Исследование деформаций смятия на физических и численных моделях болтового соединения класса точности С

48



	минобрнауки России

федеральное  ГОСУДАРСТВЕННОЕ  бюджетное ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

	«БЕЛГОРОДСКИЙ  ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

	ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ им. В.Г. ШУХОВА»

(БГТУ им. В.Г. Шухова)



Институт магистратуры





Кафедра строительства и городского хозяйства







КОРЯГИНА Ирина Евгеньевна





«Исследование деформаций смятия на физических и численных моделях болтового соединения класса точности С»





Выпускная квалификационная работа 

на соискание квалификации (степени) магистра 





Направление ___________________08.04.01 Строительство____________________

                               шифр, название

	образовательная  

	программа ___________ Теория и проектирование зданий и сооружений__________

название



           

             Научный руководитель: 

                         к. т. н., доц. Солодов Н. В.







Допущен к защите

Заведующий кафедрой ___________________/Сулейманова Л. А.



		

«___» _______________ 201_ г.









Белгород 2017 г.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ        ……………………………...………………...………….   5 

1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА ИССЛЕДОВАНИЙ    ……….   8

1.1. Истоки и развитие формулы расчета на смятие ...………...…..  10 

1.2. Технологические требования к изготовлению металлоконструкций  в части болтовых соединений на обычных болтах класса точности С ……………………………………………………………….11 

1.3. Требование ГОСТ (ТУ) к точности изготовления болтов для класса точности С ……………………………………………..………….……  17 

1.4 .Природа коэффициента условий работы болта в соединении .. 20 

1.5. Цели и задачи работы ……………………………………...…….  26

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ДЕФОРМИРОВАНИЯ НА ФИЗИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ БОЛТОВОГО СОЕДИНЕНИЯ КЛАССА ТОЧНОСТИ C  ……………………………………....……………..………..…  27 

2.1. Описание опытных образцов и оснастки……………... ………  27 

2.2. Методика экспериментальных исследований  ……………….   29 

2.3. Результаты экспериментальных исследований и их анализ …  33 

2.4. Выводы по главе 2    ………………...……..……..…..…………  49

3. Численное исследование деформирования физической модели болтового соединения класса точности С ……………………………..……..  51 

3.1. Описание численной модели опытного образца ……………… 51  

3.2. Краткая характеристика испытуемого программного продукта  .55 

3.3. Результаты численного моделирования ……………………..…  57 

3.4. Анализ результатов численного моделирования и их сопоставление с результатами экспериментальных исследований физических моделей болтового соединения ….………………….…………………...……  63

3.5. Выводы по разделу 3 ……….…………………………………..…  67

Заключение ……………………………………………...………………  69

Библиографический список ……………...……………………...…….…  70

ВВЕДЕНИЕ



Первые болтовые соединения, в строительных конструкциях, появились в середине XVIII века.  Они начали широко использоваться при монтаже строительных конструкций. 

Болт состоит из опорной головки и стержня. Стержень болта имеет две части: с резьбой и без резьбы. Монтаж самих болтов производится механическими ключами.

 Достоинством таких соединений является: высокая прочность, повторная сборка и разборка конструкции, простота и надежность.

 Большим недостатком болтовых соединений является:  большой расход стали, и присутствие отверстий для болтов в конструкции, что приводит к ослаблению элемента. Возможность упругопластической работы частично компенсирует ослабление элемента. Кроме того, коэффициент  также учитывает влияние ослабления сечения.

В строительстве используют несколько видов болтов:

грубой точности;

нормальной точности;

повышенной точности;

высокопрочные болты;

самонарезающие болты;

фундаментные, они же анкерные болты.

Болты обычной прочности подразделяются на классы точности: 

А – повышенной точности;

В – нормальной точности;

С – грубой точности.

Болты класса точности С ставят в отверстия, диаметр которых на 2…3 мм больше диаметра стержня болта, а иногда и более. При этом достигается лёгкость постановки болтов в отверстия с небольшой «чернотой», т.е. с некоторым несовпадениям стенок отверстий смежных соединяемых элементов конструкции. При  приложении к такому соединению внешнего усилия имеют место значительные перемещения, обусловленные  разностью в диаметрах болта и отверстия, а также неодновременностью вступления в работу всех болтов соединения. По этой причине болты класса точности С ставят конструктивно без расчётов [6].

