Расчет на изгиб квадратной трубы: Расчет квадратной трубы на прогиб и изгиб

Страница не найдена — Все о трубах

Фитинги и заглушки


912 просмотров

Мы приветствуем нашего уважаемого читателя и предлагаем Вашему вниманию статью о том, что такое

Обслуживание


2 326 просмотров

Я приветствую моего постоянного читателя! В этой статье я рассказываю о том, что такое

Отопление


10 613 просмотров

Мы приветствуем нашего постоянного читателя и предлагаем ему новую статью по устройству отопления. С

Вентили и задвижки


9 531 просмотров

Здравствуй, дорогой читатель! Трубопроводы — это не только секции прямых труб, но и большое

Материалы


2 342 просмотров

Всем привет! По официальной статистике, во всем мире из полиэтилена производится больше половины полимерных

Вентили и задвижки


11 243 просмотров

Здравствуйте, уважаемый читатель! Тема нашей сегодняшней статьи – отсечной клапан, один из важных видов

Страница не найдена — Все о трубах

Вентиляция и дымоход


33 787 просмотров

Я приветствую моего уважаемого читателя и предлагаю вашему вниманию статью о том, как правильно

Вентиляция и дымоход


32 426 просмотров

Красивая стильная кухня-столовая — необходимость для каждой семьи, но она требует тщательной уборки. Времена,

Вентиляция и дымоход


26 208 просмотров

Человек современный – очень теплолюбивое создание, и существовать в доме без отопления не может.

Полимерные


2 958 просмотров

И снова здравствуйте! Прогресс не стоит на месте и сегодня большинство металлических труб меняется

Вентиляция и дымоход


970 просмотров

Здравствуйте, уважаемый читатель! Воздуховоды из черной стали занимают свою нишу в трубопроводных системах. Благодаря особым качествам,

Вентиляция и дымоход


6 640 просмотров

Мы не представляем жилища без отопления. Наше понятие комфорта безоговорочно включает в себя подходящий

Расчет нагрузки на профильную трубу калькулятор

Используя профильную трубу для создания несущих конструкций, в обязательном порядке должны выполняться расчеты на изгиб. Такой вид трубного проката применяется в промышленном, коммерческом и частном строительстве. Из него изготавливают навесы, всевозможные каркасные и лестничные конструкции, фермы, стеллажи, козырьки, тепличные сооружения, элементы кровельной системы, беседки. Поэтому без правильных и тщательных расчетов никак не обойтись. Превышение допустимого давления приведет к деформации или разрыву изделия в месте сгибания профтрубы.

Схема 1

Используя методы расчета нагрузок на профильную трубу, можно:

• сохранить первоначальную форму изделий;
• придать конструкции повышенной прочности;
• увеличить период эксплуатации;
• минимизировать расходы на материале;
• избежать негативных разрушительных последствий.

Какая нагрузка действует на профтрубу?

Важным критерием, который учитывается при подсчетах, является время воздействия и тип нагрузок. Данные показатели регламентированы СП 20.13330.2011 «Нагрузки и воздействия». Различают силу давления:

• Постоянные, когда масса и воздействующая сила не меняются на протяжении длительного временного периода. Воздействия создаются элементами здания (несущими и ограждающими конструкциями), грунтами, гидростатическим давлением.
• Длительные. Временные перегородки из ГКЛ, стационарное оборудование, складируемые материалы, а также как результат изменения влажности или усадки.
• Кратковременные. Оборудование, вес людей и транспортных средств, климатические, создаваемые снегом, ветром, перепадами температур, обледенением.
• Особые. Сейсмические и взрывные воздействия, влекущие изменения структуры грунта, результат столкновения транспортных средств и обусловленные пожаром.

В Своде правил представлены формулы для подсчета, таблицы и схемы по каждому типу нагрузок. Также берется в учет реалистичное сочетание все типов давления.

Показатели массы и нагрузки на изгиб

При расчете профильной трубы: масса и изгиб являются основными показателями. Знать вес погонного метра проката нужно, чтобы не ошибиться в прочностных значениях создаваемой конструкции. Метод определения направлен на подбор оптимального сечения трубного проката при разной его длине. Наглядный пример соотношений этих двух показателей представлен в таблицах ниже.

Табл.№1. Значения для изделий квадратного сечения:

Табл. №2. Значения для изделий прямоугольного сечения:

Методы и формулы для вычисления

Чтобы рассчитать прочность трубы профильной на изгиб необходимо определить максимальное напряжение на ту либо иную точку конструкции. Каждый вид материала, из которого изготавливается прокатная продукция, обладает индивидуальным показателем напряжения и точкой сопротивления. В учет берутся следующие параметры: вид проката, сечение, толщина стенки, общие характеристики. Владея такими данными, можно предположить, какие будут последствия от воздействия различных факторов, в том числе окружающей среды. При давлении на поперечную часть профтрубы напряжение создается даже в точках, которые удалены от нейтральной оси.

Получить данные можно разными способами:

• Берутся готовые показатели из строительных справочников и подставляются в формулу. Такие действия предусматривают выбор трубного проката в соответствии с указанными характеристиками, что позволяет делать самые точные подсчеты прогиба. ГОСТ 8639-82 (для изделий квадратного сечения) и ГОСТ 8645-68 (прямоугольного) регламентированы: момент инерции трубы (I), длину пролета (L), нагрузку (Q), модуль упругости в соответствии СНиП. Схемы вычислений индивидуальные и для каждого случая подбирается формула.
• Самостоятельно рассчитывается прочность на изгиб. В данном случае применим Закон Гука, который выражается формулой: Pизг = M/W, где Pизг — величина прочностного предела, M — изгибающий момент; W — сопротивление. Такие вычисления требуют дополнений: учитываются характеристики исходного материала, давления и т.д.
• При помощи калькулятора. В специальную расчетную таблицу вносятся исходные данные — длина пролета, нормативная и расчетная нагрузка, Fmax,количество изделий, расчетное сопротивление, параметры. После нажатия на клавишу «Рассчитать» выдается готовый результат.

Не стоит выполнять расчеты самостоятельно. Нужно уметь пользоваться ГОСТами, СНиПами и владеть сложной специфической техникой — сопроматом. При малейших неточностях в подсчетах не избежать серьезных последствий.

Проще применить один из калькуляторов для расчета нагрузки на профильную трубу:

http://www.rsi-llc.ru/calculator/
http://svoydomtoday.ru/building-onlayn-calculators/336-rschet-kvadratnoy-trubi-na-progib-i-izgib.html
https://trubanet.ru/onlajjn-kalkulyatory/raschet-balok-iz-trub-na-izgib.html

Также полезно будет просмотреть видео:

Расчет прямоугольной трубы на изгиб для различных конструкций

Прямоугольная труба относится к профильным изделиям, которые, на сегодняшний момент используются не только в промышленном строительстве, но и в бытовом. Из подобных труб на собственном участке можно построить гараж, беседку навез. С профильной трубой очень любят работать сотрудники рекламной отрасли, которые изготавливают из таких труб заготовки для рекламных щитов и коробов.

Прямоугольные трубы выдерживают большие нагрузки, в том числе и динамические, устойчивы к коррозии. Именно поэтому они получили такое широкое распространение. Однако, чтобы правильно и, главное, безопасно использовать профильную трубу в строительстве, вне зависимости от масштабов такого строительства, необходимо уметь рассчитывать нагрузку на описываемые изделия, знать, какой изгиб может выдержать труба, не лопнув.

Что представляет собой прямоугольная труба?

Прямоугольная металлическая труба представляет собой металлическое изделие длиной в несколько метров. Прямоугольная труба имеет сечение соответствующей формы. Его площадь может быть самой разной. Все параметры таких труб регулируются специальными ГОСТами – документами, исходящими от государства. Требование того, чтобы все габариты соответствовали ГОСТам, связано со следующим:

• труба, произведенная по ГОСТу, будет соответствовать требованиям безопасности. Если труба изготовлена в кустарных условиях, то есть вероятность, что пропорции не соответствуют требованиям безопасности. Есть опасность, что изделие не выдержит нагрузок и станет причиной обрушения конструкции;
• при расчете нагрузок на трубу, не требуется измерять каждое конкретное изделие. Его параметры установлены ГОСТом, следовательно, можно брать данные из данного документа.

Изделия изготавливаются из различных видов стали. Некоторые марки стали не требуют дополнительной обработки. Это, например, так называемая, нержавейка. Сталь, которая боится коррозии, должна быть обработана специальными растворами или краской.

Строения из профильной трубы

Выше упоминалось, что из прямоугольных труб можно изготавливать самые разные металлоконструкции.
Изготавливая конструкцию из металлического профиля, необходимо особое внимание уделить расчетам. Правильные расчеты обеспечат надежность строения.

Если говорить о легких конструкциях, на которые не воздействуют небольшие нагрузки, то здесь расчеты, безусловно, должны быть произведены, но, даже если в них будут какие-либо ошибки, то это не критично. Нельзя допускать ошибок при расчетах нагрузок, в том числе, связанных с изгибом труб, если сооружаются серьезные здания.

