книги / Сварные конструкции.-1

Втабл. X. 8 приведены все необходимые данные для проверки напряжений

встержнях рассчитываемой стропильной фермы.

ЛИСТОВЫЕ КОНСТРУКЦИИ § 1. Общие сведения

Листовыми называют такие конструкции, несущая основа ко­ торых состоит из листов. Листовые конструкции используются главным образом для хранения, транспортировки, перегрузки и переработки газов, жидкостей и сыпучих тел. Они имеют весьма широкое применение, годовой их выпуск составляет по весу более 30% от всех изготавливаемых в нашем народном хозяйстве метал­ лических конструкций.

При классификации листовых конструкций обычно отмечают следующие их разновидности:

1 ) резервуары для хранения жидкостей;

2 ) газгольдеры для хранения газов;

3)бункера и силосы для перегрузки и хранения сыпучих ма­ териалов;

4)трубопроводы большого диаметра (D > 600 мм) для пере­ дачи газов, жидкостей и пылевидных масс на большие расстояния;

5)обшивки и настилы для передачи давлений и создания гер­ метичности;

6 ) конструкции специального назначения — кожухи домен­

ных печей, воздухонагревателей, пылеуловителей в металлурги­ ческой промышленности, сосуды и аппараты химической, нефтя­ ной и других отраслей промышленности.

Условия работы листовых конструкций весьма разнообразны. В зависимости от назначения они могут работать при статической

идинамической нагрузке, при высоких и низких температурах,

вусловиях воздействия различных агрессивных сред.

По условиям эксплуатации листовые конструкции разделяют на две группы.

К первой группе относятся листовые конструкции, работаю­ щие без воздействия взрывоопасной или ядовитой среды при дав­ лении р < 0,7 ати и температуре Т < 100° С. Конструкции этой

группы проектируются и изготавливаются в соответствии с об­ щими нормами и правилами, принятыми для металлических кон­ струкций.

Ко второй группе относятся листовые конструкции, работающие при большом давлении, высокой температуре, воздействии взрыво­ опасных или ядовитых сред. Проектирование и изготовление конструкций этой группы производится в соответствии с дополни­ тельными требованиями, устанавливаемыми Госгортехнадзором или другими специальными ведомствами.

Основной особенностью листовых конструкций является то, что все их соединения должны удовлетворять не только условиям прочности, но одновременно и условиям плотности. Выполнение этих условий наиболее просто и надежно обеспечивается в сварных конструкциях. Поэтому в настоящее время все листовые конструк­ ции выполняются только сварными. Необходимо отметить, что для некоторых листовых конструкций, характеризующихся примене­ нием листов большой толщины (например, для сосудов и аппара­ тов современных сверхмощных энергетических установок), сварка является не только более рациональным, но и единственно возмож­

относится то, что при заготовке для них деталей применяются та­ кие операции, как вальцовка, штамповка, холодная гибка, кото­ рые вызывают большие пластические деформации материала, что связано со значительным использованием запаса его деформацион­ ной способности. Это приводит к тому, что к материалу листовых конструкций предъявляются повышенные требования по характе­ ристикам пластичности по сравнению с материалом других кон­ струкций.

Листовые конструкции имеют большую протяженность сварных швов, что способствует применению при их изготовлении автома­ тических методов сварки.

В связи с этим при заводском изготовлении листовых конструк­ ций уровень механизации и автоматизации производственных процессов может быть весьма высоким, Однако многие листовые конструкции имеют большие габариты и поэтому не могут быть выполнены целиком на заводе. При этом большой рбъем сборочно­ сварочных работ должен выполняться на строительной площадке, организуемой на месте монтажа. Это сильно затрудняет изготовле­ ние таких листовых конструкций и резко снижает уровень приме­ нения автоматической сварки.

Для повышения технико-экономических показателей изго­ товления листовых конструкций необходимо стремиться к умень­ шению объема монтажных работ.

В связи с этим Институт электросварки имени Е. О. Патона АН УССР предложил новый индустриальный метод изготовления крупногабаритных листовых конструкций, который позволяет

выполнять сварку почти всех швов на заводе; при этом на монтаж­ ной площадке производится сварка только замыкающих швов.

Применение автоматической сварки способствует не только повышению рентабельности производства, но и в значительной мере улучшению качества сварных швов, что имеет весьма боль­ шое значение для обеспечения успешной эксплуатации многих листовых конструкций, работа которых протекает в весьма сложных условиях.

§ 2. Основы теории расчета тонких оболочек и пластинок

Основными несущими элементами листовых конструкций являются оболочки и пластинки. Так, например, корпуса различ­ ных газгольдеров, резервуаров, котлов, трубопроводы больших диаметров, кожухи доменных печей обычно являются оболочками. Листовые настилы, плоские переборки, стенки бункеров, плоские днища сосудов являются пластинками. Толщина оболочек и пла­ стинок, применяемых в листовых конструкциях, обычно мала по сравнению с другими их габаритными размерами и напряжения, возникающие в сечениях, параллельных их поверхностям, при работе под нагрузкой ничтожно малы.