Типы болтовых соединений: 

крепления на болтах повышенной, нормальной и грубой точности;

крепления на высокопрочных болтах. 

Эти соединения отличаются как характером работы, так и технологией их устройства.

Различные требования к способам образования отверстий и точности производства - это основное различие между болтами первого типа.

Прочность болтовых соединений зависит от:

типа болтов;

материала из которого изготовлены;

от метода образования отверстий.

 Способы образования отверстий: 

сверление;

продавливание в прессах;

продавливание с последующим рассверливанием до необходимого диаметра. 

Благодаря наличию зазоров болты достаточно легко монтируются даже при различии в положении центров отверстий. Учитывая этот фактор, болты нормальной и грубой точности в основном используют как временные фиксирующие изделия в различных сварных соединениях или как постоянные для установки и закрепления второстепенных конструкций.

Немало вопросов работы болтовых соединений остаются в неполноценной мере изученными. Одним из таких вопросов является деформация смятия болтового соединения.

В соединениях на болтах обычной прочности усилия от одного элемента к другому передаются за счет работы кромок отверстий на смятие и стержня болта на срез.

Смятие возникает на опорной поверхности контактирующих тел, если одно из них нажимает на другое. Смятие происходит на  поверхности материала.

Смятию подвергаются стенки отверстий в зонах установки соединительных элементов. Обычно расчет на смятие выполняют для соединений, соединительные элементы которых (болты) рассчитывают на срез.

При расчете на смятие принимают, что силы взаимодействия между соприкасающимися деталями равномерно распределены по поверхности контакта и в каждой точке нормальны к этой поверхности.

Потеря несущей способности двухсрезных работающих на растяжение соединений в тонких листах наступает вследствие смятия и последующего среза.

В отечественных нормативных документах при расчете соединений возможность среза болтом формально не рассматривается, оговариваются лишь конструктивные требования по размещению болтов в соединении. Таким образом, предполагается, что при их выполнении срез по металлу соединяемых элементов невозможен, т. е. срез собственно болта или смятие отверстия наступит раньше.

Расчёт болта на смятие стенки отверстия носит условный характер, так как в местах передачи усилия с болта на соединяемые листы отмечается сложнонапряженное состояние.  Болт передает усилие на стенку отверстия и в этом месте происходит возрастание напряжений, которое  объясняется обычной концентрацией напряжений по краям отверстия. Неравномерность работы материала вблизи отверстия увеличивается в соединениях группы С. 

Трудность учета действительного сложнонапряжённого состояния привела к тому, что в расчете принимается равномерное давление болта на стенку отверстия по всему диаметру болта. Это несоответствие расчета действительной работе учитывается условным характером расчетных сопротивлений. 

По этой причине исследование работы болтового соединения в стадии предварительного сдвига является важной задачей, что и определяет актуальность темы магистерской квалификационной работы.

В настоящее время в строительстве часто используются легкосборные металлические конструкции. Разработаны новые типы бескаркасных зданий. Применение болтового соединения в конструкциях современного строительства, значительно сокращает сроки монтажа, повышает эксплуатационную надежность соединений и сооружений в целом. 































1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА ИССЛЕДОВАНИЙ



Главные виды работ множества болтовых соединений – это работа болта на смятие и сдвиг, которая имеет свои особенности в различных соединениях на болтах.

В болтовых соединениях  под действием сдвигающих сил и силы трения между соединяемыми элементами сила стягивания не может полностью воспринимать эти силы.

Этапы работы болтовых соединений:

На первом этапе болты работают на растяжение, это связано с тем что они не воспринимаю сдвигающие усилия, и соединяемые элементы не преодолевают силу трения;

На втором этапе сдвигающие силы и сила трения оказываются преодоленными, вследствие этого наступает сдвиг всего соединения;

На третьем этапе на стержень, от поверхности отверстия, сдвигающие силы передают давление, что ведет за собой растяжение болта. Постепенно силы трения уменьшаются, болтовое соединение переходит в стадию упругопластической работы. Разрушение соединения происходит от среза болта, смятия и выкола одного из соединяемых элементов или отрыва головки болта.



