Наиболее перспективными легкими конструкциями в строительстве, машиностроении, судостроении, авиации, космонавтике являются многослойные конструкции, имеющие высокую жесткость при малом весе. Особенно, это относится к трехслойным конструкциям (ТК) с сотовыми заполнителями.
Известно, что трехслойная конструкция состоит из двух внешних, сравнительно тонких слоев и толстого среднего слоя (заполнителя) (рисунок 1.1.1).
Заполнитель изготавливается в заводских условиях, что обеспечивает наименьшие отклонения их размеров от требуемых. Размеры сот колеблются от нескольких миллиметров до десятков сантиметров, в зависимости от назначения конструкции.
Впервые ТК была применена в 1845 г. английским инженером Р. Стефенсоном при строительстве железнодорожного моста. Интенсивное развитие облегченных конструкций произошло вследствие технического прогресса в авиации и космонавтике. В 40-х годах XX века начали появляться первые самолеты с трехслойными силовыми элементами. В настоящее время многослойные конструкции используются в строительстве, при конструировании наземных транспортных средств, в судостроении.
Принципы создания ТК и двутавровой балки аналогичны. В трехслойной конструкции роль стенки играет заполнитель, за счет которого разносятся несущие слои, что придает пакету слоев высокие характеристики жесткости и прочности при относительно малом весе. Комбинируя материалы заполнителя и несущих слоев, можно добиться нужных свойств трехслойной конструкции (вибростойкость, теплои звукоизоляция и др.).
Несущие слои воспринимают продольные нагрузки (растяжение, сжатие, сдвиг) в своей плоскости и поперечные изгибающие моменты. Заполнитель воспринимает поперечные силы при изгибе и обеспечивает совместную работу и устойчивость несущих слоев. Способность заполнителя к восприятию нагрузки в плоскости несущих слоев зависит от конструкции заполнителя и его жесткостных характеристик.
Внешние, так называемые несущие слои изготавливаются из прочных материалов (стали, сплавов легких металлов, дерева, армированной волокном пластмассы, бетона или асбестоцемента и др.). Внутренний слой — заполнительизготавливается из относительно малопрочных материалов с малой плотностью (из пробки, резины, древесины, пластмассы, вспененного полимерного материала, а также из легкого металла в форме сот, перемычек, гофрировки или другой конструкции). Выбор формы сот зависит от формы трёхслойной конструкции и выполняемой ею функции. По степени заполнения объема между несущими слоями заполнитель делится на сплошной и дискретный.
По структуре сечения трехслойные конструкции разделяются на симметричные и несимметричные. Если несущие слои имеют одинаковую толщину и изготовлены из одинаковых материалов, то ТК считается симметричной, а в противном случае — несимметричной.
По сравнению с традиционными однослойными, трехслойная конструкция обладает повышенной жесткостью и прочностью, что позволяет уменьшить толщину оболочек, панелей и число ребер жесткости, которые существенно уменьшают массу конструкции.
При создании трехслойной конструкций возникает необходимость соединения её элементов. Механические соединения — сварные, паяные и заклепочные — не всегда эффективны. Известно, что сварка разнородных металлов — очень сложный технологический процесс, а в некоторых случаях, например, при сварке магния с алюминием, образуются хрупкие соединения. Затруднительна сварка листов различной толщины. Кроме того, при контакте двух различных металлов возможно образование гальванической пары, способствующей возникновению коррозионных явлений. Пайка легких сплавов — еще более сложный процесс и менее надежный способ, по сравнению с пайкой сталей. Невозможность полного удаления из некоторых паяных конструкций остаточных флюсов приводит к коррозии металла.
Применение в трехслойных конструкциях клеев позволяет надежно и достаточно прочно соединять разнородные металлы разной толщины и исключает необходимость сверления отверстий, изготовления болтов и заклепок. Процесс соединения становится более простым и дешевым, а конструкция более легкой.
Следует отметить, что использование клеевых соединений приводит к снижению веса конструкций, так как дает возможность применять более тонкие металлические листы. Например, в авиационной промышленности при замене заклепочных и сварных соединений клеевыми, можно на 25−30% облегчить изделия.
Клеевые соединения на современных клеях имеют высокие показатели прочности при сдвиге и равномерном отрыве, а также длительной и усталостной прочности. Они обладают высокой эксплуатационной надежностью и длительным сроком службы в различных климатических условиях [69,70]. Однако, большинство клеев имеют сравнительно невысокую теплостойкость. К недостаткам клеевых соединений относится и то, что они менее долговечны, чем сварные и клепаные. Кроме того, клеевые соединения металлов имеют относительно небольшую прочность при неравномерном отрыве, что необходимо учитывать при проектировании клеевых конструкций.
Требования, предъявляемые конструкционным клеям, зависят от назначения и условий эксплуатации конструкций. Однако, во всех случаях швы конструкционных клеев должны быть менее жесткими, чем склеиваемые ими металлы, и иметь коэффициенты термического расширения, близкие к коэффициентам металла. При использовании клеев в металлических силовых конструкциях особое значение приобретает расчет прочности клеевых соединений.
Длительное нагружение и повышенные температуры снижают прочность клеевых швов.
