Корытный профиль для усиления тонкостенной оболочки

гг.тс.р-:;о тс;ю;рс,;ая 11 ао-;,; а я г .а,Союз СоветскихСоцмвлкстическихРеслублик ОП ИСАНИЕИЗОБРЕТЕН ИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ и 708110(22) Заявлено 01.08.77 (21) 2520406/25 - 27 с присоединением заявки РЙ Ркударстввииый комитет СССР ао делам изобретений и открытий(54) КОРЫТНЫЙ ПРОФИЛЬ ДЛЯ УСИЛЕНИЯ ТОНКОСТЕННОЙОБОЛОЧКИ Изобретение относится к прокатному произ водству, а также к транспортному машиностроению: железнодорожному, морскому и автомобильному, более конкретно - к устройству прокатного профиля, используемого в качестве конструктивного, элемента для подкрепления тонкостенной оболочки.Известен корытный профиль, предназначенный для подкрепления тонкостенных металлических оболочек. Он характеризуется наличием отогнутых концов фланцев, находяшихся в одной плоскости, по которой осушествляется их примыкание к тонкостенной оболочке (1.Этот корытный профиль при присоединении к тонкостенной оболочке образует подкрепляюшее ребро,Указанный элемент, находясь в непосредственном контакте с оболочкой, смещает нейтральную ось всего узла подкрепляющего ребра к оболочке, увеличивая нагрузку на основание корытного профиля, которая чаще всего и является самым слабым местом всей металло. конструкции,В то же время отгиб концов полок в плоскости примыкания нужен лишь в тех случаях,когда для соединения корытного профиля стонкостенной оболочкой применяется не сварка,а болтовое, заклепочное нли другое подобное соединение (например, при соединении сдеревянной или алюминиевой обшивкой).Таким образом, известная конструкция корытного профиля с наличием отогнутых концов 1 Офланцев в плоскости примыкания с оболочкой,с которой они соединяются с помощью сварки,имеет нерациональную форму поперечного сечения, так как металл по концам фланцевиспользуется весьма неэффективно, Он оказывает незначительное, влияние на общую прочность и жесткость подкрепляющего ребра, увеличивая нагрузку на слабый элемент подкрепляюшего ребра - стенку корытного профиля.Известен корытный профиль для усилениятонкостенной оболочкй, выполненный из оснований и соединенных с концами оболочки кри.волинейными участками двух полок, расположенных симметрично и пол тупым углом коснованию 2.10 4 3 7081Данный профиль наиболее близок к изобретению по технической сущности и достигаемому результату.Этот профиль отличается одинаковой толщиной основания и полок. Такая конструкцияхарактеризуется, с одной стороны, недостаточной прочностью основания, часто деформируется и легко повреждается, а с другой - избы.точной толщиной концов полок, вызывающей ихне рациональное утяжеление. оКроме того, величина разворота полок указанных профилей мала (угол между полкойи 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 стонкостенной оболочкой.Целью изобретения является снижение весаи повышение несущей способности корытного 2 опрофиля.Поставленная цель достигается тем, что полки выполнены с равномерно уменьшающейсятолщиной к ее концам, и толщина концов в1,75 - 2,75 раза меньше толщины основания, 25при этом угол между наружными поверхностями каждой полки и основания составляет 120 -о135, Кроме того, длина полок составляет0,8 - 1,0 длины основания.Предлагаемая конструкция корытного профиля в наиболее полной степени отвечает особенностям его эксплуатации. Так, наиболееудаленная от нейтральной оси всего узла подкрепляющего ребра стенка корытного профиляимеет наибольшую толщину. Это обеспечивает змаксимальные величины моментов инерциии сопротивления площади поперечного сечениявсего подкрепляющего ребра, а также его повышенную местную прочность.Уменьшение толщины полок по концам 40обеспечивает существенное облегчение профиля,а также улучшает условия сварки его с тонкостенной оболочкой. Перепад толщины отдельных элементов поперечного сечения корытногопрофиля в пределах от 1,75 до 2,75 объясняется по минимальному значению необходимостьюобеспечения достаточной прочности основанияи эффективности его эксплуатационных свойств.Отношение 1,75 - 2,25 рекомендуется приизготоВлении корытного профиля из металла 5 оповышенной прочности по сравнению с прочностью материала тонкостенной оболочки(например, из низколегировацной стали приприменении оболочки из низкоуглеродистой стали). Максимальное значение соотношения тол- дгдиц основания и концов полок корытногопрофиля отвечает условиям обеспечения необхопимой прочности корытного профиля, свой.ства материала которого близки к прочностным свойствам материала оболочки. Кроме того, это соотношение определяется также обеспечением нормальных условий его прокатки.Разворот полок корытного профиля в пре.оделах 120 - 135 С, не уменьшая существенно расстояния между основанием профиля и тонкостенной оболочкой, обеспечивает, с одной стороны, вовлечение большей длины тонкостенной оболочки в конструктивный узел подкреп. ляющего ребра, а, с другой - при одном и том же шаге подкрепляющих ребер, - умень. шает 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 корытного профиля во избе. жанне местной потери устойчивости не должна превышать 0,8 - 1,0 от длины оснований профиля. Меныдие 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) - равнотолшинцый корытный профиль с параллельными полками, д) - предлагаемый корытный профиль); на фиг. 3 - график изменения показателей прочности и жесткости узла корытный профиль - тонкостенная оболочка в зависимости от угла разворота гголок 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: Ьширина стенки, д - толщина стенки; т - длина полки; в - толщина концов полок; Ь - общая высота профиля; В - габаритная ширина профиля: й и г - наружный и внутренний радиусы закругления участков сопряжения стенки с пол. ками профиля; у - угол между полкой и оболочкой, к которой крепится профиль.