Сопротивление материала

Каждый материал имеет точку сопротивления. Этому учат в учебных заведениях технического направления. При достижении указанной точки, материал может лопнуть, а конструкция, соответственно, рассыпаться. Таким образом, когда рассчитывается надежность какой-либо строительной конструкции, учитывается не только то, каковы габариты элементов конструкции, а также и то, из какого материала они сделаны, каковы особенности данного материала, какую нагрузку при изгибе он сможет выдержать. Учитываются и условия окружающей среды, в которых будет находиться конструкция.

Расчет на прочность осуществляется по нормальному напряжению. Это связано с тем, что напряжение распространяется по поверхности прямоугольной трубы неравномерно. В точке оказания давления и на краях трубы оно будет разным. Это необходимо понимать и учитывать.

Стоит добавить, что профильные трубы могут проверяться на изгиб и на практике. Для этого существует специальное оборудование. В нем труба изгибается, фиксируется её напряжение. Отмечается напряжение, при котором труба разрывается.

Необходимость практических экспериментов связана со следующим:

• на практике могут иметь место отступления от ГОСТов. Если строение масштабное, то не следует доверять цифрам. Все необходимо проверить опытным путем;
• в случае, если трубы произведены не в заводских условиях, например, сварены из металлического уголка, то, исходя из теоретических расчетов, нельзя понять, какое напряжение при изгибе выдержит труба.

Как узнать правильность расчетов?

Каждый материал, в том числе и металл, из которого изготавливаются прямоугольные трубы, имеет показатель нормального напряжения. Напряжение, возникающее на практике, не должно превышать данный показатель. Необходимо также учитывать, что сила упругости тем меньше, чем большие нагрузки воздействуют на трубу.

Помимо этого, нужно учитывать и формулу M/W. Где изгибающий момент оси действует на сопротивление изгибу.

Для получения более точных расчетов, изображается эпюра, то есть изображение детали, максимально отражающее особенности данной детали, в данном случае, прямоугольной трубы.

Самое главное

При расчете сопротивления профильной трубы при изгибе, необходимо пользоваться достижениями такой науки, как сопротивление материалов. Какие выводы из этого можно сделать? А вывод простой: все расчеты должны осуществлять профессионалы, которые отлично разбираются в сопротивлении материалов, которые не допустят ошибок.

Экономия на привлечении специалиста к расчетам может, позже, выйти боком. Сооружение просто-напросто может рассыпаться.

видео-инструкция по монтажу своими руками, особенности изделий, как рассчитать вес, нагрузку, на прогиб, калькулятор, цена, фото

Как узнать, сколько весит погонный метр квадратной или прямоугольной трубы? Как выполнить расчет нагрузки на профильную трубу известного размера? Давайте попробуем найти максимально простые ответы на эти вопросы.

Началу строительства должны предшествовать точные расчеты.

Зачем это нужно

Зачем знать массу погонного метра профильного изделия?

Основных мотива два.

1. При сооружении металлоконструкций одни элементы давят на другие собственным весом наряду с полезной нагрузкой. Скажем, каркас перегородки в промышленном здании создает нагрузку на балки, ферма моста – на колонны и так далее. Эту нагрузку нужно учитывать при расчете прочности конструкций.
2. Кроме того, прокат на металлобазах продается не метражом, а на вес, и его цена указывается за тонну. Чтобы пересчитать погонаж, рассчитанный при создании проекта, в заветные тонны, необходимо знать, сколь весит метр при том или ином сечении и толщине стенки.

Уточним: от марки стали точная масса тоже, разумеется, зависит; однако разница между разными марками настолько мала, что действующие ГОСТ ей пренебрегают.
Плотность стали берется равной 7,85 т/м3.

Когда нужен расчет на прогиб? Попробуем объяснить на примере.

Представьте себе, что вы хотите соорудить в своем коттедже балкон с каркасом из профтрубы. Вылет балкона вам известен, предполагаемая нагрузка – тоже. Вот для того, чтобы подобрать оптимальное сечение профтрубы на роль несущих балок, вам и нужно знать метод расчета прочности на изгиб.

Масса

Простейший способ расчета сводится к использованию интернета: калькулятор расчета веса профильной трубы в зависимости от ее сечения и толщины стенки несложно найти на сайтах многих производителей и продавцов.

Один из онлайн-калькуляторов.

Однако мы не будем искать легких путей и постараемся найти альтернативные способы выполнения подсчетов своими руками. Собственно, их два.

Нормативные документы

Необходимые нам данные содержатся в отечественных стандартах:

1. ГОСТ 8645-68 содержит сортамент прямоугольных стальных труб.
2. Для квадратного сечения сортамент отыщется в ГОСТ 8639-82.

Полные таблицы слишком объемны для небольшой статьи, поэтому приведем лишь некоторые значения в качестве примера.

Некоторые значения, не вошедшие в наш список.

Обратите внимание: мы настоятельно рекомендуем ознакомиться с полным текстом документов. Как мы выясним далее, полная версия таблиц будет полезна в дальнейших расчетах.

Расчет по плотности

С некоторой погрешностью расчет веса профильной трубы может быть выполнен и без таблиц сортамента. Достаточно знать все основные размеры изделия и плотность стали, которая, как мы уже выяснили, при расчетах принимается равной 7850 кг/м3, или 7,85 г/см3.

Инструкция по расчету не вызовет сложностей у любого человека, помнящего основы геометрии.

1. Рассчитываем площадь поверхности погонного метра профтрубы. Она равна произведению периметра (суммы всех четырех сторон) и единицы.

Внимание: чтобы получить результат в тоннах без сложных пересчетов, лучше сразу перевести размеры в метры.

2. Умножаем площадь на толщину стенки и получаем объем металла в погонном метре.
3. Умножив объем на плотность стали, мы получим массу погонного метра.

Мысленно развернув профиль в плоскую пластину, несложно вычислить его объем и вес.

Давайте в качестве примера выполним расчет для прямоугольного сечения 180х150 при толщине стенки 12,0 мм.

1. Площадь будет равной (0,15 + 0,15 + 0,18 + 0,18) х 1 = 0,66 м2.
2. Объем – 0,66 м2 х 0,012 м= 0,00792м3.
3. Масса – 0,00792х7850= 62,172 кг.

Результат несколько отличается от прописанного в ГОСТ (55,71 кг) за счет того, что при разворачивании реальной профтрубы в плоскую заготовку мы получим заметное утончение там, где были ее продольные грани. Погрешность будет тем меньше, чем тоньше стенки и чем больше размер сечения.

Прочность на изгиб

Как рассчитывается прочность профильной трубы на изгиб?

Для нашего случая актуальны две формулы:

1. M=F*L, где М – изгибающий момент, F – приложенная к профилю сила, измеренная в килограммах (кгс), а L – плечо рычага в сантиметрах. Скажем, для пресловутого балкона шириной 1 метр со стоящими на его краю тремя людьми общим весом в 250 кг изгибающий момент будет равен 250 кгс х 100 см = 25000 кгс*см.

Пример довольно условный: в реальных условиях изгибающие нагрузки на балки стараются компенсировать прочими конструктивными элементами, что мы и видим на фото.

2. M/W=R, где R – прочность марки стали, а W – момент сопротивления сечения.

Очевидно, параметры R и W – константы, которые придется где-то искать. Постараемся упростить читателю задачу:

Второй параметр – момент сопротивления – найдется в тех же таблицах сортамента в ГОСТ 8645-68 и 8639-82. Так, для трубы сечением 180х150 при толщине стенки 12 мм по оси А (вдоль более широкой стороны) он составит 346,0 см3, а по оси Б – 310,8 см3.

Давайте попробуем подобрать размер трубы для нашего балкона с нагрузкой 250 кг и вылетом 1 метр, исходя из следующих условий:

• Нагрузка приходится лишь на одну из несущих профтруб (три человека расположились так, что их вес не распределяется по соседним балкам).
• Материал, который использован при изготовлении несущего каркаса балкона из труб – сталь Ст4.

Состав марок стали.

Итак, приступим к расчетам.

1. 25000 кгс*см/W = 2100 кгс/см2 /W. Момент сопротивления, таким образом, не должен быть менее 25000 кгс*см / 2100 кгс/см2 = 11,9 см3.
2. Теперь осталось лишь подобрать трубу с соответствующим значением W в таблице сортамента. При квадратном сечении этому условию удовлетворяют, в частности, размеры 50х6 и 60х3,5.

Заметьте: мы нашли минимальные размеры, при которых балка выдержит соответствующую нагрузку; при этом пренебрегли запасом прочности (например, на случай, если кто-то из гипотетических посетителей балкона подпрыгнет), собственным весом балкона и износом каркаса коррозией.
На практике эти факторы нивелируются как минимум трехкратным запасом по моменту сопротивления.

Как видите, пренебрегать запасом прочности опасно.

Заключение

Надеемся, что не утомили читателя обилием сухих цифр и расчетных задач. Как обычно, в видео в этой статье можно найти дополнительную информацию. Успехов!

