Корытный профиль для усиления тонкостенной оболочки Советский патент 1980 года по МПК F16S3/00 

(54) КОРЫТНЫЙ ПРОФИЛЬ ДЛЯ УСИЛЕНИЯ ТОНКОСТЕННОЙ

ОБОЛОЧКИ 3 Данный профиль наиболее близок к изобре тению по технической сущности и достигаемому результату. Этот профиль отличается одинаковой толщи ной оснопалия и полок. Такая конструкция характеризуется, с одной стороны, недостаточной прочностью основания, часто деформируется и легко повреждается, а с другой избы точной толщиной концов полок, вызывающей не рациональное утяжеление. Кроме того, величина разворота полок указанных 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 повьпиение несущей способности корытного профиля. Поставленная цель достигается тем, что полки выполнены с равномерно уменьщающейся толщиной к ее концам, и толщина концов в 1,75-2,75 раза меньше толщины основания, при этом угол между наружными поверхностя ми каждой полки и основания составляет 120- 135°. Кроме того, длина полок составляет 0,8 - 1,0 длины основания. Предлагаемая конструкция корытного профиля в наиболее полрюй 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 повышен1гую местную прочность. Уменьшение толщи} ы полок по концам обеспечивает существенное облегчение профиля а также улучщает условия сварки его с тонкостенной оболочкой. Перепад толщины отдель ных элементов поперечного сечения корытного профиля в пределах от 1,75 до 2,75 объясняется по минимальному значению необходимост обеспечения достаточной прочности основания и эффективности его эксплуатационных свойст Отношение 1,75-2,25 рекомендуется при изготовлении корытного профиля из металла повыщенной прочности по сравнению с прочностью материала тонкостенной оболочки (например, из низколегированной стали при применении оболочки из низкоуглеродистой ст ли) . Максимальное значение соотнощения толщин основания и концов полок корытного профиля отвечает условиям обеспечения необходимой прочности корытного профиля, свойства материала которого близки к прочностны 4 свойствам материала оболочки. Кроме того, это соотнощение определяется также обеспечением нормальных условий его прокатки. Разворот полок корытного профиля в пределах 120-135°С, не уменьшая существенно расстояния между основанием профиля и тонкостенной оболочкой, обеспечивает, с одной стороны, вовлечение большей длины тонкостенЫй оболочки в конструктивный узел подкрепляющего ребра, а, с другой - при одном и том же щаге 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 полок корь тного 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) - равнотолщ,инный корытный профиль с параллельными полками, д) - предлагаемый корытный профиль); на фиг. 3 - график изменения показателей прочности и жесткости узла корытный профиль - тонкостенная оболочка Б зависимости от угла разворота полок корытного профиля. Корытный профиль состоит из основания 1 одинаковой толщины и двух полок 2, которые расположены симметрично и соединены с концами стенки криволинейными участками 3. Полки имеют толщину, уменьшающуюся к их концам. На фиг. 1 обозначено: b - ширина стенки, d - толщина стенки; m - длина полки; s толщина концов полок; h - общая высота профиля; В - габаритная ширина профиля; Виг- наружный и внутренний радиусы закругления участков сопряжения стенки с полками профиля; 7 угол между полкой и оболочкой, к которой крепится профиль. На фиг. 2 обозначено: t - подкрепляющий шаг ребер, образуемых профилями разного сечения; s - толщина оболочки; Ьд - ширина подкрепляющего ребра, образованного усиливающи.м профи.чем и частью тонкостенной оболочки; (t-bg) - свободный (гибкий) участок оболочки; у - расстояние между нейтральной осью подкрепляющего .ребра и оболочкой. На фиг. 2 видно, что по мере перехода or одною конструктивного выполнения подкрепляющего ребра к другому уменьшается длина свободного участка тонкостенной оболоч ки (t-bo), увеличивается длина участка тонкостенной оболочки, вовлекаемая в жесткий узел подкрепляющего ребра Ьд, и нейтральная ось 1триближается к тонкостенной оболочке, усиливая эффективность влияния наиболее удаленного элеме 1та поперечного сечения подкрепляющего ребра - основания - на прочность и жесткость всей конструкции. Для каж дого профиля подкрепляющего ребра показаны наименьшие и наибольшие напряжения-(fvi-ii и (,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 относительно оболочки у. Видно приближение оси к оболочке, что разгружает ее и нагружает наиболее удаленный элемент поперечного сечения подкрепляющего ребра, величина напряжения в котором обозначена 6 с соответствую щим индексом. Минимальное значение G объяс няется увеличенной толщиной основания корытного профиля. На фиг. 3 изображена схема остаточной деформации неподкрепленных участков тонкостенной оболочки, находящихся между ребрам В подкрепленную зону помимо ширины про филя в включены с обеих сторон части тонкостенной оболочки, равные по длине примерно 10s, как свисающие участки ребра, на длине которых еще отражается жесткость корытного профиля, прочно соединенного с оболоч-кой. Изменение положения нейтральной оси 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 площади поперечного сечения в плоскос ти оболочки Wo6. снаружи стенки корытного профиля Wet, момент инерции D. Из графика видно, что для принятого отношения толщин тонкостенной оболочки и основания корытного профиля существует оптимальный угол разворота его полок (90° -), при котором показатели прочности и жесткости всего подкрепляющего ребра приобретают максималыгоге значения (т.е. при 90°-7 -37° или при 7 53°. Увеличение жесткости и прочности в пределах О--37° объясняется вли нием вовлечения в подк11е1ыяющее замкнутое 7 6 ребро части тонкостенной оболочки. Дальнейшее резкое снижение этих параметров является результатом чрезмерного 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 WCT 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): (Т -к ( -b-tooy max iV с, ) Прогиб, в свою очередь, может характеризоваться отнощением:,, .к UJ К 5 Таким образом, применение корытных профилей с развернутыми до оптимальной вел1гчины полками обеспечивает существенное уменьшение длины свободного пролета оболочки (t-bo), что резко снижает в ней рабочие напряжения (фиг. 2). Так, например, если кузов автомобильного caMOCBaJia, изготавливаемый обычно из тонкого листа толщиной s 3 мм и подкрепленный корытным равнотолщинным холодногнутым профилем с длиной основания 100 и длиной полок 85 мм при их толщине мм при шаге подкрепляющих ребер t 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.Прошость по слабому месту подку)епляющего 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 Metibuie, чем показатели прошости). Естественно, что при необходимости сохранения ггомииальной 7 грузоподъемности кузова самосвала его масса может быть уменьшена примерно на 25-35% за счет утонения оболочки н применения пред лягаемого корытного профиля для подкрепляющих ребер. Формула изобретения 1. Корытный профиль для усиления тонкостенной оболочки, выполненный в виде основа ния и соединенных с ее концами криволинейными участками двух полок, расположенных симметрично и под углом к основанию, о тли чающийся тем, что, с целью снижения веса и повышения его несущей способности, полки выполнены с равномерно уменьшающейся 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 п. 1, отличающийс я тем, что длина полок составляет 0,81,0 длины основания. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Горячекатанные сортовые фасонные профили проката. Справочник. М., Металлургия, 1969, с. 179, поз. 8. 2.Производство и применение гнутых профилей проката. Справочник. М., Металлургия, 1975, с. 472, поз. 6-2 и 6-17 (прототип).

Jio)a

-Ч A

Т -

IS

Игол разИоррта поаок- (90 -), toad «(Oi/г. J

30ffso