На фиг. 2 обозначено: т - подкрепляогций шаг ребер, образуемых профилями разного сечения; я - толщина оболочки; Ьо - ширина подкрепляющего ребра, образованного усиливающим профилем и частью тонкостенной оболочки; (т - Ьо) - свободный (гибкий) участок оболочки; у - расстояние между цейтральцой осью подкрепляющего.ребра и оболоч. кой. 11 а фиг. 2 видно. что по мере перехода( -Ьо 50 от одного коцструкгивцого выполнения цод.крепляющсго ребра к другому уменьшаетсядлина свободного участка тонкостенной оболочки (т - Ьо), увеличивается длина участка тонкостенной оболочки, вовлекаемая в жесткийузел подкрепляющего ребра Ьо, и нейтральнаяось приближается к тонкостенной оболочке,усиливая эффективность влияния наиболееудаленного элемента поперечного сечения подкрепляющего ребра - основания - на прочность и жесткость всей конструкции. Для каждого профиля подкрепляющего ребра показанынаименьшие и наиболыцие напряжения-Стц 4 т 1ибс 1,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 реб. ра показано положение нейтральной оси отно о сительно оболочки у. Видно приближение оси к оболочке, что разгружает ее и нагружает наиболее удаленный элемент поперечного сечения подкрепляющего ребра, величина напря 6жения в котором обозначена 6 с соответствую шим индексом. Минимальное значение бобъясняется увеличенной толщиной основания корытного профиля. На фиг. 3 изображена схема остаточцой деформации неподкрепленных участков тонко. стенной оболочки, находящихся между ребрами.В подкрепленную зону помимо ширины профиля "в" включены с обеих сторон части тон 35 костенной оболочки, равные по длине примерно 10 в, как свисающие участки ребра, на длине которых еще отражается жесткость корыт- ного профиля, прочно соединенного с оболоч.кой. Изменение положения нейтральной оси40 х - х в поперечном сечении иллюстрирует это обстоятельство.На фиг. 3 приведено изменение показателей прочности и жесткости узла подкрепляющего ребра в зависимости от угла разворота45 полок корытного профиля. Момент сопротивления плошади поперечного сечения в плоскости оболочки Фоб, снаружи стенки корытного профиля Йст момент инерции 3Из графика видно, что для принятого отношения толщин тонкостенной оболочки и основания корытного профиля существует оптио мальный угол разворота его полок (90 у), при котором показатели прочности и жесткости всего подкрепляющего ребра приобретаюто о 55 максимальные значения (т.с. при 90 - у =37 или прн 753 . Увеличение жесткости и прочности в пределах 0-.37 объясняется влиянием вовлечения в подкрлпяюшее замкнутое 6ребро части тонкостенной оболочки. Дальней. шее 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 Вст 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): Прогиб, в свою очередь, может характеризоваться отношецием:Ъ Ъоф2 Ь Таким образом, применение корытных профилей с развернутыми до оптимальной величины полками обеспечивает существенное уменьшение длины свободного пролета оболочки(т-Ьо), что резко снижает в цей рабочие напряжения (фиг. 2).Так, например, если кузов автомобильногосамосвала, изготавливаемый обычно из тонкоголиста толщиной в = 3 мм и подкрецлеиныйкорытным равнотолшнцным холодногнутымпрофилем с длиной основания 100 н длинойполок 85 мм при их толщине а=0=3 мм пришаге подкрепляющих ребер т = 500 мм сопоставить с таким же кузовом, но подкрепленнымкорытным профилем (развернутые полки7 = 53 и утолщенное основание д = 7 мм),то изменение прочностных характеристик всегокузова 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 в4 раза,3. Прочность по слабому месту подкрепляющего ребра по основанию увеличится в 2 раза;4. Прочность ребра в плоскости оболочкивозрастет в 2,2 раза.При этом увеличение собственной массы кузова составит лишь 24,7% (в 8 раз меньше,чем показатели прочности). Естественно, чтопри необходимости сохранения номинальной708110 грузоподъемности кузова самосвала его массаможет быть уменьшена примерно на 25 - 35%эа счет утонения оболочки и применения предлагаемого корытного профиля для подкрепляющих ребер. Формула изобретении 1. Корытный профиль для усиления тонкостенной оболочки, выполненный в виде основания и соединенных с ее концами криволинейными участками двух полок, расположенных симметрично и под углом к основанию, о тл и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью снижения веса и повышения его несущей способ 8ности, полки выполнены с равномерно уменьшающейся толщиной к ее концам, и толщинаконцов в 1,75 - 2,75 раза меньше толщиныоснования, при этом угол между наружнымиповерхностями каждой полки и основания со.ставляет 120-135,2,Профнльпоп,1, отличающийс я тем, что длина полок составляет 0,8 -1,0 длины основания.о Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1. 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, поэ. 6-2 и 6-17 (прототип).1 за ФХ ЕОЗал Оцз 3 орегпц аоюв - 90-Я, оо 8ЬОуг .т Составитель И. АнтилТехред Н. Бабурка Корректор Скворцов дактор Н. Ахмедова дписноеСР з 8461/31/5 ал ППП "Патент", г, Ужгород, ул. Проектная Тираж ЦНИИПИ по де 113035, Мо