Прочностной и деформационный анализ трехслойной ортотропной плиты с использованием программного комплекса ANSYS

В статье проанализированы достоинства и недостатки трехслойных ортотропных плит. Показано, что при разработке конструкции таких плит необходимо прорабатывать технологию соединения элементов в составе конструкции. Использование лазерной сварки эффективно для соединения элементов небольших толщин. Такая сварка листовых элементов толщиной 12–50 мм имеет ряд ограничений, а прочностные характеристики соединений недостаточно исследованы. Поэтому при изготовлении конструкций большой грузоподъемности часто используются стальные трехслойные ортотропные плиты, соединение пластин между собой выполняется с применением электродуговой сварки. Имеющийся опыт показывает, что значительное количество пересечений сварных швов в местах соединений требует соблюдения определенной технологической последовательности выполнения работ для снижения деформаций, возникающих при сварке, и предотвращения возникновения трещин при эксплуатации в зонах с отрицательными температурами, а также квазистатических и переменных нагрузках. Выполнен анализ напряженно-деформированного состояния плиты с использованием многофункционального программного комплекса ANSYS. Проведено испытание модельной и натурной плит на действие поперечных нагрузок. Установлено, что вследствие сварочных напряжений возможно отклонение фактической геометрии плиты от проектной. Сопоставляя результаты вертикальных перемещений теоретических расчетов и натурных испытаний, обосновываются результаты отклонений. После проведения экспериментов и осмотра испытываемых образцов в местах соединения элементов между собой разрушение прорезных швов не выявлено. При достижении предельной нагрузки, прикладываемой к модели плиты, выявлены трещины в сварных швах, расположенных по периметру покрывочной плиты. Установлено, что в конструкции сварных трехслойных плит в местах пересечения листов между собой сварной шов является концентратором дефектов. Применение ручной или полуавтоматической сварки способствует зарождению трещин при переменных нагрузках и эксплуатации при отрицательных температурах. Данная проблема требует выявления трещиноопасных зон в трехслойных плитах с использованием методов неразрушающего контроля и экспериментальных исследований прочности разных технических решений с применением конструктивных и сварочных концентраторов напряжений. 

1. Хьюз, О. Ф. Проектирование судовых корпусных конструкций / О. Ф. Хьюз. Л.: Судостроение, 1988. 360 с.

2. Мост Британия – Britannia Bridge [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://ru.wikibrief.org/wiki/Britannia_Bridge.

3. Clark, E. Britannia and Conway Тabular Bridges / E. Clark. London: Thomas Telford Ltd., 1850. Vol. 1. 466 p. https://doi.org/10.1680/tbactbwgiobaotpomuicv1.52185.

4. The Compressive and Shear Responses of Corrugated and Diamond Lattice Materials / F. Cote [et al.] // International Journal of Solids and Structures. 2006. Vol. 43, Nо 20. Р. 6220–6242. https://doi.org/10.1016/j.ijsolstr.2005.07.045.

5. Барабанов, Н. В. Конструкция корпуса морских судов / Н. В. Барабанов. Ленинград: Судостроение, 1969. 696 с.

6. Яковлев, А. А. Стальная трехслойная ортотропная плита и ее работа при квазистатическом нагружении / А. А. Яковлев, Е. А. Мойсейчик, А. Е. Мойсейчик // Теоретическая и прикладная механика: междунар. науч.-техн. сб. Минск: БНТУ, 2023. Вып. 38. С. 201–206.

7. Benson, S. Compartment level progressive collapse analysis of lightweight / S. Benson, J. Downes, R. S. Dow // Marine Structures. 2013. Vol. 31. Р. 44–62. https://doi.org/10.1016/j.marstruc.2013.01.001.

8. Chatterjee, S. The Design of Modern Steel Bridges / S. Chatterjee. Second edition. Blackwell Science Ltd, Oxford, UK, 2003. 226 p. https://doi.org/10.1002/9780470774373.

9. Mangus, A. R. Orthotropic Deck Bridges. Bridge Engineering Handbook / A. R. Mangus, S. Sun. CRC Press, 2000. 690 p. https://doi.org/10.1002/9780470774373.

