Tính toán chính xác vật liệu để gia công các kết cấu dàn, tấm vỏ

- Trình bày đầy đủ khái niệm về dàn, kết cấu tấm vỏ.- Trình bày rõ các công thức liên quan đến việc tính toán kết cấu dàn, tấm vỏ - Mô tả các ứng suất biến dạng khi hàn tấm vỏ và biện ph

BÀI 5: TÍNH TOÁN KẾT CẤU

DÀN, TẤM VỎ

- Trình bày đầy đủ khái niệm về dàn, kết cấu tấm vỏ.

- Trình bày rõ các công thức liên quan đến việc tính toán kết cấu dàn, tấm vỏ

- Mô tả các ứng suất biến dạng khi hàn tấm vỏ và biện pháp chống ứng suất và biến dạng khi hàn tấm vỏ

- Tính toán chính xác vật liệu để gia công các kết cấu dàn, tấm vỏ

Vận dụng kiến thức tính toán vào thực tế sản xuất linh hoạt.Thực hiện tốt công tác an toàn và vệ sinh phân xưởng

I.Mục tiêu của bài:

II Nội dung bài

1: Khái niệm về kết cấu dàn, tấm vỏ.

1.1: Khái niệm về dàn

Một hệ thống các thanh liên kết lại với nhau ở các đầu mút bằng các khớp bản lề và bất biến về hình dáng hình học được gọi là một dàn bản lề Hệ thống được coi là bất biến nếu như dưới tác dụng của ngoại lực mà chuyển vị của các điểm của nó chỉ là biến dạng đàn hồi

Ba thanh nối bản lề như hình vẽ (a) chính là một dàn phẳng bất biến Bốn thanh nối với nhau như hình vẽ (b) gọi là một cơ cấu

Gọi số thanh của hệ dàn là i và số khớp là k thì số thanh thêm vào (ngoài số thanh của tam giác cơ sở) sẽ là i – 3 và số khớp thêm vào cũng là k – 3.

Do việc cấu tạo dàn được thực hiện bằng cách thêm vào tam giác cơ sở hai thanh và một khớp nên ta có:

i – 3 = 2 (k – 3)Rút ra: i = 2k – 3

Đó là điều kiện để cho hệ thống

không thay đổi hình dáng hình học

Đối với dàn đơn giản đó cũng là

điều kiện cần và đủ

Dàn liên kết bằng hàn không phải là dàn bản lề Song các

nghiên cứu thực nghiệm đã chứng minh được rằng sự phân bố lực trong các thanh của dàn hàn không khác biệt nhiều so với sự phân bố ứng lực trong các dàn ghép bằng bu lông – bản lề

Vỡ vậy khi tính toán các dàn hàn được coi như là một hệ thống của bản lề, như vậy việc tính toán sẽ đơn giản hơn và kết quả cũng đủ chính xác Các điểm nối các thanh của dàn được

gọi là các nút

Từ một hình tam giác cơ sở ta có thể lập lên một hệ thống dàn bất biến bằng cách cứ thêm hai thanh với một nút

Các loại dàn tĩnh định được dùng rất rộng rãi trong thực

tế Ta tìm điều kiện để cho dàn là tĩnh định

Trong hệ có i thanh nên cũng có bằng ấy lực chưa biết.

Đối với mỗi nút của dàn có thể viết được hai phương trình cân bằng để xác định các lực chưa biết trong thanh:

Nếu số nút trong dàn là k thì ta sẽ có 2k phương trình Từ đó ta

có thể xác định được các lực chưa biết trong thanh và các phản lực gối tựa Như vậy nếu số lượng thanh của dàn là 2k – 3 thì dàn đó là dãn tĩnh định Khi đó điều kiện cần thiết để dàn

không thay đổi hình dáng hình học trùng với điều kiện tĩnh

định của dàn là nó có 3 thanh liên kết với gối tựa (hai thanh với một gối tựa bản lề cố định “hai liên kết đơn” còn một thanh với gối tựa bản lề di động “một liên kết đơn”)

Nếu như dàn có số thanh i > 2k – 3 thì ứng lực trong tất cả các thanh của dàn không xác định được bằng phương pháp tĩnh định (Hình vẽ a) Nó là dàn siêu tĩnh.