Нагрузка на профильную трубу: таблица, формулы расчета

На чтение 4 мин.

Допустимая нагрузка на профильную трубу, таблица показателей регламентированы строительными нормами. Эти параметры являются важными характеристиками конструкций, которые применяют при вычислениях.

Профильная труба под нагрузкой

Нагрузка, действующая на профильную трубу

Предельная прочность профильной трубы характеризуется той нагрузкой, которую сможет выдержать изделие. Нормативные показатели нагрузок имеются в СП 20.13330.2011.

Различают такие нагрузки:

1. Постоянные, при которых вес и усилие не меняются в течение длительного времени. Их создают конструкции зданий, грунты, а также давление стационарных предметов.
2. Длительные, происходящие от действия перегородок, оборудования, материалов, вследствие усадки грунта и перепадов влажности.
3. Кратковременные, происходящие от действия оборудования, силы веса людей, автомашин, климатических воздействий, от снега, льда, изменения температуры, порывов ветра.
4. Особые — это сейсмические воздействия, результаты взрыва, при которых происходят колебания состава грунтов, а также произошедшие в результате аварий или пожаров.

Например, нужно подсчитать допустимые нагрузки на материал для навеса. В СП имеются формулы для расчета давления, есть таблицы для каждого типа воздействий. Учитывается сочетание всех видов давления.

Классификация нагрузок

При покупке труб нужно учитывать параметры, и какое давление они смогут выдержать. Профильные трубы применяют для каркаса разных сооружений, выбирать эти конструкции нужно точно.

Достоинствами профильных труб считаются:

• прочность;
• легкость;
• стойкость к различным воздействиям;
• несложная установка.

При строительстве беседки не подсчитывают воздействия, потому что легкие конструкции не подвергаются действию больших усилий. А при создании каркаса крупного сооружения надо провести вычисление воздействий на конструкцию. Балки устойчивы к разным повреждениям, но они имеют предел. Если воздействия будут подсчитаны правильно, то профиль под давлением грунта, слоя снега прогибается. Если снег убрать, балка вернется в исходное состояние. Если превысить допустимую силу, труба может поломаться.

Поэтому при покупке профиля подбирают:

• размеры;
• сечение;
• давление на каркас;
• характеристики стали;
• силы, которые могут воздействовать на изделие во время эксплуатации.

Таким образом, можно точно вычислить, какую нагрузку держит профильная труба.

Расчетные схемы

Точный расчет нагрузки на профильную трубу начинают с выбора схемы расчета. Сначала вычисляют силу, действующую на конструкцию. Следующий этап — построение схемы нагрузки на профильную трубу с учетом всех действующих сил, размеров и сечения опор. После этого применяют нормативные параметры, имеющиеся в ГОСТ, делают инженерные расчеты. Для простоты вычислений можно использовать онлайн калькулятор, который содержит программы с формулами.

Максимальные нагрузки

Выбирая профиль, нужно учесть допустимый вес, который может выдержать балка или стойка в данном месте расположения. Показатель представлен в качестве распределенной силы, которая приложена в центре профиля. Под действием нагрузки труба согнется, но когда усилие прекратится, придет в исходное положение.

Если максимальная нагрузка превышена, это приведет к поломке конструкции. В расчетах учитывают совместную силу, которая действует на всю длину опоры. Поэтому балки не должны быть слишком большими. Установка мощной трубы может быть невыгодна с экономической точки зрения и вследствие утяжеления всей конструкции.

В этом случае устанавливают добавочные опоры, что дает возможность повысить допустимое давление. Чтобы определить величину предельной силы, можно применить калькулятор.

Методы расчета нагрузки

Используют такие способы расчета:

• по калькулятору;
• по таблицам;
• с применением формул.

Перед расчетами выполняют чертеж, чтобы выяснить виды воздействий. Если профиль фиксируют одним концом, то выполняют расчет прямоугольной трубы на изгиб. Когда профиль крепят на опорах с 2 сторон, расчет делают на сжатие.

При вычислениях по таблицам показатели максимальной силы уже подсчитаны. Этот способ более простой, тут даются результаты расчетов для разных типов профиля. Имеется предельное значение усилия, которое может выдержать профиль. Из имеющихся методик расчета конструктор может выбрать наиболее приемлемый способ.

Для расчетов созданы специальные таблицы. Показатель момента инерции находят в таблице ГОСТ 8639-82. Параметры профиля прямоугольной формы даются в ГОСТ 8645-68.

Расчет на изгиб выполняют по формуле: σ = M/W, где M — представляет изгибающий момент, W — момент сопротивления трубы. Чем больше W, тем меньше усилие в конструкции. Чтобы найти M, надо знать длину профиля и уровень деформации стали. Это значение дается в ГОСТ. Чтобы вычислить значение W, нужно знать величину балки. Затем показатели ставят в формулу и производят вычисления.

Как рассчитать достаточный размер прямоугольной трубы под нагрузку? — Мысли и идеи

Анурьев справочник конструктора машиностроителя том1 (самое начало)

Если я вас правильно понял то ваш трап это по сути балка со свободно опертыми концами

Для расчёта вам нужно знать длину трапа и ту нагрузку которую создаёт ваш байк.

По идее такие штуки считаются исходя из условия жесткости (чтобы гнулось но не более определенной величины)

потому как вариант, что при закате мотоцикла трап стал колесом а потом выпрямился назад когда мотоцикл убрали, забавен но не удобен.

А именно это даст вам расчёт на прочность. (выдерживало нагрузку без необратимых изменений)

Определимся с условиями прогиба (v) как правило это некая доля от длины пролёта (L) я бы поставил 1/200, меньше 1/150 уже будет стрёмно. 3*b/12

Где H выстоа

B- ширина

h=H-S

b=B-S

S-толщина стенки

Ответ получите в тех единицах которые используете если см то см4 если м то м4

Изменено 28 февраля, 2011 пользователем Sulde

ENGINEERING.com | Калькуляторы прогиба балки

Калькулятор трубок — Rogue Fabrication

6063-T52 AL: это алюминий (AL). 6063 — обозначение сплава, а 6000 — серия алюминиевых сплавов, содержащих кремний и магний, для целей термообработки. T означает термическую обработку, которая предназначена для улучшения его физических свойств. 52 — это тип термической обработки, в данном случае снятие напряжения сжатия после термообработки на твердый раствор. Этот алюминий с низкой прочностью очень хорошо гнется.

6061-T6 AL: это алюминий (AL). 6061 — обозначение сплава, а 6000 — серия алюминиевых сплавов, содержащих кремний и магний, для целей термообработки.T означает термическую обработку, которая предназначена для улучшения его физических свойств. 6 — это тип термической обработки, в данном случае термообработка раствора, а затем искусственное старение. Этот распространенный алюминий средней прочности можно сваривать и гнуть, хотя и не так легко, как 6063.

7075-T6 AL: это алюминий (AL). 7075 — это обозначение сплава, а 7000 — серия для алюминиевых сплавов, содержащих цинк и небольшое количество магния (как для прочности). T означает термическую обработку, которая предназначена для улучшения его физических свойств.6 — это тип термической обработки, в данном случае термообработка раствора, а затем искусственное старение. Это один из самых прочных алюминиевых сплавов, который плохо сваривается и очень трудно гнуть.

ASTM A53 Pipe: См. Наше обсуждение на технической странице по трубогибу — «Труба против трубы». Эта сталь средней / низкой прочности производится в соответствии с требованиями, установленными Американским обществом испытаний и материалов (ASTM), документ A53. Материал — стальной сплав, с широким диапазоном вариантов состава.Материал может включать несколько легирующих элементов (например, до 0,4% хрома и 0,15% молибдена, но всего 0,0% обоих). Легко гнется и сваривается.

HREW 1015: Горячекатаная электросварная труба, легированная сталь 1015. Эта труба сформована посредством роликов из плоских полос в круглые трубы и сварена в цельную деталь. Снаружи гладкая, а внутри может быть небольшой отблеск. Виден шов, обычно это сине-серая полоса. Стали серии 1000 известны как простые углеродистые стали, и максимальное содержание марганца ограничено 1%.Последние две цифры — номинальное содержание углерода в сотых долях процента. 1015 содержит 0,15% углерода и 0,45% марганца. Он хорошо сваривается и легко формуется / сгибается.

DOM 1020: Эта труба формируется посредством роликов из плоских полос в круглые трубы и сваривается в цельную деталь, а затем протягивается через оправку (DOM) для сжатия материала и доводки его до точного размера и геометрии. Внутри и снаружи гладкие, швов не видно. Сплав такой же, как 1015 выше, но с 0.20% углерода по весу, что способствует повышению общей прочности при несколько меньшей пластичности.

4130 N: Эта сталь относится к классу цементируемых стальных сплавов. Этот металл, обычно известный как «ChroMo» или «ChroMoly», для прочности легирован хромом и молибденом. Как и в сталях выше, последние две цифры обозначают содержание углерода, номинальное 0,3%. 4130 славится своим высоким пределом прочности и ударной вязкостью, а также приемлемо сгибается и сваривается. TIG является предпочтительным процессом сварки для этого сплава.После сварки его необходимо подвергнуть термообработке, чтобы вернуть характеристики, указанные здесь. Его также можно подвергать термообработке и отпуску / закалке для увеличения предела текучести более 100 Ksi (1).