10. Халиулин, В. И. Технология производства композитных конструкций / В. И. Халиулин, А. В. Шапаев. Казань: Изд-во КГТУ – КАИ, 2004. 234 с.

11. Яковлев, А. А. Расчет и испытания ортотропной плиты большой грузоподъемности [Электронный ресурс] / А. А. Яковлев // Проблемы современного строительства: сб. науч. тр., Минск, 23 мая 2023 г. / редкол.: В. В. Бондарь, В. Ф. Зверев, Е. А. Козловский. Минск: БНТУ, 2023. С. 45–58. Режим доступа: https://rep.bntu.by/handle/data/138410. Дата доступа: 15.11.2023.

12. Алексеев, Г. П. Справочник конструктора-машиностроителя / Г. П. Алексеев, И. С. Мазовер. Ленинград: Судпромгиз, 1961. 449 с.

13. Бельчук, Г. А. Сварные соединения в корпусных конструкциях / Г. А. Бельчук. Ленинград: Судпромгиз, 1969. 279 с.

14. Planterna, F. J. Sandwich construction / F. J. Planterna. New-York, Jonh Wiley and Sons, Inc., 1966. 246p.

15. Kujala, P. Steel Sandwich Panels in Marine Applications / P. Kujala, A. Klanac // Brodogradnja: An International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering for Research and Development. 2005. Vol. 56, No 4. P. 305–314.

16. Dackman, D. Steel sandwich decks in medium span bridges [Electronic Resource] / D. Dackman, W. Ek. Chalmers University of Technology, Göteborg, Sweden, 2015. Mode of access: https://publications.lib.chalmers.se/records/fulltext/224967/224967.pdf.

17. Bright, S. R. A New Design for Steel Bridge Decks Using Laser Fabrication / S. R. Bright, J. W. Smith // Structural Engineer. 2007. Vol. 85, No 21. P. 49–57.

18. Caccese, V. Laser Welded Steel Sandwich Panel Bridge Deck Development: Finite Element Analysis and Stake Weld Strength Tests [Electronic Resource] / V. Caccese, S. Yorulmaz. The University of Maine, 2009. Mode of access: https://rosap.ntl.bts.gov/view/dot/27127.

19. Ungermann, D. Zur Dauerhaftigkeit Laserstrahlgeschweißter Stahlhohlplatten im Brückenbau / D. Ungermann, C. Rüsse // Stahlbau. 2016. Vol. 85, No 11. P. 733–739. https://doi.org/10.1002/stab.201610428.

20. The Stiffness of Laser Stake Welded T-Joints in Web-Core Sandwich Structures / J. Romanoff [et al.] // Thin-Walled Struct. 2007. Vol. 45, No 4. P. 453–462. https://doi.org/10.1016/j.tws.2007.03.008

21. Lok, T. S. Elastic Deflection of Thin-Walled Sandwich Panel / T. S. Lok, Q. H. Cheng // Journal of Sandwich Structures & Material. 1999. Vol. 1, No 4. P. 279–298. https://doi.org/10.1177/109963629900100403.

22. O’Connor, D. J. Point Concentrations in Thick-Faced Sandwich Beams / D. J. O’Connor. Journal of Engineering Mechanics. 1988. Vol. 114, No 5. P. 733–752. https://doi.org/10.1061/(asce)0733-9399(1988)114:5(733).

23. Diffs, J. Multi-Scale Modelling of Corrugated Core Steel Sandwich Panels Subjected to Outof-Plane Loads [Electronic resource] / J. Diffs, A. Ro. Chalmers University of Technology, Gothenburg, Sweden, 2017. Mode of access: https://odr.chalmers.se/server/api/core/bitstreams/e990543a-f3e0-4e0c-87e3-9a7ff90caad1/content.

24. Григорьянц, А. Лазерная сварка сталей больших толщин с применением мощных оптоволоконных и СО2-лазеров / А. Григорьянц, А. Грезев, В. Грезев // Фотоника. 2012. № 5 (35). С. 38–43.