Моделирование жестких соединений с помощью МКЭ

Техническая статья

Соединения необходимо подробно проанализировать в модели конечных элементов, особенно в том случае, когда нужно рассмотреть прилегающую к точкам соединения область, или геометрия и нагрузка на соединение не соответствуют стандартным спецификациям, и/или конструкция должна быть проанализирована на модели КЭ (например, в производственном планировании).

Чтобы получить существенные результаты для выбора нужного подхода к моделированию, будет полезным сначала создать конструкцию, которую можно сравнивать с классическими методами.

В предыдущей статье, расчет сопротивления жесткого фланцевого соединения был выполнен по формуле из нормы EN 1993-1-8 [1]. В данном примере с применением моделирования по МКЭ сопротивление лобовой плиты соединения должно быть нагружено заданным расчетным сопротивлением 324,95 кНм.

Pисунок 01 - Пример расчета

Поверхностная модель

Зададим балку HEB 400 длиной 500 мм и разделим ее на поверхности. Предположим, что лобовая плита, соединенная твердыми головками болтов, обладает жесткими свойствами, тогда образуется жесткая поверхность с диаметром шайбы 44 мм. Чтобы смоделировать эластичность болтов под растягивающей нагрузкой, зададим болты диаметром 24 мм и длиной 29 мм (= толщина лобовой плиты + толщина шайбы). Чтобы обеспечить равномерное распределение нагрузки на балку, применим в месте приложения нагрузки жесткую лобовую плиту.

Поскольку жесткая опора на оси z лобовой плиты может привести к проблемам со сходимостью, зададим поверхностное упругое основание 2 ∙ 108, а в местах, в которых деформация не может произойти из-за условий симметрии балочного соединения или предполагаются наибольшие контактные силы, дополнительно введем линейную опору. У обоих типов опирания произойдет отказ в случае положительной опорной реакции. Поскольку упругий расчет производится по норме EN 1993-1-8 [1] выберем модель материала «Изотропная пластическая 2D/3D» с критерием текучести 23,5 кН/см². Как только критерий текучести будет достигнут в конечном элементе, данный элемент не сможет далее поглощать силы и произойдет перераспределение напряжений.

Pисунок 02 - Поверхностная модель

Результаты

Критерий отказа «Разрушение болта при текучести полки» был подтвержден при ручном расчете.

При применении нелинейной модели материала «Изотропная пластическая 2D/3D» необходимо учесть в расчете область элементов в пластическом состоянии. Следует учесть, что элементы в пластическом состоянии соответствуют остаточному повреждению. Модель МКЭ показывает слишком большие пластические области. Это означает, что соединение перегружено при его анализе с помощью поверхностной модели. Кроме того, определенная растягивающая сила в болте, равная 279 и 288 кН, превышает допустимую растягивающую силу.

Pисунок 03 - Результаты

При дополнительном моделировании, в котором балка, лобовая плита, болты и сварные швы были показаны через твердые тела, а передача силы от балки к лобовой плите происходит через сварные швы (= большая нагружаемая поверхность), были получены пластические области аналогичного размера.

Литература

[1]   Eurocode 3: Design of steel structures - Part 1-1: General rules and rules for buildings; EN 1993-1-1:2010-12

Загрузки

Контакты

Свяжитесь с Dlubal

У вас есть какие-либо вопросы или необходим совет?
Свяжитесь с нами через бесплатную поддержку по электронной почте, в чате или на форуме или найдите различные предлагаемые решения и полезные советы на страницах часто задаваемых вопросов.

+49 9673 9203 0

info@dlubal.com

RFEM Основная программа
RFEM 5.xx

Основная программа

Программное обеспечение для расчета конструкций методом конечных элементов (МКЭ) плоских и пространственных конструктивных систем, состоящих из плит, стен, оболочек, стержней (балок), тел и контактных элементов

Цена первой лицензии
3 540,00 USD