Константин Владимирович Ефанов
Расчет рам и платформ на нагрузку, перпендикулярную плоскости рамы
Введение
В практике часто возникает необходимость ручных расчетов на прочность плоских рам, сваренных из стержней металлопроката (прямоугольные пластины, швеллеры, двутавры) от действия нагрузки, приложенной перпендикулярно плоскости рамы. Примерами таких рам являются решетка катализатора в аппаратах нефтепереработки (реакторах и сепараторах), рамах аппаратов в блочном исполнении (аппараты, обвязка и арматура расположены на одной несущей раме, конструкция не относится к объектам капитального строительства), железнодорожных платформах.
В учебной литературе по сопротивлению материалов и строительной механике показан только расчет плоских рам от действия нагрузок, лежащих в плоскости рам и отсутствует методика расчета на нагрузку, приложенную перпендикулярно плоскости рамы. Для того, чтобы применить знания сопротивления материалов для самостоятельной записи выкладок расчета на перпендикулярную нагрузку, необходимо глубокое знание и умение применить расчетные формулы. Это является достаточно трудоемким. Назначение настоящей работы состоит в представлении такой методики для возможности е быстрого применения для расчета рам.
Плоская рама является стержневой системой, т.е. состоящей из тонкостенных стержней конструкцией. Расчет рамы состоит в расчете тонкостенной стержневой системы. Для строительных металлоконструкций расчет заключается в расчете пространственных стержневых конструкций. Но для строительных конструкций расчет выполняется по предельным нагрузкам, а для машиностроительных изделий по допускаемым напряжениям.
На современной уровне расчеты выполняют методом конечных элементов в специальных компьютерных программах. Строительные конструкции рассчитывают в программах lira, SCAD, Robot и др. В этих же программах можно заложить плоскую раму и выполнит её расчет, но только для рам КМ (конструкций металлических), сваренных из металлопроката. Расчет машиностроительных изделий МКЭ выполняется в программах МКЭ таких как Ansys, SolidWorks Simulation и др. Для расчета таких рам, как рамы платформ, решетки катализатора лучше применять программы МКЭ, предназначенные для расчета машиностроительных изделий. Рама решетки катализатора имеет поперечные балки с прорезями, в которые устанавливаются продольные балки, и такую раму лучше рассчитывать в МКЭ типа Ansys или вручную методом строительной механики (методом сил) или упрощенно методом сопротивления материалов (просто расчет балок на изгиб).
Расчет методом конечных элементов является более теоретически обоснованным по сравнению с методами сопротивления материалов, но последние необходимо знать для понимания поведения конструкции (чувствовать конструкцию) в описании простыми формулами математического аппарата сопротивления материалов. Проектировщик (конструктор) должен иметь представление о распределении напряжений, о виде эпюр усилий и моментов в раме. Для расчетов МКЭ необходимо построение 3D может конструкции, специальные программы, для ручных расчетов достаточно нарисовать схему рамы в тетрадке. Ручной расчет может быть предварительным перед детальным расчетом МКЭ.
В практике автора был случай, когда был доступен только ручной расчет, в том случае это был единственный способ подтвердить прочность конструкции решетки катализатора.
В решетках катализатора нагрузка складывается от действия веса катализатора и действия усилия от давления на поверхность катализатора. Как правило действие давления превышает действие веса катализатора. Например, в случае возможности образования давления в нижней части сепаратора, в верхней части катализатора устанавливают верхнюю решетку для избежание подъёма катализатора так как усилие от давления намного выше усилия веса катализатора на нижнюю решетку (рассматривается подъем всего цилиндрического объема катализатора под действием давления).
Для решеток катализатора расчет заключается в расчете:
– несущих балок на изгиб и кручение с проверкой условия прочности по теории энергетической теории прочности, опирающихся на пояс, приваренный изнутри к обечайке корпуса аппарата;
– решеток катализатора, опирающихся на несущие балки, на которые опирается сетка Джонсона;
– расчете прутьев сетки Джонсона, на которой находится катализатор (или непосредственно или сначала фарфоровые шары для выравнивания потока среды через катализатор).
Для несущих платформ блоков нефтяных аппаратов нагрузка на раму передается при подъеме за строповые устройства от установленного оборудования. Для железнодорожных платформ нагрузка на раму передаётся непосредственно от груза.
Для рам блоков нефтяных аппаратов существует методика расчета рамы по РД 26-18-7-88. Эта методика уступает методике расчета, приведенной в настоящей книге за счет упрощений состоящим в отдельных расчетах на изгиб продольных балок и последующих расчетах поперечных балок.
Расчет несущих балок выполняется методом сопротивления материалов на основании работы [1] (эта работа является лучшим учебником сопромата с изложением расчета балок и рам). Расчет решеток катализатора является наиболее сложной задачей и выполняется с использованием теории [2] и [3] по примерам, приведенным в работах [4] [5] для железнодорожных платформ, где эти расчеты разработаны в отличии от рам в аппаратах нефтепереработки. Но расчет решеток может быть выполнен упрощенно в случае отсутствия знания строительной механики. Расчет прутьев сетки Джонсона выполняется по модели многопролетной балки по теореме трех моментов по работам [1] и [2].