SS 316: Эта нержавеющая сталь с высокой коррозионной стойкостью была помещена на эту страницу для сравнения. Соотношение цена / прочность не очень хорошее. Обычно его делают в виде круглой трубы.

Ti 3AL-2.5V CWSR: это холоднодеформированный титан со снятым напряжением (CWSR Ti). Он содержит 3,0% алюминия и 2,5% ванадия по весу.Этот титан представляет собой альфа-бета сплав, принадлежащий к классу сплавов, которые нелегко сваривать, поскольку они уже прошли обработку для повышения твердости. TIG практически необходим для сварки этого материала. Его очень сложно обрабатывать, и его использование в формованных гибах ограничено. Выпускается в виде круглой трубы.

HREW может быть изготовлен из МНОГИХ различных сталей и обычно имеет предел текучести до 40 000 фунтов на квадратный дюйм. Уточняйте у поставщика трубок точные значения.

Эта информация носит справочный характер.Если вы не хотите, чтобы вас ранили или убили, оставайтесь дома и не управляйте никакими транспортными средствами. Никакой каркас безопасности не спасет вашу жизнь в любых ситуациях. Этот калькулятор предназначен для помощи в процессе проектирования, который должен выполняться обученным профессионалом. Любая информация, предоставленная Rogue Fabrication, LLC, не является приемлемой заменой профессионального анализа или обещания или сертификации характеристик любого материала или конструкции. Используя эту форму, вы освобождаете Rogue Fabrication, LLC от любой ответственности за ущерб людям и имуществу в результате использования и / или неправильного использования любой предоставленной или полученной информации.

Источники

(1): Справочник по машинному оборудованию, промышленные прессы. 28-е издание, 2008 г.

(2): Matweb, www.matweb.com. Дата обращения 08.11.2012.

(3): Online Metals, www.onlinemetals.com. Дата обращения 08.11.2012.

(4): Металлургический склад

(5): Team Tube, LLC. Портланд, штат Орегон. Данные поставщика, дата 24.11.2012.

(6): Titanium Joe, www.titaniumjoe.com. Дата обращения 08.11.2012.

(7): ASTM A53 1999, полный текст, ASTM.

Фактор стоимости основан на 1,75 x 120 на фут, за исключением Ti, равного 1,625 x 070, нержавеющей стали 316, равного 1,5 x 120, и 6063, равного 2,00 x 125.

Калькулятор гибки труб

Если вам когда-либо приходилось выполнять расчеты, необходимые для правильного изгиба трубы и трубы, вы знаете, что, хотя они являются важной частью процесса гибки, часто приходится манипулировать большим количеством информации. В частности, расчет свойств момента инерции площади поперечного сечения обычных форм для изгиба труб может быть трудоемким и сложным.

Что такое модуль упругости сечения?

Обычно инженеры-строители, проектирующие двутавровые или тавровые балки, вычисляют модуль упругости поперечного сечения балки, чтобы понять, выдержит ли балка конкретную нагрузку или повторяющуюся циклическую нагрузку. Это сделано для того, чтобы здания, мосты и железнодорожные пути не выходили из строя и имели факторы безопасности.

Однако модуль упругости сечения может также относиться к изгибу труб. При изгибе трубы или трубы гибочный станок должен иметь достаточный крутящий момент изгибающего рычага, чтобы преодолеть модуль упругости сечения материала, чтобы изгиб трубы оставался постоянным.Кроме того, состав материала определяет деформацию материала трубопровода по сравнению с заданным модулем упругости материала и предел текучести материала.

Определение модуля сечения отрезка трубы или трубы, которую необходимо согнуть, важно, потому что это позволит вам узнать до , когда вы согнете, если ваше оборудование может успешно завершить сгибание.

Это важно, потому что знание того, сработает ли изгиб до его выполнения, увеличивает вашу эффективность, экономит время и материал.Неправильное выполнение изгиба может привести к вздутию трубки, разрушению трубки и другим проблемам с трубкой. Гораздо лучше полностью избежать этих проблем, потратив немного больше времени на планирование изгиба и выполнение расчетов.

Что произойдет, если вы не будете гнуть круглые трубы?

Как узнать, какой изгиб согнет ваш квадрат, прямоугольник, некруглую форму? Вам необходимо рассчитать момент инерции площади сечения для круглого материала и сравнить его с некруглым материалом.Пока номер круглого материала выше, чем некруглый материал, этот конкретный гибочный станок сможет сгибать форму вашей детали.

Где можно получить помощь с этими расчетами?

При изгибе трубы задействовано множество расчетов и переменных. Мы создали калькулятор изгиба труб и руководство по формулам изгиба труб, которые помогут вам ориентироваться во всех расчетах, переменных и подготовительных работах.

Какие формы включены в загрузку калькулятора?

Калькулятор модуля сечения изгиба трубы позволяет вводить спецификации трубы в простой в использовании калькулятор.Затем он вычисляет момент инерции площади сечения обычных форм. Вот некоторые из наиболее распространенных форм, охватываемых калькулятором:

• Квадрат
• Круглый
• Половина раунда
• Треугольники
• Прямоугольники
• Трапеции
• Шестиугольники
• Восьмиугольники

Что содержится в Руководстве по формулам изгиба труб?

Справочник по формулам изгиба труб, поставляемый вместе с калькулятором, охватывает некоторые из наиболее распространенных формул изгиба труб, включая внутренний диаметр трубы, коэффициент стенки, вершину оправки, радиус и длину зажима.

Как использовать эти загрузки

Вместе эти две загрузки представляют собой мощный инструмент. Они могут помочь вам оценить ваше текущее оборудование, определить, сможете ли вы выполнить изгиб, запрошенный новым клиентом или запросом предложения, оценить возможности вашего текущего оборудования по сравнению с новым оборудованием и убедиться, что у вас есть правильные расчеты, прежде чем начинать изгиб.

Где найти калькулятор и руководство?

Щелкните здесь или перейдите по ссылке ниже, чтобы загрузить Калькулятор модуля упругости сечения трубы.

Гибка труб квадратного и прямоугольного сечения

Процесс гибки труб в значительной степени основан на современной науке и технологиях. Гибочные штампы разрабатываются с помощью компьютерного программного обеспечения, гибочные машины управляются компьютером, а напряжения и деформации можно точно предсказать с помощью математики.

Однако эти принципы основаны не только на современных гаджетах и ​​сложной математике. Основополагающие концепции гибки труб такие же, как те, которые использовались кузнецами на протяжении веков, разработанные задолго до логарифмической линейки, калькулятора или настольного компьютера.

Хотя процедуры гибки круглого, прямоугольного и квадратного материала одинаковы, квадратная и прямоугольная труба требуют особого внимания.

Сходства между гибкой круглой и прямоугольной трубки

Основы гибки одинаковы для всех материалов в том смысле, что для изготовления точной детали требуется определенная информация (см. Рисунок 1 ):

• Степень изгиба
• Радиус гнутого участка
• Хорда гнутого участка
• Длина дуги
• Уклон гнутого участка
• Длина касательной

Необязательно знать все шесть параметров.Однако для получения изогнутого сечения необходимо знать как минимум три.

После сбора и анализа информации выбирается соответствующий метод гибки. Методы гибки одинаковы для круглых, квадратных и прямоугольных материалов:

• Ротационная гибка с вытяжкой
• Индукционная гибка
• Валковая гибочная
• Приращение гибки
• Компрессионная гибка

Как и для всех гнутых деталей, допуски и требования заказчика к внешнему виду помогают выбрать правильный метод.

Получение материала для сотрудничества

Все доступные современные инструменты — сложные математические формулы, компьютерные программы и гибочные станки с ЧПУ — могут не создать желаемый продукт. Это связано с тем, что формируемая деталь не знает, что ей говорят инструменты.

У заготовки есть собственное мышление, и оператор должен быть связующим звеном между инструментами и заготовкой, чтобы преодолеть то, что материал не «понимает». Это особенно верно для квадратных и прямоугольных материалов, которые создают уникальные проблемы, для решения которых обычно требуются знания кузнечного дела.

Проблемы, связанные с квадратным и прямоугольным материалом, включают его физические размеры и характеристики.

Рисунок 2
Несмотря на то, что жесткий изгиб (слева) требует большего усилия, он приводит к меньшим искажениям, чем простой способ (справа).

Квадратные и круглые углы. Угловые радиусы определяют, будет ли оправка соответствовать внутреннему диаметру (ID) трубы. В некоторых случаях заготовки с закругленными углами имеют тенденцию катиться в направлении, противоположном радиусу изгиба, что приводит к скручиванию материала.

Расположение сварного шва. Идеальное положение сварного шва — в центре одной из четырех сторон. Чем ближе сварной шов к закругленному углу, тем больше вероятность неправильной посадки оправки и растрескивания сварного шва. По возможности сварной шов следует располагать на нейтральной оси гнутого участка.