Поэтому при расчете тонкостенных оболочек и пластинок пре­ небрегают этими напряжениями и учитывают только напряжения, действующие в сечениях, перпендикулярных срединной поверх­ ности. Это дает возможность при расчете листовых конструкций рассматривать их напряженное состояние не как объемное (трех­ осное), а как плоскостное (двухосное). Такое допущение является справедливым в случаях, когда толщина оболочки не превосходит 1 / 2 0 от величины ее радиуса кривизны, а толщина пластинки не превосходит 1/5 от наименьшего размера в ее плоскости.

С наличием объемного напряженного состояния необходимо считаться в районах приложения сосредоточенных нагрузок,

вместах изменения толщины листов, в узлах пересечения оболо­ чек, а также в местах крепления различных вспомогательных де­ талей оборудования. Дополнительные напряжения, возникающие

втаких участках, являются местными и величина их по мере уда­ ления от указанных участков быстро убывает. При проектирова­ нии листовых конструкций толщину основных элементов обычно определяют без учета этих местных напряжений, но в районах дей­ ствия местных дополнительных напряжений для обеспечения прочности устраивают местные подкрепления.

Расчет оболочек на прочность. Расчет тонкостенных оболочек основывается на безмоментной теории, построенной на предполо­ жениях о том, что оболочки являются гибкими и не могут оказы­ вать сопротивления действию изгибающих и крутящих моментов. Принятое допущение значительно упрощает расчет, так как по­ зволяет не учитывать напряжений от изгиба и кручения. Предпо­

ведливо для участков оболочки, удаленных от мест, где возможна концентрация напряжений.

Рассматривая условия равновесия бесконечно малого элемента, вырезанного из оболочки (фиг. XI. 1, б), можно, спроектировав все действующие силы на нормаль к поверхности, составить сле­ дующее уравнение:

ах — напряжение вдоль образующей (или меридиальное напряжение);

а2 — напряжение в кольцевом направлении (или коль­ цевое);

гх и г2 — радиусы кривизны срединной поверхности обо­ лочки;

Ô — толщина оболочки.

Фиг. XI. 1. Схема напряженного состояния оболочки: а — схема оболочки; б — схема нагрузки элемента.

Полученное уравнение называется уравнением Лапласа. Оно содержит две неизвестные величины сгх и ст2. Второе уравнение, необходимое для их определения, может быть получено при рас­ смотрении условий равновесия по паралелльному кругу (сечение а—а, фиг. XI. 1, о). Проектируя все силы на ось вращения обо­ лочки, будем иметь

2 îtriôa1 sin P *= nr\p.

Для с ф е р и ч е с к о й о б о л о ч к и ri = г, = г.

При равномерном внутреннем давлении р (фиг. XI. 3, а) напряже­ ния вдоль образующей и напряжения в кольцевом направлении равны между собой

При гидростатическом давлении (фиг. XI. 3, б) наибольшие на­ пряжения будут в нижней точке днища

При равномерном внутреннем давлении р (фиг. XI. 4, а) напряжения будут равны:

вдоль образующей

в точке т будут: вдоль образующей

Уtga (^Н----У

(XI. 12)

2ô cos a

S)

В эллипсоидальной оболочке при равномерном внутреннем давлении р (фиг. XI. 5, а) напряжения в характерных точках вы­ ражаются следующими формулами:

в вершине Б

в' точке А вдоль образующей

(XI. 15)

(XI. 16)

— * 0 - и 0 -

При гидростатическом давлении (фиг. XI. 5, б) наибольшие на­ пряжения в нижней точке эллипсоидального днища имеют значение

Проверка прочности оболочек, находящихся в безмоментном двухосном напряженном состоянии, производится по формуле

ог«р= У ’а2 — с,а2-1-с2</?, (XI. 18)

где <г„р —эквивалентное напря­ жение.

При этом, кроме того, должны соблюдаться условия

< R\ <т2 < R.

При расчете оболочек по без-

чивости замкнутой круговой цилиндрической оболочки при неко­ торых типичных случаях загружения.

При равномерном сжатии параллельно образующим (фиг. XI. 6 , а) условие обеспечения местной устойчивости стенок выражается в следующем виде

где сг0 1 — расчетное критическое напряжение.

Значение расчетного критического напряжения <т0 1 опреде­ ляется следующими зависимостями:

г^ 0,525

при —

по линейной интерполяции (I — длина цилиндрической оболочки между опорными кольцами или кольцами жесткости).

При одновременном Действии продольного сжатия и внешнего нормального к боковой поверхности равномерного давления замкнутая круговая цилиндрическая оболочка проверяется на устойчивость по формуле