Прочность сварных стальных ворот с вертикальными и поперечными диагональными стержнями

Ищем несколько советов о том, как создать приблизительную оценку для следующей проблемы.

Имеются два стальных ворот одинаковых размеров, одинаковый материал - например, все одинаково. Разница лишь в том, что средние части имеют разную структуру.

При приложении некоторой силы к вершине, ворота начнут становиться все более и более деформированными, и с некоторой силой ворота коснутся земли в том месте, куда указывает синяя стрелка.

Я ищу приблизительную оценку того, сколько еще силы требуется для вторых ворот - то есть насколько "крепче" вторые ворота.

Мне действительно не нужны никакие точные вычисления, но, вероятно, понадобятся некоторые данные материала, поэтому:

• тонкостенная балка из обычной стали (толщина стенки 25 мм x 25 мм x 2 мм)
• каждая точка соединения сваривается, мы можем упростить и предположить, что сварные швы точно такие же прочные, как и сам материал
• точки подвеса могут удерживать бесконечную силу
• и любое другое возможное упрощение - эта проблема не для любой ракетостроения, а для решения вечернего разговора с другом.

Как сказал grfrazee, вы не будете знать наверняка, пока не проведете анализ методом конечных элементов. Я был заинтригован этим вопросом как коллега и вступил в дискуссию по этому поводу. Хотя мы оба согласились с тем, что диагональная связь будет лучше при сопротивлении прогибу, мы задавались вопросом, каким фактором это будет лучше.

Нам было очень любопытно, поэтому мы решили дебаты и провели быстрый структурный анализ SkyCiv Structural 3D (можно попробовать бесплатно в течение одного месяца, если кому-то интересно). На настройку обоих шлюзов и их анализ ушло около часа, главным образом потому, что нам приходилось генерировать позиции узлов с нуля. В любом случае, здесь представлены результаты линейного статического анализа, которые учитывают сделанные вами предположения и упрощения. Мы применили ПЯТНУЮ НАГРУЗКУ на 5 кН на F1 и F2 и сделали каждую опору штифтовой опорой в указанных вами местах. Обратите внимание, что в трехмерных цветных результатах прогиб в 12 раз больше, чем фактический прогиб ворот в обоих сценариях - он преувеличен, поэтому вы можете видеть отклоненную форму ворот.

Ворота № 1

$\text{y-deflection at the bottom-left of the gate} = 31.74\text{ mm}$

$\text{Max total deflection} = 32.10\text{ mm}$

Ворота № 2

$\text{y-deflection at the bottom-left of the gate} = 7.84\text{ mm}$

$\text{Max total deflection} = 7.55\text{ mm}$

Диагональное крепление (ворота № 2) явно победитель. Поэтому, когда оба затвора подвергаются одинаковой нагрузке, похоже, что ворота № 2 лучше сопротивляются прогибу (то есть более жесткие) в 4,25 раза .

Еще несколько интересных моментов:

• В обоих верхних правых опорах довольно высокое напряжение изгиба в обоих сценариях ~ 350 МПа.
• Анализ не учитывал собственный вес ворот.

Также позвольте мне добавить, что, похоже, существует проблема масштабирования с нарисованной вами диагональной сеткой, потому что, когда я ее смоделировал, я обнаружил, что точек было гораздо меньше, чем было предложено на вашей диаграмме. Я гарантировал, что параллельное расстояние между каждым ромбом было 300 мм. Это означает, что диагональ каждого ромба составляет примерно 424 мм. Длина ваших ворот составляет 3300 мм, так что около 8 ромбов должно проходить через ваши ворота в направлении х - но вы уже потянули около 12. Просто подумал, что я дам вам знать.

Предполагая, что соединения сварены, для того, чтобы верхние ворота деформировались при рисовании, вертикальные стержни должны будут изогнуться в форме буквы "S". Гибкость при изгибе будет пропорциональна кубу длины, если все остальное будет таким же.

$1/1^3 = 1$$1/0.6^3 = 4.6$$1/0.4^3 = 15.6$

В нижних воротах диагональные стержни будут (в первом приближении) бесконечно жестче, чем вертикальные стержни, поскольку они несут сдвиг при диагональном растяжении и сжатии, а не при изгибе. Общая жесткость была бы примерно в 4 или 5 раз больше (на основании 4.6 выше).

Вероятно, вы можете избежать меньшего количества материала в диагональных столбцах (либо более тонких столбцов, либо меньшего количества столбцов), но более подробный анализ - это слишком много работы, которую нужно выполнять вручную и бесплатно!

Неважно, совпадает ли расстояние между диагональными полосами по вертикали, если горизонтальные стержни достаточно прочны, чтобы перераспределить нагрузку между ними.

Если жесткость является единственным критерием, вы могли бы просто иметь внешнюю прямоугольную рамку и диагональное крепление без каких-либо участков «вертикальных стержней» вообще.

Хотя вы достаточно хорошо описали свою проблему, я не думаю, что вы найдете удовлетворительный ответ без необходимости проводить довольно сложный анализ методом конечных элементов для обеих структур.

Первая структура ворот будет вести себя так же, как ферма Вирендела, поскольку у вас есть все части, по существу, связанные моментом.

Вторая структура ворот, скорее всего, упадет где-то между Vierendeel и традиционной фермой, хотя это по большей части момент, связанный с отсутствием реального выравнивания рабочих точек.

Обычно фермы детализируются так, что их рабочие точки (то есть центр действия осевой силы в элементах) совпадают примерно в одной точке. Это должно уменьшить изгиб в любом отдельном элементе, так как эксцентриситет приблизительно равен нулю.

У вторых ворот есть некоторое действие фермы из-за ромбовидной секции в середине. К сожалению, поскольку рабочие точки алмазного сечения не совпадают с вертикальными / горизонтальными сечениями, вы теряете некоторые преимущества ферменного действия.