1.1. Истоки и развитие формулы расчета на смятие



Под смятием понимают местные пластические деформации, происходящие на поверхностях контакта. Смятие происходит по полуцилиндрической поверхности контакта, и напряжения смятия распределяются по ней неравномерно.

На смятие рассчитывают элементы, которые соединены заклепками, штифтами, болтами. Смятию подвергаются стенки отверстий в зонах установки соединительных элементов. При расчете на смятие принимают, что силы взаимодействия между соприкасающимися деталями равномерно распределены по поверхности контакта и в каждой точке нормальны к этой поверхности. Силу взаимодействия, принято называть напряжением смятия. 



Рис. 1. Работа болтового соединения на смятие



Рис.2 Работа болтов:

а — срез болта; б — смятие отверстия; I — односрезные соединения; II — двухсрезные соединения; 1 — поверхность смятия; 2 — поверхность среза; t — толщина пластины

В точке «а» резко возрастают сминающие напряжения ?xc и растягивающие напряжения ?y. Сминающие напряжения ?xc могут вызвать преждевременную текучесть материала,  а растягивающие напряжения ?y  —  разрыв  (срез)  соединяемого элемента,  тогда болт  «прорежет»  его.  В то же время в точке «б» болт практически не передает усилий на лист, и в этом месте возрастание напряжений ах объясняется только обычной концентрацией напряжений по краям отверстия.  Неравномерность работы материала вблизи отверстия увеличивается в соединениях типа С.  Трудность учета действительного сложного напряженного состояния привела к тому,  что в расчете принимается равномерное давление болта на стенку отверстия по всему диаметру болта.  Это несоответствие расчета действительной работе учитывается условным характером расчетных сопротивлений.  

 Расчет прочности болтовых соединений производится в предположении равномерного распределения усилий между болтами по формуле:

 

где где N – расчетное значение продольной силы, действующей на соединение; n – число болтов в соединении; ?b  - коэффициент условий работы болтового соединения, определяемый по таблице 41 [1] и принимаемый не более 1,0.

Расчётные усилия, воспринимаемые одним болтом по смятию соединяемых элементов, определяется по формуле:

Nbp = Rbp*db**  

где Rbp — расчетное сопротивление смятию соединяемых элементов; db – наружный диаметр стержня болта; ?t - наименьшая суммарная толщина соединяемых элементов, сминаемых в одном направлении; ?c  - коэффициент условий работы, определяемый по таблице 1 [1].

Расчетное сопротивление смятию соединяемых элементов:

Rbp = 



где Run – временное сопротивление; Е – модуль упругости.

Условие прочности болтового соединения на смятие имеет вид:



 где Acon – условная площадь смятия.



1.2. Технологические требования к изготовлению металлоконструкций  в части болтовых соединений на обычных болтах класса точности C



Болтовые соединения применяют для большинства стальных строительных конструкций. Соединения элементов на монтаже производят болтами обычной прочности. 

Болты обычной прочности бывают: 

грубой точности;

нормальной точности;

повышенной точности. 

Поверхность болтов нормальной и повышенной точности подвергается более качественной обработки, чем болты грубой точности. Этот факт не влияет на расчет прочности соединения, но учитывается, так как возможна взаимозаменяемость болтов.

В болтовых соединениях обычной прочности нагрузка передается от первого элемента ко второму за счет того что кромки отверстий работают на смятие, а стержень болта на срез.

Подготовка стыкуемых поверхностей:

очистка от грязи, снега, ржавчины,  масла и т.д.;

срубка заусенец зубилом (на кромках деталей и отверстий);

выправка вмятин, погнутостей;

Выполнение этих работ необходимо для обеспечения плотного соприкосновения всех деталей стыка.  

Приемку и выполнение работ (соединений) необходимо производить под руководством персонала, назначенного ответственным, приказом организации, за выполнение работ такого вида.

К производству таких работ допускаются работки, прошедшие соответствующею подготовку и имеющие удостоверения о допуске.

