очень интенсивно, так в России с 1890 по 1892 года было по их технологии отремонтировано с высоким качеством 1631 изделие, общим весом свыше 17 тыс. пудов, это в основном чугунные и бронзовые детали.
В настоящее время широкое развитие получили такие новые способы сварки как: порошковыми материалами, плазменная, контактная и электрошлаковая, сварка под водой и в космосе и др., многие из которых были разработаны в институте электросварки имени Е.О. Патона.
В последние годы сварка повсеместно вытеснила способ неразъемного соединения деталей с помощью заклепок.
Сейчас сварка является основным способом соединения деталей при изготовлении металлоконструкций. Широко применяется сварка в комплексе с литьем, штамповкой и специальным прокатом отдельных элементов заготовок изделий, почти полностью вытеснив сложные, дорогие цельнолитые и цельноштампованные заготовки.
Вопрос № 34 Расчет сварных балок на стойкость.
Проверка общей стойкости балки. Узкая длинная балка без закрепления в боковом направлении и нагружена сверх определенного предела, может потерять стойкость и получить большие отклонения f в плане.
Рисунок 1- Сварная балка
Это явление называется потерей общей стойкости балки, а нагрузка и напряжения, при которых начинается потеря общей стойкости, называются критическими.
При потере общей стойкости начинается кручение поперечного сечения балки, в результате чего происходит отклонение поясов в планке, и балка, кроме изгиба в вертикальной плоскости, поддается также изгибу в горизонтальной плоскости и кручению. Очевидно, что чем более широкие пояса и больший Іу, тем высшие критические напряжения и более стойкая балка
При больших значениях необходимая проверка балки на общую стойкость с введением к расчетной формуле коэффициенту φ.
Для балок с симметричным сечением коэффициент φ, который представляет собой отношение критического напряжения потери стойкости к границе текучести, определяется по формуле:
где ψ- коэффициент, определяется по таблице в зависимости от коэффициента α.
Таблица Значения коэффициента ψ
В случае потери общей стойкости рекомендуется.
1. Изменять свободную длину путем постановки (если это возможно) закреплений от деформации в планке, используя отношение l/bп = 10...20. Например, две параллельных балки следует взаимно соединить, как показано на рис.
Рисунок Закрепления балок в планке
2. Изменять размеры элементов сечения балки, а именно - ширину полки bп.
Проверка местной стойкости составных элементов сечения балки. Местная дефформация отдельных элементов конструкций под действием нормальных (сжимающих) или касательных напряжений называется, потерей местной стойкости. В балках потеря местной стойкости пояса или стенки часто является основной причиной потери несущей способности. Стенка балки может потерять стойкость от влияния касательных или нормальных напряжений, а также и от общего их действия.
Потеря стойкости стенки от касательных напряжений. Вблизи от опоры стенка балки поддается влиянию касательных напряжений, под воздействием, которых она перекашивается: по линиям сокращенных диагоналей стенка сжимается, а по линиям продленным - вытягивается.
Рисунок 2 - Потеря стойкости стенки от касательных напряжений
Под воздействием сжимания стенка может деформироваться, образовывая волны, наклоненные к оси под углом приблизительно 45°. Для предупреждения дефформации стенки ставят вертикальные (поперечные) ребра жесткости, которые пересекают возможные волны. Если обозначить через а расстояние между осями ребер жесткости, через hст - высоту стенки и через d - меньшую сторону прямоугольника, то критическое касательное напряжение в стенке выразится формулой (из расчёта упругого защемления стенки в поясах) :
Расчет на стойкость обычно ведут в тоннах и сантиметрах. В случае, если μ или соответственно α очень большие (в крайнем случае означает наличие ребер жесткости только на опорах балки), меньшая сторона d становится ровной hст и тогда:
Определим, при каком значении гибкости стенки kст = hст /δст напряжение τкр может достичь предела текучести τт и назовем такую гибкость критической гибкостью kкр. Выше было отмечено, что τт = 0,6σт. Подставляя это значение в формулу для τкр находим критическую гибкость:
Таким образом, при Ккр< 90 стенка при нагрузке достигнет текучести от касательных напряжений раньше, чем потеряет стойкость. Для предотвращения потери стойкости рекомендуется устанавливать ребра жесткости на расстоянии аmах = 2...2,5h
Учитывая некоторое влияние ребер на характер деформирования стенки и ряд упрощений, нормами позволяется не делать проверку стойкости стін-ки балки при значениях гибкости стенки < 110 , а при наличии местного давления между ребрами жесткости (σm ≠ 0), при значениях гибкости стенки kкр < 80.
Потеря стойкости стенки от нормальных напряжений. Вдалеке от опор, ближе к середине балки, влияние касательных напряжений на стенку небольшое; стенка здесь поддается главным образом влиянию нормальных напряжений, из-за чего она также может потерять стойкость (рисунок ).
Рисунок Потеря стойкости стенки от нормальных напряжений
Величина критических нормальных напряжений зависит от закона их распределения. Критические нормальные напряжения в стенке балки, которая сгибается, равняются:
где ко - принимается по таблице в зависимости от величины γ, при этом учитывается упругое защемление стенки в поясах:
где bп и δп - ширина и толщина сжатого пояса балки.