Материалы заводского изготовления в сравнении с материалами заводского производства. Заводской материал можно сгибать таким же образом, как и заводской материал.Однако при изготовлении заводского квадратного или прямоугольного материала кромки углов становятся закаленными. Это может вызвать трудности с изгибом или растрескивание в углах.

Трудный путь против простого. Когда прямоугольная труба изгибается, материал часто имеет меньшую деформацию, если он сильно изогнут (см. , рис. 2, ). Для легкого изгиба, чем больше разница между сторонами трубы (например, секция размером 16 на 4 дюйма имеет большую разницу, чем секция размером 12 на 4 дюйма).секции), тем больше искажение или вогнутость на
ID изгиба. Вогнутость меньше проблема для толстостенных материалов.

Размер материала, толщина стенки и радиус изгиба. Чем больше толщина стенки, тем плотнее она может быть сформирована с минимальной деформацией. Формируя 8 на 8 дюймов. стальная труба на 5 футов. радиус приводит к большей деформации, если толщина стенки составляет 0,188 дюйма, чем при толщине стенки 0,500 дюйма. Расчетные параметры и требуемый внешний вид конечного продукта часто помогают в изготовлении
выбор толщины.

Архитектурно-открытые или закрытые материалы. Материал сечения с архитектурной экспозицией (AES) требует более тщательного анализа радиуса изгиба, толщины стенки и метода изгиба. Кроме того, если в изогнутой части допускается минимальное искажение, оператор должен уделять больше внимания правильным процедурам изгиба.

Факторы, влияющие на процесс гибки

Несколько насадок могут помочь облегчить изгиб квадратного или прямоугольного материала и уменьшить степень деформации изогнутых участков.

Толщина стенки. Сгибание материала круглой, квадратной или прямоугольной формы включает растяжение внешнего диаметра (OD) гиба и сжатие его внутреннего диаметра. Следовательно, большая толщина стенки обеспечивает меньший радиус изгиба и большую растяжимость материала с меньшими искажениями.

Метод гибки. Это ключевой фактор в борьбе с искажениями. Правильно выбранная процедура может помочь получить стабильные допуски и точные детали. Как правило, для более мелкого материала требуется изгиб с вращательной вытяжкой или изгиб при сжатии, который может включать в себя фильеры и оправки.Индукционный и инкрементный изгиб следует использовать для материала большего размера, изгибаемого на больший радиус.
Деформация конструкции и размер материала являются важными факторами при выборе метода гибки.

Во многих случаях нет лучшего фактора, чем опыт. Многие обученные мастера по гибке знают, что требуется для производства приемлемого продукта.

Размер материала. Более крупный материал, изогнутый до меньшего радиуса, имеет больше шансов деформироваться, чем меньший материал, изогнутый до большего радиуса.Дизайн и планирование необходимы, чтобы помочь решить проблемы изгиба до того, как они возникнут.

Инструмент. После того, как детали были спроектированы, выбран метод гибки и установлены процедуры гибки с соблюдением надлежащих допусков, станок должен быть настроен с использованием подходящего инструмента. Исходя из проектных условий, инструменты, которые можно использовать, включают гибочную матрицу, зажимной блок, ведомый блок, оправку и грязесъемную матрицу. Могут потребоваться все или некоторые из этих инструментов.

Внутренняя и внешняя смазка. Смазочные материалы уменьшают трение между инструментом и сгибаемым материалом. Когда трение уменьшается, материал плавно течет через гибочное оборудование, позволяя оборудованию эффективно выполнять задуманную работу.

Современная наука и древнее искусство

Искусство гибки включает в себя все действия, которые выполняются перед включением станка. Корни этого искусства уходят в те времена, когда орудиями труда были щипцы, молотки и наковальни. В тот момент, когда трубогиб включается, процесс приобретает знания и технологии современности — накопленный кузнецами опыт дополняется расчетами и дифференциальными уравнениями, а также
сила мышц заменяется гидравликой и электричеством.

Современные проекты используют как знания прошлого, так и инструменты настоящего для производства деталей, пригодных для использования. Сочетание прошлых и настоящих процедур превращает гибку в настоящее искусство и позволяет производить детали, которые упрощают производство и строительство, а также делают их более прибыльными.

Билл Смит — генеральный директор, а Марк Кинг — начальник цеха Albina Pipe Bending Co. Inc., 12080 S.W. Myslony St., Tualatin, OR 97062, телефон 503-692-6010, факс 503-692-6020, электронная почта [email protected], веб-сайт www.albinapipebending.com. Альбина гнет конструкционную сталь
материалы — угол; Я балки; каналы; круглые, квадратные и прямоугольные трубы, трубки и стержни — для черных и цветных металлов для подрядчиков общественных работ, целлюлозно-бумажных комбинатов, производителей грузовиков, архитектурных дизайнеров, скульпторов и судостроителей.

Самодельные роботы Дейла — пять калькуляторов отклонения луча (цельный / полый, круглый, прямоугольный, треугольный)

Пять калькуляторов прогиба балки (цельная / полая, круглая, прямоугольная, треугольная)

Я в основном использую эти калькуляторы для расчета листовых рессор.

Ограничения:

• Отношение длины балки к высоте должно быть больше 10.
• Отклонения, превышающие 10% длины балки, могут быть менее точными.
• Если напряжение изгиба превышает предел текучести материала, результаты будут недействительными.

Для справки внизу этой страницы имеется удобная таблица предела текучести.

Аналитические, численные и экспериментальные исследования реакции на поперечный изгиб квадратной трубы из углепластика, заполненной алюминиевой пеной

Для изучения реакции на поперечный изгиб квадратной трубы из армированного углеродным волокном полимера (углепластика), заполненной алюминиевой пеной, трех- Испытания на точечный изгиб проводились на машине INSTRON, измерение деформации в полном поле проводилось с использованием испытательной системы 3D-DIC, численная модель была создана с помощью ABAQUS / Explicit, а жесткость на изгиб была рассчитана с помощью улучшенной аналитической модели на основе теория сдвиговой деформируемой балки.Расхождения экспериментальных данных, численных результатов и аналитических прогнозов были приемлемыми и находились в пределах 5%. Виды отказов и механические свойства заполненных трубок были экспериментально зафиксированы и численно предсказаны. Благодаря эффекту наполнения алюминиевой пены предельная нагрузка, жесткость на изгиб и поглощение энергии у заполненных квадратных труб из углепластика увеличились по сравнению с полыми квадратными трубами из углепластика. С увеличением плотности алюминиевой пены предельная нагрузка, жесткость на изгиб и поглощение энергии заполненными трубками увеличивались, в то время как удельная предельная нагрузка, удельная жесткость на изгиб и удельное поглощение энергии уменьшались.

1. Введение

В связи с повышением требований к безопасности и ударопрочности транспортных средств, было проведено большое количество исследований способности поглощать энергию, реакции на столкновение и режима прогрессирующего разрушения энергопоглощающих устройств с экспериментальной и числовой точек. зрения [1–4]. Несущая способность и способность поглощения энергии конструктивными элементами автомобиля являются ключевыми вопросами при проектировании облегченной конструкции кузова [5–7].Тонкостенная трубчатая конструкция как обычная конструктивная форма в машиностроении широко используется в конструкционных деталях автомобилей [8–10]. К настоящему времени имеется значительное количество опубликованных исследований, касающихся ударопрочности различных тонкостенных конструкций, таких как трубы в форме двойной шляпы [11, 12], звездообразные трубы [13], восьмиугольные трубы [14], гофрированные трубы [15]. , 16], двухсекционные битубулярные тонкостенные конструкции [17] и конические трубы [18].

В предыдущих статьях было показано, что механические свойства полых трубок можно улучшить, вставив в пустые трубки легкие материалы, такие как дерево, резина, соты или пена, в качестве наполнителя [19–24].Например, Мовахеди и Линул [25] исследовали свойства одноосного сжатия тонкостенных стальных труб, заполненных алюминиевой пеной с закрытыми ячейками; и они пришли к выводу, что использование алюминиевой пены в качестве наполнителя улучшило поглощение энергии на 23%. Мохсенизаде и Ахмад [26] исследовали характеристики раздавливания и поглощение энергии тонкостенных алюминиевых трубок, заполненных ауксетической пеной, в условиях осевого нагружения. Результаты показали, что повышение уровня ауксетичности вспененного наполнителя улучшает характеристики ударопрочности пенонаполненных конструкций как в квазистатических, так и в динамических условиях нагружения.Asavavisithchai et al. [27] исследовали влияние длины трубы на противооткатный режим и поглощение энергии трубок, заполненных алюминиевой пеной, при квазистатической осевой нагрузке; и они обнаружили, что поглощение энергии заполненной пеной трубкой было выше, чем сумма поглощенной энергии пены и полой трубки по отдельности из-за эффекта взаимодействия.