Технологический процесс выполнения соединений включает следующие операции:

подготовку контактных поверхностей элементов и деталей;

подготовку болтов, гаек и шайб;

сборку соединений;

натяжение болтов на проектное усилие;

контроль качества соединений;

герметизацию соединения, установку клейма исполнителя и приемника.

Монтаж металлических конструкций осуществляют в соответствии с требованиями СП 70.13330.2012.

В приспособлениях с укрепленными фиксаторами собираются отправочные элементы металлических конструкций с монтажными соединениями на болтах.

Все монтажные отверстия под болты должны быть образованы на проектный диаметр предприятием-изготовителем в кондукторах либо другими способами, обеспечивающими требуемую точность.

В зависимости от условий работы строительных стальных конструкций в соответствии с указаниями чертежей КМ (конструкции металлические) и КМД (конструкции металлические деталировочные) диаметр отверстий (номинальный) принимается на 3 мм больше диаметра болта (номинального). 

Все заусенцы должны быть удалены. При снятии заусенцев вокруг отверстия образуется фаска, она не  должна превышать 0,5 мм в плоскости детали под углом не более 45°.

Величины отклонений от проектных размеров отправочных элементов и от проектной геометрической формы не должны превышать предусмотренных СП 53-101-98.

Контроль точности совпадения отверстий характеризуется:

проверкой калибром диаметром на 1 мм меньше проектного диаметра отверстий, при этом калибр должен пройти не менее чем в 85% отверстий каждой группы;

проверкой сборочными кондукторами, фиксаторами или специальными контрольными шаблонам, позволяющими контролировать взаимное положение отверстий одновременно в нескольких монтажных узлах.

Монтаж болтовых соединений обычной прочности состоит из:

подготовки стыкуемых поверхностей; 

совмещения отверстий под болты; 

стягивания пакета (соединяемых деталей стыка); 

рассверливания отверстия до проектного диаметра, если на заводе они были выполнены на меньший диаметр.

Под головки болтов необходимо всегда ставить одну шайбу, а под гайки две шайбы. В местах примыкания к наклонным поверхностям ставят косые шайбы. Резьба болта должна находиться вне отверстия соединяемых элементов, а гладкая часть стержня не должна выступать из шайбы.

Проверка качества затяжки болтов проводится простукиванием молотком. Металлические конструкции с болтовыми соединениями изготавливают в соответствии с рабочей и технологической документацией предприятия-изготовителя, СП 53-101-98 [5], ГОСТ 23118, с учетом требований СП 70.13330, СП 28.13330.





1.3. Требования ГОСТ (ТУ) к точности изготовления болтов для класса точности соединений C



Размеры деталей и допуски болтовых соединений имеют свои требования при изготовлении.

Основные требования к деталям:

работа детали нужным образом;

чтобы изделие собрать в узел деталь должна быть только определенной формы;

доступность детали при монтаже, ремонте, техническом обслуживании.

Согласно [38] болты класса точности C в многоболтовых соединениях следует применять следует применять для конструкций, изготовляемых из стали с пределом текучести до 380 МПа.

Резьба болта, воспринимающего сдвигающее усилие, в элементах структурных конструкций, опор линий электропередачи и открытых распределительных устройств, а также в соединениях при толщине наружного элемента до 8 мм должна находиться вне пакета соединяемых элементов; в остальных случаях резьба болта не должна входить вглубь отверстия более чем на половину толщины крайнего элемента со стороны гайки или свыше 5 мм.

Шайбы под гайки для болтов класса точности C устанавливаются согласно ГОСТ 11371-8*.

Необходимо провести расчеты для определения класса точности болта. Класс точности болтового соединения не заменяется классом ниже, используются крепления только требуемого класса точности.

Болты класса точности С ставятся в отверстия, диаметр которых на 2-3 мм больше диаметра стержня болта, это позволяет  облегчить постановку болтов в отверстия с некоторым несовпадением стенок отверстий смежных соединяемых элементов конструкции. При действии нагрузок в таких соединениях происходит значительное перемещение, оно возникает из-за разницы диаметров отверстия и болта, а также неодновременностью вступления в работу всех болтов соединения. По этой причине болты класса точности C ставятся конструктивно без расчетов.