Определим величину критической гибкости, при которой критическое нормальное напряжение достигает предела текучести σт = 240 МПа (для стали 3). Из уравнения для σкр получаем при ко = 6,3.
В случае изгиба стенка начинает терять стойкость от нормальных напряжений при значениях hст /δст > 162. Однако, учитывая приближенность ряда предпосылок, при выводе вышеприведенных формул рекомендуется критическую гибкость стенки (при влиянии только нормальных напряжений), принимать ровной: для стали ккр=160МПа.
Задача № 65
Задача. Найти высоту балки, если на нее действует изгибающий момент. Данные в таблице 1.
Таблица 1
| № задание | Сечение балки | Изгибающий момент, кНм | Материал | Толщина стенки, мм |
| коробчатый | 09Г2С |
Дано: М = 230кНм
09Г2С
бст = 8мм
Решение:
,м
где: М - максимальный изгибающий момент, кН· м;
[σ]р - допустимое напряжение для основного металла, МПа;
δст, - толщина вертикальной стенки, м;
0,48м
Ответ: h =0,48м.
Задача №96
Найти напряжение в кольцевом шве трубы. Данные в таблице 3.
Таблиця3
| № задание | Транспортируемый продукт | Внутренний радиус, мм | Толщина стенки трубы, мм | Давление, кгс/см2 |
| газ |
Дано:
Р =100кгс/см2
бст = 13мм
Rвн = 410мм
Продукт транспортировки: газ.
Решение:
Напряжения в кольцевом шве трубы определяются за формулой:
, МПа
где: δ - номинальная толщина стенки трубы, м;
Rвн - внутренний радиус трубы, м;
Р - рабочее (нормальный ) давление в трубопроводе, МПа,
Р = Р0 /n;
n - коэффициент перегрузки рабочего давления в трубопроводе:
· для газопроводов - 1,2
· для нефтепроводов - 1,15.
[σ'] - допустимое напряжение на сварной шов, МПа.
Р =100×10-3 /1,2=0,083
Ответ: 1,31МПа.
Задача №127
Проверить прочность сварного шва соединения внапуск. Данные в таблице 5.
| № Задание | Материал | Продольная сила, кН | Вид сварки | Катет шва, мм | Длина шва, мм | |
| ВСт3сп | Р |
Таблица 5
Дано:
N = 100кН
L = 300 мм
Материал: ВСт3сп
Вид сварки: ручная.
к = 3мм
Решение:
где: Lшв - длина сварного шва, мм;
к - катет сварного шва, мм;
β - коэффициент проплавления металла, берём β = 0,7;
– допускаемое напряжение, МПа;
, МПа
, МПа
[σ']р - допускаемое напряжение на растяжение, для металла шва, определяется по формуле:
[σ'] = φ×[σ], МПа
[σ'] = 0,8×171=137 МПа
где φ - коэффициент прочности шва, который зависит от вида сварного шва и способа сварки (0,8);
допускаемое напряжение на растяжение для основного металла;
[τ']ср – нормальное напряжение среза для металла шва, определяется по формуле:
[τ] =(0,6÷0,7)[ σ], МПа
[τ]ср = 0,65×171= 112МПа
[τ]ср - напряжение, которое возникает в основном металле при работе сварного соединения на срез;
[τ'] = φ×[τ], МПа
[τ'] = 0,8×112 = 90МПа
Ответ: Условие прочности не выполняется.
Критерии оценивания домашней контрольной работы
Каждый вариант домашней контрольной работы имеет два теоретических вопроса, и три расчетных задачи. Вопросы оцениваются в 1 балл, задача оценивается в 1 балл.
Оценка «не удовлетворительно» (2 балла) выставляется тогда, когда студент во время выполнения задания не ответил на вопрос и не решил задачу, или вообще не выполнил работу. Не показал умений: работать самостоятельно, логически мыслить, находить решения в проблемных ситуациях.
Оценка « удовлетворительно» (3 балла) выставляется тогда, когда студент во время выполнения работы решил задачи в неполном объеме, то есть не указал единицы измерения и не расшифровал формулы или ответил на один из вопросов в неполном объеме. Не показал умений: работать самостоятельно, логически мыслить, находить решение в проблемных ситуациях.
Оценка «хорошо» (4 балла) выставляется тогда, когда студент во время выполнения контрольной работы проявил умения решать проблемные задачи. В полном объеме ответил на вопросы. При выполнении домашней контрольной работы студент показал умения работать самостоятельно справочной литературой и таблицами. Проявил добросовестность к выполнению работы. Но были допущены не большие ошибки.
Оценка «отлично» (5 баллов) выставляется тогда, когда студент во время выполнения контрольной работы проявил умения решать проблемные задачи. В полном объеме ответил на вопросы. При выполнении домашней контрольной работы студент показал умения работать самостоятельно справочной литературой и таблицами. Проявил добросовестность к выполнению работы. Работа выполнена в полном объёме без ошибок.