Механические свойства сотового заполнителя зависят главным образом от толщины стенок и размера ячеек [83, 108, 115, 120, 122, 128]. Прочность соединения обшивки с заполнителем также является функцией размера ячейки. Для повышения прочности соединения заполнителя с обшивкой при отслаивании иногда применяют клеевые пленки, представляющие собой стеклоткань, пропитанную клеем.
Эксперименты, проведенные в лаборатории кафедры «Промышленное и гражданское строительство» ДГТУ показали, что, в частности, при действии равномерно распределенной нагрузки разрушение ТК происходит по клеевому шву и при нагрузках меньших, чем расчетные (особенно с относительно жестким сотовым заполнителем). Кроме того, исследования показали, что на несущую способность ТК, соединенных на клею, влияет повышение температуры [116,118, 119,120, 121, 124−127]. В связи с этим возникает необходимость учета в расчетах прочностные характеристики клея и температурного воздействия.
В связи с вышеизложенным была сформулирована цель исследования.
Цель и задачи диссертационного исследования. Целью диссертационного исследования является, изучение теоретических и экспериментальных исследований влияния на несущую способность ТК соединительного клея, влияние температурного воздействия на прочность клеевого шва и разработка методики расчета ТК с учетом прочностных характеристик клея. В соответствии с целью, в работе поставлены и решены следующие задачи:
— обоснована необходимость повышения надежности работы трехслойной балки (ТБ), элементы которой соединены на клею;
— применен метод конечных элементов (МКЭ) для расчета ТБ без учета и с учетом влияния работы клеевого шва;
— разработана установка для экспериментального исследования ТБ под действием равномерно распределенной нагрузки;
— установлены значения коэффициента снижения несущей способности ТК, учитывающего влияние клея и температуры.
Объект исследования.
Трехслойная балка с сотовым заполнителем, соединенных на клею ЭД-20 и К-153.
Предмет исследования.
Исследование напряженно-деформированного состояния (НДС) ТБ с учетом влияния клеевого шва и температуры.
Научная новизна диссертационного исследования состоит в следующем:
— разработана методика расчёта НДС ТК без учета и с учетом влияния работы клеевого шва;
— предложена система дифференциальных уравнений для расчета НДС трехслойной балки, учитывающая сближение слоев, в основном для несимметричных конструкций;
— предложен метод учета в расчетах влияния работы клея на несущую способность ТК, введением соответствующего коэффициента, полученного экспериментально;
— предложен метод учета в расчетах влияния температуры на несущую способность ТК, введением соответствующего коэффициента, полученного экспериментально;
— разработана методика проведения экспериментальных исследований по определению напряжений в клеевом шве ТК без учета и с учетом влияния температуры;
— определены рациональные параметры ячеек сотового заполнителя, от которых зависит влияние клея на несущую способность ТБ.
Основные положения, выносимые на защиту:
— использование метода конечных элементов в расчётах ТК без учета и с учетом влияния клеевого шва на их несущую способность;
— система дифференциальных уравнений для расчета НДС трехслойной балки, учитывающая сближение слоев, в основном для несимметричных конструкций;
— метод учета влияния работы клея на несущую способность ТК;
— метод учета влияния температуры на несущую способность ТК, соединенных на клею;
— результаты теоретических и экспериментальных исследований по определению прочностных характеристик ТК с учетом влияния клеевого шва и температуры;
— влияние размеров сотового заполнителя на несущую способность ТК.
Практическая значимость диссертационной работы:
— разработана установка для экспериментального исследования несущей способности трехслойной балки, находящейся под действием равномерно распределенной нагрузки, с учетом влияния клея и температуры;
— проведен расчет ТБ, элементы которых соединены на клею, методом конечных элементов с учетом влияния работы клеевого шва;
— определены рациональные параметры ячеек сотового заполнителя, от которых зависит влияние клея на несущую способность ТБ;
— установлены значения коэффициента снижения несущей способности ТК в зависимости от влияния клея и температуры;
— полученные результаты диссертационной работы могут быть использованы при проектировании ТК, соединенных на клею.
Внедрение результатов работы. Опытно-производственное опробование разработанных ТК было произведено в организации ОАО «Стеклопласт», г. Махачкала. Результаты расчета взяты за основу при проектировании ограждающих и несущих конструкций в ООО Институт «Дагагропромпроект». Результаты исследований внедрены в учебный процесс на 1У-У курсах по разделу «Здания и сооружения из легких конструкций» для специальности 270 102 — «Промышленное и гражданское строительство». Кроме того, результаты исследований используются студентами в курсовом и дипломном проектировании.
Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на ХХХ-ХХХШ итоговых научно-технических конференциях преподавателей, сотрудников, аспирантов и студентов Дагестанского государственного технического университета (г. Махачкала, 2009;2011 г.), региональной научно-практической конференции «Новое в расчетах и проектировании строительных конструкций» (г. Махачкала, 2009 г.), на Международной научно-технической конференции МГСУ (г. Москва, 2011 г.), XIV Международной межвузовской научно-практической конференции молодых ученых, докторантов и аспирантов (г. Москва, 2011 г.), Всероссийской научно-технической конференции «Вопросы проектирования и расчёта зданий и сооружений» (г.Махачкала, 2011 г.).
Публикации. По результатам диссертационной работы опубликовано 10 работ, в том числе 5 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, выводов, заключения, списка использованной литературы из 154 наименований и приложения. Изложена на 141 страницах машинописного текста, включает 75 рисунков и 21 таблицу.