	Требования к геометрическим размерам приведены в ГОСТ 1759.1-82 «Болты, винты, шпильки, гайки и шурупы. Допуски, методы контроля размеров и отклонений форм и расположения поверхностей»  (таблица 1.2, 1.3) [41];

В таблице 1.1 приведены требованиями к геометрическим допускам и размерам болтовых соединений класса точности С.



Таблица 1.1

Допуски размеров, формы и расположения поверхностей



Крепежные изделия или их элементы

Обозначение размера или допуски

Наименование размера или допуска

Обозначение размера служащего для определения численного значения допуска расположения

Поля допусков и допуски для изделий класса точности С

1

2

3

4

5

1. Шестигранные 

головки





S

Размер под ключ

?

h14 при S?19

h15 при1960



k

Высота головки

?

js 16 при k<10

js 17 при k?10



e

Диаметр описанной окружности

?

e >1,135 min



Ls

Допуск симметричной головки относительно оси стержня в диаметральном выражении

S

21T14



Продолжение таблицы 1.1

1

2

3

4

5



Lp 

Допуск параллельности граней относительно оси стержня

k

0,0349k (соответствует 20)



LR

Допуск перпендикулярности опорной поверхности головки относительно оси стержня

S

Для болтов с 

d ? М30 0,0349 

2. Цилиндрические головки



D

Диаметр головки

-

h15



k

Высота головки

-

h15



Lk

Допуск соосности головки относительно оси стержня в диаметральном выражении

D

2IT15



LR

Допуск перпендикулярности опорной поверхности 

D

0,0349 x 0,8D (соответствует 20)

Продолжение таблицы 1.1

1

2

3

4

5



LR

головки относительно оси стержня

D

0,0349 x 0,8D (соответствует 20)

3. Стержни болтов





d1

Диаметр гладкой части стержня, равный номинальному диаметру резьбы

-

h15



l

Длина стержня

-

 js17 для l ? 150

2 js17» l ? 150



b

Длина резьбы

-

Плюс 2 шага резьбы (+2P)



L1

Расстояние от опорной поверхности головки до оси отверстия в стержне 

-

+ IT14



d3

Диаметр отверстия в стержне

-

H14



LS или LA

Диаметр симметричности отверстия в стержне относительно оси резьбы в 

d

2IT15

Продолжение таблицы 1.1

1

2

3

4

5





диаметральном выражении или допуск пересечения осей резьбы и отверстия в стержне в диаметральном выражении







Lk

Допуск соосности резьбы  и стержня в диаметральном выражении

d

2IT15



LR

Допуск перпендикулярности оси отверстия в стержне относительно оси резьбы

d

0,05d









 

1.4. Природа коэффициента условий работы болта в соединении ?в



Для проектирования несущих строительных конструкций сооружений и зданий, действующая на сегодняшний день система коэффициентов принята в соответствии с СП 20.13330.2016 «Нагрузки и воздействия». Данная система коэффициентов обеспечивает надежность строительных конструкций зданий и сооружений при их минимальной массе.

В систему коэффициентов надежности входят:

коэффициент надежности по нагрузке (?f)  – рассматривает потенциальные отклонения реально существующей нагрузки от нормативной нагрузки;

коэффициент однородности материала (?m)  – рассматривает потенциальные отклонения прочности механических свойств материала от нормативных;

коэффициент условий работы (?в) – рассматривает вероятные положительные или отрицательные факторы, влияющие на несущую способность конструкции и т.д.

По сравнению с  периодом советского строительства современный характер строительного процесса значительно изменился, строительство стало более индивидуальным, привлечено огромное количество малоквалифицированной рабочей силы, и основной проблемой является недостаток контроля качества. 

Система коэффициентов надежности не принимает во внимание влияния надежности одного элемента на общую надежность здания.

В СССР до конца 50-хх гг. ХХ века при расчете строительных конструкций применялся коэффициент ? (единый интегральный коэффициент запаса), впоследствии преобразованный в коэффициенты по надежности.