Материалы из углепластика, армированного углеродным волокном (углепластик), широко используются в авиационных и автомобильных конструкциях благодаря преимуществам удельной прочности, модуля упругости и поглощения энергии по сравнению с традиционными металлическими материалами [28–31].Большое количество опубликованных исследований сосредоточено на реакциях на раздавливание и способности поглощения энергии структурами из углепластика. Мамалис и др. [32] наблюдали различные виды хрупкого разрушения квадратных труб из углепластика при квазистатической осевой сжимающей нагрузке; и они проанализировали влияние геометрических характеристик на характеристики сжатия и режимы схлопывания. Осман и др. [33] исследовали характеристики раздавливания наполненных полиуретаном (ПУ) пултрузионных композитных труб квадратного сечения при квазистатической осевой и наклонной нагрузке.Результаты показали, что пенополиуретан увеличивает поглощенную энергию. Лю и др. [34] обсуждали механическое поведение и механизм разрушения квадратных труб из углепластика, заполненных алюминиевыми сотами, при квазистатическом осевом сжатии; и они обнаружили, что пиковая нагрузка и поглощенная энергия увеличивались, в то время как удельное поглощение энергии уменьшалось с уменьшением ширины алюминиевых сотовых ячеек. Sun et al. [35] провели испытания на осевое сжатие для изучения ударопрочности пустых труб из углепластика / алюминиевой пены / сотовых труб из углепластика.Результаты показали, что удельное поглощение энергии заполненных труб из углепластика было немного ниже, чем у пустых аналогов, но намного лучше, чем у всех металлических образцов.

Проведены исследования аналитической модели конструкций из углепластика. Mai et al. [36] оптимизировали конструкцию многослойных балок коробчатого сечения при трехточечной изгибающей нагрузке, создав аналитическую модель с учетом деформации сдвига и изучив взаимосвязь между массой и жесткостью. Во и Ли [37–39] установили модель анализа деформации связи при растяжении-изгибе-сдвиге-кручении тонкостенных композитных балок коробчатого сечения, используя теорию сдвиговой деформации первого порядка, но они проигнорировали эффект упругой связи при вычислении эквивалентной жесткости.Гейчи и Хоа [40] рассчитали эквивалентную жесткость на изгиб толстостенных композитных труб со сбалансированным антисимметричным слоем на основе поля напряжения-деформации композитных труб при чистом изгибе. Shadmehri et al. [41] вывел эквивалентное конститутивное уравнение композитных труб на основе поля смещения композитных труб и теории трехмерного ламината, которое применимо к любой форме поперечного сечения, но расчет эквивалентного коэффициента жесткости был сложен.

Вообще говоря, плотность пены наполнителя является наиболее очевидным фактором, влияющим на механические свойства и характеристики реакции на изгиб трубки, наполненной пеной [33, 42]. Согласно существующей литературе, влияние наполнителя из пеноалюминия на характеристики изгиба квадратных труб из углепластика относительно ограничено комбинацией экспериментального исследования, численной модели и аналитической модели. Чтобы лучше понять ударопрочность труб из углепластика, в этой статье будут проводиться экспериментальные исследования алюминиевой пены, полой квадратной трубы из углепластика и квадратной трубы из углепластика, заполненной алюминиевой пеной, в условиях квазистатического трехточечного поперечного изгиба. а полная деформация труб из углепластика будет охарактеризована системой тестирования трехмерной корреляции цифрового изображения (3D-DIC).Трехмерная модель конечных элементов композитного ламината для анализа прогрессирующего повреждения будет создана ABAQUS / Explicit на основе механизма непрерывного разрушения, чтобы исследовать поведение при изгибе и режимы разрушения конструкции из углепластика. Аналитическая модель квадратной трубы из углепластика будет разработана на основе теории деформируемой сдвигом балки с учетом неклассических эффектов, таких как поперечная деформация сдвига, трехмерная деформация и коробление. Кривые нагрузка-прогиб, характеристики распределения деформации во всем поле, процесс развития повреждений и эффект заполнения алюминиевой пеной для полых и заполненных алюминиевой пеной труб из углепластика будут оценены и подробно обсуждены путем сравнения экспериментальных данных, численных результатов и аналитических прогнозов. .

2. Экспериментальные методы

2.1. Характеристики Критерии

Несколько ключевых параметров ударопрочности оцениваются количественно для сравнения характеристик изгиба испытанных конструкций. P _u — предельная нагрузка; P _{u / m} = P _u / м — отношение предельной нагрузки P _u к общей массе; K _b — жесткость на изгиб; и K _{б / м} = K _b / м — отношение жесткости на изгиб к общей массе. P _u можно определить по измеренным кривым нагрузки-прогиба, а жесткость на изгиб K _b образцов можно определить по следующей формуле [40]: где L — расстояние между двумя опорами, H — высота образца, а ε — деформация середины пролета.

Средняя нагрузка на раздавливание ( P _{означает} ), поглощение энергии (EA) и удельное поглощение энергии (SEA) могут быть выражены следующим образом: где P — мгновенная сила изгиба, l — прогиб при изгибе. , а м — масса образца.

2.2. Подготовка образца

Для изготовления квадратных трубок был выбран однонаправленный препрег из углеродного волокна T300 / QY8911 с объемной долей волокна около 58%. Метод равномерной периферийной жесткости (CUS) с равномерной периферийной жесткостью был принят в режиме укладки; толщина одного слоя была принята равной 0,125 мм, общее количество слоев было 12, и порядок укладки был [0/90] ₆ . Квадратные трубы из углепластика были изготовлены в автоклаве.Систему автоклава нагревали примерно до 120 ° C, и к преформам прикладывали давление 1,2 МПа. Затем изготовленные трубки были подвергнуты отверждению в течение примерно 120 минут для получения наилучшей прочности и твердости. Наконец, вулканизированные трубки (1000 мм) были разрезаны на образцы необходимой длины (160 мм) с помощью режущего устройства; два конца образцов были обработаны до плоской формы без снятия фаски.

Пенопласт алюминия с закрытыми ячейками получали методом вспенивания из расплава. Необходимые исходные материалы представляли собой чистый Al, чистый Mg, частицы Ca (повышающий клейкость) и TiH ₂ (пенообразователь).Процесс приготовления проиллюстрирован на Рисунке 1 (а), а фотография подготовленной алюминиевой пены со средней плотностью 0,5 г / см ³ показана на Рисунке 1 (б). Образцы были обработаны методом высокоскоростной проволочной электроэрозионной обработки (HSWEDM) для уменьшения повреждения стенки пор образцов из пенопласта. Наконец, полая квадратная трубка из углепластика и алюминиевая пена были скреплены эпоксидной смолой (E-44).

2.3. Геометрия образцов

В этом исследовании были проведены испытания на трехточечный изгиб чистой алюминиевой пены, полой квадратной трубы из углепластика и квадратной трубы из углепластика, заполненной алюминиевой пеной, для исследования характеристик изгиба.Чтобы гарантировать точность результатов испытаний, каждая конфигурация испытаний была повторена с тремя образцами. Длина и размеры поперечного сечения образцов показаны на рисунке 2. Подробная информация и характеристики испытанных образцов приведены в таблице 1.

2.4. Процедура испытаний

Испытания на квазистатический трехточечный изгиб проводились при комнатной температуре в электронной универсальной испытательной машине INSTRON 5982 (INSTRON, США) с грузоподъемностью 100 кН, как показано на Рисунке 3 (а). . Образцы нагружали с постоянной скоростью 2 мм / мин с расстоянием раздавливания 20 мм. Образцы помещали между индентором и опорами без каких-либо фиксирующих устройств; пролет между двумя опорами был 130 мм, как показано на рисунке 3 (б). Данные о нагрузке и смещении образцов можно получить непосредственно через автоматическую систему сбора данных.Весь процесс эксперимента был записан с помощью цифровой камеры (CANON, Япония), как показано на рисунке 3 (а).

Тензодатчик был прикреплен к нижней части промежуточного пролета, и сбор данных о деформации в реальном времени осуществлялся с помощью системы измерения деформации DH8303 (DONGHUA, Китай). Распределение деформации во всем поле испытанных образцов было охарактеризовано с помощью тестовой системы корреляции трехмерных цифровых изображений (3D-DIC) (PMLAB, Китай), как показано на рисунке 3. Для повышения точности системы 3D-DIC, Спекл-изображения были получены путем искусственного распыления, как показано на Рисунке 3 (c).Подробные методы испытаний можно найти в существующей литературе [43, 44].

3. Числовая модель

3.1. Критерии возникновения повреждений и эволюция повреждений для CFRP

Критерии отказа 2D Hashin использовались для управления поведением при повреждении для CFRP. Эти критерии учитывают влияние компонентов напряжения на различные режимы повреждения, которые позволяют выделить четыре режима отказа: растяжение волокна, сжатие волокна, растяжение матрицы и сжатие матрицы. Критерии инициирования имеют следующие общие формы [45, 46]:

Натяжение волокна:

Сжатие волокна:

Растяжение матрицы:

Сжатие матрицы: где F _i ( i = ft , fc , mt , mc ) обозначают параметры повреждения, соответствующие четырем режимам отказа; σ _ij — компоненты тензора напряжений; X _T и X _C обозначают прочность на продольное растяжение и прочность на сжатие, соответственно; Y _T и Y _C — поперечная прочность на растяжение и прочность на сжатие, соответственно; и S _L и S _T — прочность на продольный и поперечный сдвиг, соответственно.Инженерные упругие постоянные и значения прочности на повреждение углепластика получены от производителя, как показано в таблице 2.