К примеру: коэффициент запаса для расчета железобетонных конструкций варьировался в пределах 1,3-2,2. К расчету строительных конструкций применятся расчет по разрушающим нагрузкам, в настоящее время этот расчет производится по предельным состояниям.

Введение в строительные нормы вероятностного подхода расчета по предельным состояниям относительно к расчету строительных конструкций не осуществилась.

На основании выше изложенного, можно сделать вывод о целесообразном применении систем коэффициентов при расчете строительных конструкций (перехода в предельное состояние) дополнительно к требуемым по действующим СНиП, ГОСТ, СП и т.д.

Коэффициент условий работы учитывает: температуру, влажность, агрессивность среды, длительности или многократности повторяемости нагрузки, особенности изготовления конструкций и других факторов. 

Согласно [] так как в соединениях на болтах продольная сила проходит через центр тяжести соединения ее распределение между болтами можно считать равномерным.

Усилия, воспринимаемые одним болтом, определяются по формулам:

на срез:



где  – расчетное сопротивление срезу болтов;  – расчетная площадь сечения стержня болта;  – число расчетных срезов одного болта;  – коэффициент условий работы соединения.

на смятие:



где  – расчетное сопротивление смятию болтовых соединений;  – наружный диаметр стержня болта;  – коэффициент условий работы соединения;  – наименьшая суммарная толщина элементов, сминаемых в одном направлении.

на растяжение:



где  – расчетное сопротивление болтов растяжению;  – площадь сечения болта нетто; для болтов с метрической резьбой значение  следует принимать по приложению 1 к ГОСТ 22356-77*. 

Коэффициенты условий работы болтового соединения приведены в таблице 1.2.

Таблица 1.2

Коэффициенты условий работы соединения

Характеристика соединений

Коэффициент условий работы соединения ?в

1. Многоболтовое соединение в расчетах на срез и смятие при болтах:

класса точности A

классов точности B и C, высокопрочных с нерегулируемыми натяжениями



2.Одноболтовое и многоболтовое в расчете на смятие при a=1,5d и b=2d в элементах конструкций из стали с пределом текучести, МПа (кгс/см2):

до 285 (2900)

свыше 285 (2900) до 380 (3900)





1,0

0,9











0,8

0,75

где a – расстояние вдоль усилия от края элемента до центра ближайшего отверстия; b – расстояние вдоль усилия между центрами отверстий; d – диаметр отверстия для болта. 



Коэффициенты, приведенные в пунктах 1 и 2, необходимо учитывать одновременно. При промежуточных значениях расстояний a и b коэффициент условий работы соединения определяется линейной интерполяцией.

В болтовых соединения, при влиянии продольной силы, количество болтов определяется по формуле:



где  – продольная сила;  – меньшее из значений расчетного усилия (на срез, смятие, растяжение) для одного болта;  – коэффициент условий работы.

Болты, которые работают единовременно на растяжение и срез проверяют отдельно на каждое из этих усилий. 

Момент, действующий на болтовое соединение, вызывает сдвиг, таким образом, распределение усилий принимается пропорционально расстояниям от центра тяжести болтового соединения до рассматриваемого элемента (болта).

Болты, работающие на срез, проверяют на равнодействующие усилия только в том случае  если продольная сила и момент действуют одновременно.



1.5. Цель и задачи работы

Цель работы: провести экспериментально-теоретические исследования деформаций смятия на физических и численных моделях болтового соединения класса точности С.



Основные задачи:

Изучить историю создания и развитие формулы расчёта болтового соединения на смятие;

Изучить технологические требования к изготовлению металлических конструкций на болтовых соединениях;

Исследовать нормативные документы и научную литературу для изготовления болтов класса точности соединений C;

Выполнить исследования по изучению природы коэффициента условий работы ?в болта в соединении;

Выполнить натурные экспериментальные и численные исследования деформирования на физической модели болтового соединения класса точности C;

Провести анализ результатов численного моделирования и их сопоставление с результатами экспериментальных исследований физических моделей болтового соединения, а также с результатами ранее выполненных моделей болтовых соединений классов точности A и B.































2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ДЕФОРМИРОВАНИЯ НА ФИЗИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ БОЛТОВОГО СОЕДИНЕНИЯ КЛАССА ТОЧНОСТИ C



В этой главе описывается испытание физической модели болтового соединения, класса точности C. В ходе испытания образцов фиксируются параметры напряженно-деформированного состояния. 

	Физическое моделирование заключается в том, что реальный узел болтового соединения заменяется простой физической моделью, способной имитировать изменение исследуемого параметра. 



2.1. Описание опытных образцов и оснастки

Для физического моделирования процесса смятия в болтовом соединении были изготовлены два опытных образца и оснастка (рис. 2.1). 

В комплект  образцов для первого испытания входило: 

две пластины из стали C235, размерами 100x120 толщиной 5 мм, выполнены из горячекатаного листового проката;

стальной цилиндр ? 24 мм, класс точности C (рис. 2.2).

Комплект образцов второго испытания:

две пластины из стали C235, размерами 100x120 толщиной 5 мм, выполнены из горячекатаного листового проката;

стальной цилиндр ? 14 мм, класс точности C (рис.2.3).

В каждой из испытуемых пластин были сделаны полуотверстия. В одной паре пластин радиус отверстия принят 14 мм, во второй паре 10 мм. Пластины с такими полуотверстиями моделируют детали болтового соединения.









	Рис. 2.1. Металлическая оснастка с образцами для испытания





Рис. 2.2. Общий вид первого опытного образца до испытаний



Рис. 2.3. Общий вид второго опытного образца до испытаний



В полуотверстиях пластин размещаются стальные цилиндры, что позволяет при испытаниях передать нагрузку  на кромку отверстия. 

В специальной оснастке (рис. 2.1.) прямоугольной формы с размерами 100x200x100 мм закреплены пластины для испытаний.

Для фиксирования пластин в оснастке, в отверстиях между пластиной и зажимами, были предусмотрены специальные металлические вставки. 

Оснастка имеет два вертикальных выреза (паза), образованных фрезеровкой. Перед началом испытания пластины устанавливаются в пазы и каждая из пластин фиксируются четырьмя винтами (рис. 2.1.). 

Для получения результатов с учетом выкола кромки, во втором испытании в оснастку были добавлены кладочные прутки. Кладочный прут представляет собой металлический стержень квадратного сечения 10x10мм. Прут закладывался в пазы испытуемой оснастки, вследствие чего образовывалось пустое пространство под пластиной. Общий вид испытательной оснастки и образцов с применением кладочных прутов на фото рис. 2.4.





Рис. 2.4. Общий вид испытательной оснастки и образцов с применением кладочных прутов



Испытания образцов проводились в специализированной лаборатории на кафедре СиГХ БГТУ им. В.Г.Шухова,  оборудованной  универсальным гидравлическим прессом и компьютером, технические характеристики которого позволяют задавать скорость нагружения и контролировать величину нагрузки на каждой ступени. В результате получены диаграммы «нагрузка – перемещение» и иметь электронная запись всего хода испытания.

Процесс нагружения моделей при помощи предлагаемой оснастки существенно более прост, чем нагружение образца реального болтового соединения.

При испытании таких моделей болтового соединения можно реализовать существенно большее вмятие цилиндра в кромку пластины в отверстии и получить более наглядную картину процесса деформирования, включая зоны максимальных пластических деформаций. На образцах реальных болтовых соединений такие результаты получить затруднительно.







Рис. 2.5. Универсальная гидравлическая установка



2.2. Методика экспериментальных исследований

Испытание образцов проводилось в соответствии с разработанной методикой. Задачами данного испытания являются:

проверка и обоснование исходных предпосылок или гипотез, которые можно использовать при получении теоретического решения;

обоснование или подтверждение эффективности применения предлагаемой методики испытаний физической модели болтового соединения;

получение данных о деформативности физической модели болтового соединения при работе на смятие;

установление закономерностей в поведении исследуемого объекта, в том числе – получение эмпирических зависимостей одних параметров от изменения других.

Испытания проведены для получения экспериментальных данных о деформациях смятия под нагрузкой в модели болтового соединения класса точности С.