Когда в слое происходит повреждение, его механические свойства в определенной степени ухудшаются. В этой статье для снижения жесткости использовалась линейная модель деградации, основанная на вязкости разрушения, как показано на рисунке 4, где δ _{0, i} ( i = ft , fc , mt , mc ) — начальное повреждение смещения, σ _{0, i} — начальное эквивалентное напряжение повреждению, δ _{f , i} — полное повреждение смещения, и d _i — переменная состояния повреждения.Из рисунка 4 видно, что эквивалентная энергия деформации углепластика при полном разрушении может быть рассчитана следующим образом:

Таблица 3 представляет собой параметр энергии разрушения углепластика, использованный в испытанных образцах [47]. Когда углепластик полностью выходит из строя, эквивалентная энергия деформации Вт _с равна его энергии разрушения. В это время полное повреждение смещения можно рассчитать как

Степень деградации механических свойств материала характеризуется переменной состояния повреждения d _i , что составляет выражается как

Определяющее отношение композитного монослоя во время развития повреждений: где C _d — матрица жесткости, учитывающая повреждение, а формула расчета — где и d _f , d _m и d _s — это переменные состояния повреждения волокна, повреждения матрицы и повреждения при сдвиге в плоскости, соответственно, которые могут быть выражены следующим образом:

Соотношение между эффективной матрицей напряжений и матрица реальных напряжений выглядит следующим образом: где M — матрица коэффициентов повреждения, которая рассчитывается выражается по следующей формуле:

3.2. Упругопластическая конститутивная модель для алюминиевой пены

Идеальная упругопластическая модель была использована для материалов сердцевины из алюминиевой пены, и определяющее уравнение алюминиевой пены с учетом влияния плотности может быть выражено уравнением (15) [24, 48]. На рис. 5 показаны кривые «напряжение-деформация» алюминиевой пены с различной плотностью [24]:

3.3. Создание сетки и граничные условия

В этой статье ABAQUS / Explicit использовался для создания численной модели образцов в условиях трехточечного изгиба.Квадратная труба из углепластика была разрезана на 12 слоев по направлению толщины, и каждый слой был смоделирован с помощью элемента непрерывной оболочки SC8R толщиной 0,125 мм. Интерфейсный элемент COh4D8 с нулевой толщиной был расположен между слоями для имитации разрушения сцепления, а интерфейсный элемент COh4D8 с толщиной 0,01 мм использовался для моделирования межфазного соединения между квадратной трубкой из углепластика и алюминиевой пеной [49, 50]. Трехмерный элемент напряжения C3D8R использовался для моделирования материала сердечника из пенопласта.Индентор и две опоры были определены как дискретные твердые тела. Две опоры были определены как фиксированные граничные условия, в то время как индентор мог перемещаться вертикально. Установлены универсальный контакт с тангенциальным коэффициентом трения 0,1 и нормальный «жесткий» контакт [51]. Ограничение MPC было установлено между индентором и контрольной точкой, и нагрузка вертикального смещения была применена в контрольной точке. Модель конечных элементов квадратной трубы из углепластика, заполненной алюминиевой пеной, показана на рисунке 6.

4. Аналитическая модель

4.1. Упрощение определяющего уравнения для квадратной трубы из углепластика

Для описания деформации квадратной трубы из углепластика в качестве общих координат и начала координат использовалась декартова система координат ( x , y , z ). находился в центре тяжести поперечного сечения; криволинейная система координат ( z , s , n ) использовалась в качестве локальных координат, а начало координат располагалось на средней линии поперечного сечения; n представляет собой нормальное направление плоской линии, а s — тангенциальное направление средней плоскости, как показано на рисунке 7.

Трехмерное определяющее отношение любого отдельного слоя для углепластика выглядит следующим образом: где представляет трехмерный коэффициент жесткости во внеосевой системе координат.

Компоненты напряжения вне поперечного сечения ( σ _n , σ _s и τ _sn ) были намного меньше, чем компоненты напряжения в плоскости ( σ _z , τ _nz и τ _sz ), где можно принять, что σ _n = 907 = τ _sn = 0.Следовательно, уравнение (16) можно упростить следующим образом:

Формулы для расчета трехмерного преобразованного коэффициента жесткости в уравнении (17) были следующими.

представляет собой двумерную преобразованную компоненту модуля в классической теории ламината:

4.2. Расчет жесткости на изгиб квадратной трубы из углепластика, заполненной алюминиевой пеной

Согласно теории деформируемых сдвигом балок [14–17], эквивалентная матрица жесткости квадратных труб из углепластика с использованием ортогональной укладки была следующей: где N _z — осевая сила; M _x , M _y и M _z — изгибающие моменты вокруг осей x , y и z соответственно; — бимомент, создаваемый нормальным напряжением кручения; V _x и V _y — поперечные силы в направлениях x и y соответственно; u , и — смещения по координатным осям x , y и z соответственно; θ _x ( z ), θ _x ( z ) и φ ( z ) — углы поворота вокруг осей координат x y и z соответственно; и u ₀ ( z ), ( z ) и ( z ) — смещения твердого тела в трех направлениях.

Жесткость на изгиб ( K _b ) квадратов из углепластика может быть получена: где ϕ — это угол между n и направлениями x и A ij , B _ij и D _ij — это коэффициенты жесткости в плоскости, коэффициенты жесткости соединения и коэффициенты жесткости на изгиб в классической теории ламината, соответственно.

A _ij , B _ij и D _ij можно получить по следующей формуле расчета:

Согласно принципу суперпозиции квадратных труб из углепластика, заполненных алюминиевой пеной, выражается следующим образом.

можно получить по следующей формуле расчета: где можно получить по следующим формулам расчета: где представляет собой угол ориентации волокна квадратной трубы из углепластика.

Жесткость на изгиб ( K _b ) квадратов из углепластика, заполненных алюминиевой пеной, может быть получена: где E _f — модуль упругости алюминиевой пены, а b _f представляет собой длину стороны алюминиевой пены.

5. Результаты и обсуждение

5.1. Кривая нагрузки-прогиба и распределение деформации

На рисунке 8 показаны типичные кривые прогиба-нагрузки для алюминиевой пены (AF-1), полой квадратной трубы из углепластика (HT-1) и квадратной трубы из углепластика, заполненной алюминиевой пеной (FT-1). в испытаниях на трехточечный изгиб.Все кривые можно разделить на две отдельные стадии, известные как стадии начального упругого изгиба и изгибного схлопывания, соответственно. Взяв в качестве примера кривую AF-1 (синяя кривая на рисунке 8), на этапе упругого изгиба изгибающая нагрузка увеличивалась, пока не достигла пикового значения 1329 Н при прогибе 2,75 мм (точка A ₁ ), а затем постепенно уменьшалась с увеличением прогиба, пока образец не разрушился полностью. Кривая HT-1 (красная кривая на рисунке 8) несколько отличалась от кривой AF-1.Изгибающая нагрузка достигла пикового значения 4 776 Н при прогибе 1,88 мм (точка H ₁ ), затем колебалась после этого пикового значения и, наконец, резко снизилась до более низкого уровня плато. Кривая прогиба нагрузки FT-1 (черная кривая на рисунке 8) была аналогична кривой HT-1 на начальной стадии упругого изгиба. Когда прогиб составил 2,21 мм, нагрузка достигла первого пикового значения 7 426 Н (точка F ₁ ). Отличие было в том, что при изгибе прогиб FH-1 достигал 7.44 мм, изгибающая нагрузка снова выросла из-за эффекта взаимного сцепления боковой стенки квадратной трубы из углепластика и алюминиевой пены; затем изгибающая нагрузка быстро уменьшалась и, наконец, поддерживалась на более высоком уровне плато.

Сравнивая кривые HT-1 и FT-1, становится ясно, что FT-1 всегда был выше HT-1, что показало, что квадратная трубка из углепластика, заполненная алюминиевой пеной, имеет лучшую несущую способность и поглощение энергии. эффективность, чем у полых квадратных труб из углепластика.Из рисунка 8 и таблицы 1 видно, что несущая способность алюминиевой пены была очень низкой, а пиковое значение было менее 2000 Н, что было намного ниже, чем у квадратной трубы из углепластика. Когда алюминиевая пена была заполнена квадратной трубкой из углепластика, пиковая нагрузка ( P _и ) и поглощение энергии (EA) заполненной квадратной трубы из углепластика могут быть значительно увеличены. Результаты показали, что после заполнения квадратной трубы из углепластика алюминиевой пеной во время испытания на изгиб произошло сильное и эффективное взаимодействие, которое может улучшить механические свойства при изгибе квадратной трубы из углепластика.Интересно отметить, что, хотя пена алюминия была своего рода слабым и легким наполнителем, она способствовала повышению несущей способности и поглощению энергии всей конструкции.