Данной методикой предусмотрено воздействие на образец статической нагрузкой. Образцы испытания  подвергались воздействию сжимающей нагрузки. Максимальное усилие, которое может быть создано испытательной установкой (универсальный гидравлический пресс) – 60 тн. Установка позволяет в широком диапазоне варьировать скорость нагружения.

Процесс испытания можно разделить на два этапа: подготовительный этап и этап нагружения.

На подготовительном этапе выполнялось следующее:

маркировка стальных пластин;

контрольные обмеры геометрии образцов. Измерение ширины, длины, диаметра и толщины образцов производилось с погрешностью до 0,1мм;

перед испытанием модели болтового соединения на смятие испытуемые образцы устанавливались и закреплялись в захватах оснастки для плоских образцов.  После производилась установка, центровка и закрепление оснастки для испытания в испытательной машине;

выполнялась настройка скорости испытания образцов на рабочей станции универсальной гидравлической испытательной машине  (персональном компьютере управления);

зачистка образцов от металлической пыли;

маркировка образцов;

фото образцов до проведения работы;

включение необходимого оборудования;

установка образцов в испытательную оснастку и в пресс.

Нагружение образцов производили ступенями величиной . На каждой ступени образец выдерживали в течение 5 минут для проработки пластических деформаций. Разгрузку образцов на промежуточных ступенях не производили.

Расчетную величину предельной нагрузки определяли в соответствии с нормами [6] по формуле:



где 2 – количество пластин, воспринимающих нагрузку от испытательной установки, в одном испытании;  – расчетное сопротивление стали смятию, принятое по стали пластин опытных образцов в соответствии с требованиями норм; d – диаметр стальных цилиндров, моделирующих тело болта; t – толщина пластин опытных образцов;  – коэффициент условии работы болта в соединении, принятый как для одноболтового соединения.

Величина предельной нагрузки  для образца с отверстиями в пластинных радиусом 14 мм:

 = 2?47,5 кН/см2?2,4 см?0,5 см?1 = 114 (кН).

Величина предельной нагрузки  для образца с отверстиями в пластинных радиусом 10 мм:

 = 2?47,5 кН/см2?1,4 см?0,5 см?1 = 66,5 (кН).

На этапе нагружения процесс испытания выполняется в следующей последовательности:

проверка и калибровка испытательной машины и аппаратуры;

непрерывное нагружение образца с доведением образца до разрушения;

фиксирование значения условного предела текучести, временного сопротивления, а также параметров деформации с                 последующей записью результатов в протокол событий;

	Во время проведения испытаний образцов осуществлялась фотографическая съемка процесса нагружения. По окончании испытания производился демонтаж образцов с оснастки с осмотром, обмером и фотографированием образцов.

2.3. Результаты экспериментальных исследований и их анализ

Испытания проводились для двух образцов, после завершения эксперимента были выполнены расчеты и подведены итоги проделанной работы. 

В ходе выполнения двух экспериментов были получены количественные и качественные результаты о несущей способности и деформативности болтового соединения при работе на смятие. эффективность применения предлагаемой методики испытаний и применения предлагаемой конструкции оснастки для испытаний.

В ходе испытания первого образца были выявлены следующие наблюдения:

в первую минуту нагружения при нагрузке P ? 70кН видимых изменений зафиксировано не было;

на 4 минуте при нагрузке P ? 180кН стало наблюдаться заваливание в левую сторону пластин (рис. 2.6.);

на девятой минуте при нагрузке P ? 321кН произошла потеря устойчивости пластин (рис. 2.7.);

После потери устойчивости пластины загружение было прекращено. 

После испытания были сделаны следующие замеры (рис. 2.6.):

Пластина с отверстием ?28 мм: толщина t = 5мм, высота h = 11,8 см, ширина b1 = 9,8 см, b2 = 10 см, tотв = 8 мм, аотв = 5,3 см.

где b1 – ширина верха пластины, b2 – ширина низа пластины, tотв – толщина кромки пластины, аотв – длина кромки пластины.







Рис. 2.6. Замеры цилиндра и пластины





Рис. 2.7. Первый образец после испытания в оснастке



Цилиндр диаметром ?24 мм: а1.......................