Полное распределение деформации HT-3, контролируемое при нагрузке 2000 Н, сравнивалось с результатами моделирования, как показано на Рисунке 9. Положительная деформация в направлении X ε _xx (вдоль оси квадратной трубы из углепластика) была относительно небольшой, и тенденция распределения симметрии была очевидна, как показано на рисунках 9 (а) и 9 (б); деформация сдвига , _xy имела лучшее распределение антисимметрии, как показано на фиг.9 (c) и 9 (d); положительная деформация в направлении Y _yy (вдоль вертикальной оси квадратной трубы из углепластика) имела лучшее распределение симметрии, как показано на рисунках 9 (e) и 9 (f).Из распределения деформации в полном поле видно, что концентрация деформации существует в положении индентора и опор. Кроме того, из-за анизотропии углепластика, распределение деформации во всем поле квадратной трубы углепластика, очевидно, отличалось от такового при типичном трехточечном изгибе. Из рисунка 9 видно, что распределение деформации по МКЭ хорошо согласуется с тенденцией распределения деформации и значением деформации, вычисленным с помощью 3D-DIC, а разница вблизи индентора и опор была большой из-за «сингулярности».”

5.2. Механизм разрушения

На рисунке 10 показан типичный процесс разрушения алюминиевой пены (AF-1), полой квадратной трубы из углепластика (HT-1) и квадратной трубы из углепластика, заполненной алюминиевой пеной (FT-1), при различных изгибах ( d ). Типичные характеристики повреждения алюминиевой пены заключаются в том, что трещины постепенно распространяются от нижней поверхности (поверхность натяжения) к верхней поверхности (поверхность сжатия), слои ячеек алюминиевой пены сжимаются друг к другу на верхней поверхности, а слои ячеек растягиваются. на нижней поверхности, как показано на Рисунке 10 (а).Это связано с тем, что предел прочности ячеек из алюминиевой пены ниже, чем сопротивление сжатию.

Рисунок 10 (b) показывает эволюцию повреждений полой квадратной трубы из углепластика (HT-1), включая вмятины, коробление, пластмассовые шарниры и выпуклость деформации. Следует отметить, что в HT-1 были разработаны пластмассовые шарниры с увеличением прогиба при изгибе, которые допускали большую деформацию без выхода из строя [52]. Верхняя стенка квадратной трубы из углепластика была изогнута за счет сжатия, а нижняя стенка изогнута за счет растяжения.В зоне контакта между индентором и верхней стенкой наблюдалась большая концентрация напряжений, а затем в верхнем углу образовалось большое количество микротрещин, что привело к повреждению сжатия смолы и разрушению волокна в углу. Из-за комбинированного эффекта выдавливания индентора и напряжения сдвига боковой стенки квадратной трубы из углепластика верхний угол начал раздавливаться. При дальнейшем увеличении прогиба трещины постепенно распространялись от верхнего угла к нижнему углу в направлении, перпендикулярном оси трубы, и в конечном итоге боковая стенка квадратной трубы из углепластика подверглась деформации выпуклости вне плоскости.Поскольку прочность на сжатие углепластика обычно была значительно ниже предела прочности на разрыв, повреждение сначала произошло на верхней стенке квадратной трубы углепластика и постепенно распространилось на нижнюю стенку. Процесс развития повреждений квадратной трубы из углепластика, исследуемый в этой статье, согласуется с результатами из других литературных источников [11, 53].

Квадратная труба из углепластика, заполненная алюминиевой пеной (FT-1 на рис. 10 (c)), демонстрирует более сложный процесс развития повреждений, включая вдавливание, коробление, пластиковые шарниры, взаимодействие при сдвиге, разрушение сердечника и деформацию выпуклости.Механизм разрушения внешней квадратной трубы из углепластика (FT-1) был аналогичен механизму разрушения полой квадратной трубы из углепластика (HT-1), как указано выше. Из-за ограничений квадратной трубки из углепластика сердцевина из алюминиевой пены возле индентора не претерпела явных местных деформаций. Поскольку межфазное соединение между квадратной трубкой из углепластика и сердцевиной из пенопласта было разрушено после деформации изгиба, наблюдался узкий зазор с увеличением прогиба при изгибе, что позволило проскальзывать между сердцевиной из пенопласта и квадратной трубкой из углепластика, особенно на два конца образца, как показано в областях кружков на рисунке 10 (c).

На рисунке 11 показаны четыре вида разрушения (т.е. растяжение волокна, сжатие волокна, растяжение матрицы и сжатие матрицы) квадратной трубы из углепластика, заполненной алюминиевой пеной, полученной методом конечных элементов, когда нагрузка достигла предельной нагрузки. Как можно видеть, локальная деформация и вдавливание внешней квадратной трубы из углепластика начали происходить с увеличением прогиба при изгибе, и концентрация напряжений в областях контакта индентора и двух опор была наиболее серьезной.

На рисунке 12 показаны облака напряжений внешней квадратной трубы из углепластика и внутренней алюминиевой пены при различных изгибающих нагрузках ( F ) и прогибах ( d ).После предельной нагрузки область верхней стенки вблизи индентора начинала схлопываться, а области боковых стенок вблизи индентора испытывали внеплоскостную выпуклую деформацию с увеличением прогиба изгиба. Наблюдается, что области, заштрихованные более красным цветом, указывают на более серьезную деформацию и концентрацию напряжений, и часть разрушающего элемента была удалена. Сердцевина из вспененного алюминия претерпела общую деформацию изгиба и местную пластическую деформацию. Наружная квадратная труба из углепластика и внутренняя алюминиевая пена были дегуммированы и смещены из-за непоследовательной деформации внешней и внутренней конструкции.

5.3. Влияние наполнителя из алюминиевой пены

Предельная нагрузка ( P _u ) и жесткость на изгиб ( K _b ) квадратных труб из углепластика, заполненных алюминиевой пеной, были рассчитаны с помощью численной модели и аналитических расчетов. модели, соответственно, и сравнили с экспериментальными результатами, как показано в Таблице 4. Средняя ошибка предельной нагрузки ( P _u ) между экспериментальными значениями и расчетными значениями с помощью численной модели составляла 4.81%, что доказало справедливость конечно-элементной модели. Средняя ошибка жесткости на изгиб ( K _b ) между экспериментальными значениями и расчетными значениями с помощью аналитической модели составила 4,47%, что может соответствовать требованиям точности инженерного приложения.

Таблица 130009

показать сравнение характеристик несущей способности, жесткости и поглощения энергии между алюминиевой пеной, полой квадратной трубкой из углепластика и квадратной трубкой из углепластика, заполненной алюминиевой пеной. Видно, что предельная нагрузка ( P _u ), жесткость на изгиб ( K _b ) и поглощение энергии (EA) чистой алюминиевой пены составили всего 1332 Н, 9 378205 Н · м ² и 9.9 Дж соответственно; однако P _u , K _b , а EA квадратных труб из углепластика, заполненных алюминиевой пеной, достигло 7 899 Н, 1773 406 879 Н · м ² и 99,4 Дж. увеличивается примерно на 69,0%, 2,4% и 111,9% по сравнению с полыми квадратными трубками из углепластика из-за эффекта наполнителя из пенопласта. Кроме того, удельная предельная нагрузка ( P _{u / m} ), удельная жесткость на изгиб ( K _{b / m} ) и удельное поглощение энергии (SEA) квадратных труб из углепластика, заполненных алюминием. (72.3 Н / г, 16,251,334 (Н · м ² ) / г и 0,91 Дж / г соответственно) немного снизились примерно на 32,2%, 58,9% и 15,0% по сравнению с полыми квадратными трубками из углепластика (106,7 Н / г, 39 517 345 (Н · м ² ) / г и 1,07 Дж / г, соответственно).

В других исследованиях, перечисленных в таблице 5, было проведено всестороннее сравнение поведения при изгибе заполненной квадратной трубы из углепластика с некоторыми традиционными тонкостенными конструкциями. Лю и др. [53] провели испытания на изгиб пустых квадратных труб из углепластика и квадратных труб из углепластика, заполненных алюминиевыми сотами, и обнаружили, что EA заполненных труб из углепластика составляет 32.На 6% выше, чем полые трубы из углепластика. Алюминиевые трубы, как разновидность традиционных тонкостенных конструкций с отличными характеристиками, привлекли к себе большое внимание. Shojaeifard et al. [54] провели эксперименты и численное моделирование для изучения поведения изгиба пустых и заполненных пеной алюминиевых труб с различным поперечным сечением (эллиптическим, квадратным и круглым), и они обнаружили EA эллиптических, квадратных и круглых заполненных пеной пробирки были на 22,5%, 17,0% и 38,2% выше, чем пустые алюминиевые пробирки, соответственно.Результаты сравнения показали, что, хотя пена алюминия была довольно слабой как своего рода легкий наполнитель, она может эффективно улучшить поглощение энергии заполненной структурой при изгибающей нагрузке.