Trong trường hợp này phải dùng phương trình biến dạng đàn

hồi Cần chú ý là khi số thanh của dàn i = 2k – 3 nhưng số gối tựa có liên kết đơn quá 3 thì cũng là dàn siêu tĩnh (hình vẽ b)

Về mặt kết cấu vỏ tàu , trên tàu phân bố thành 3 vùng khác nhau: vỏ vùng mũi tàu, vỏ vùng đuôi tàu và vỏ thân tàu Vỏ vùng mũi là kết cấu dạng tấm vỏ được tạo thành nhờ liên kết hàn giáp mối các tấm thép có chiều dày lớn Vỏ thành tàu là kết cấu dạng tấm phằng, chịu lực ép của nước là chính Do có

hệ thống khung xương bên trong nên vỏ vùng này có chiều dày không lớn Ngoài ra, quan trọng nhất trong vỏ tàu khu vực thành tàu này là kết cấu vùng đáy đôi Đây là phần kết cấu

phức tạp nhât trong toàn bộ vỏ tàu Kết cấu đáy: Dạng kết cấu

tạo ra 2 đáy là kết cấu dạng tấm vỏ chịu lực gồm có 2 phần đáy trên: hoàn toàn là dạng tấm vỏ phẳng được tạo thành bằng cách hàn giáp mối các tấm phẳng lại với nhau Đáy dưới kết cấu tấm

vỏ theo biên dạng phần dưới là dạng tấm phẳng hàn với kết cấu cung hông biên dạng trụ tròn

Về kết cấu tấm vỏ thùng chứa, tuỳ theo đặc tính làm việc và

dung tích của thùng mà nó có nhiều loại kết cấu khác nhau như

có thân hỡnh trụ đáy tròn phẳng, đáy đa giác hay đáy tròn, ê líp được dập lồi

ở đây ta chỉ xét đến trường hợp thùng chứa có dung tích lớn có đáy phẳng và thân là hỡnh trụ tròn Dạng kết cấu này là hợp lý

cả về phương diện độ bền và phương diện công nghệ chế tạo nó Đối với các thùng có dung tích lớn thường được chế tạo từ thép cacbon thấp hay thép hợp kim thấp

a) Xác định ứng lực trong các thanh bằng phương pháp tách nút

và phân ly dàn, thay thế các thanh bằng các lực với điều kiện là phần

cắt cân bằng, ứng lực kéo được coi là dương Giả sử sau khi giải các

phương trỡnh tĩnh để tỡm các lực chưa biết mà lực mang dấu âm thỡ

điều đó chứng tỏ dấu ban đầu của lực ta chọn sai Việc xác định ứng lực bằng phương pháp tách nút thuận tiện trong các trường hợp sau:

+ ở mỗi nút có hai thanh thỡ ứng lực được tỡm từ các phương trỡnh

Σ x = 0 và Σ y = 0 (hỡnh vẽ a).

+ ở nút có ba thanh mà hai thanh trong đó chỉ có chiều khác nhau thỡ ứng lực trong ba thanh này được xác định bằng cách chiếu tất cả lên phương y vuông góc với thanh 1 và 2 (hình vẽ b).

Nếu ở nút có 3 thanh mà 2 thanh nằm dọc nối tiếp nhau, khi

không có ngoại lực tác dụng thỡ ứng lực ở thanh thứ ba bằng

không (hình vẽ) khi chiếu tất cả các lực lên phương y vuông góc với thanh 1 và 2 thì thấy Σy = 0 nên ứng lực dọc ở thanh 3: N3 = 0

x

x y

y

Khi xác định các ứng lực trong các thanh của dàn bằng phương pháp cắt nó thỡ cần phải lập các phương trỡnh cân bằng dưới

Nếu các thanh bị cắt song song với nhau như thanh 01 và 0’1’ (hình vẽ b) thỡ giao điểm sẽ ở vô cùng Khi đó hệ phương trỡnh tĩnh sẽ viết như sau:

ΣM0 = 0 ; ΣM1 = 0 ; Σy = 0

Mỗi phương trình chỉ chứa một thành phần chưa biết.

b) ý nghĩa của việc xác định ứng lực trong các thanh của dàn đối với quá trỡnh công nghệ hàn:

* Từ kết quả của quá trỡnh tính toán ta thấy lực phân bố trên các thanh biên của dàn tăng dần từ gối tựa đến khung giữa nên có thể bố trí tiết diện của thanh biên cũng tăng dần từ gối tự đến khung giữa.

* ứng lực trong các thanh giằng giảm dần từ gối tựa đến khung giữa nên có thể bố trí các thanh giằng có tiết diện giảm dần (ngược với thanh

c Tính toán độ bền các nút của dàn:

*) Các yêu cầu chung:

Việc thiết kế hợp lý các nút của dàn phải đảm bảo các yêu cầu sau:

-Trục của các thanh liên kết phải cắt nhau tại một điểm và là tâm của nút.

- Cần phải đảm bảo khả năng đặt các mối hàn sao cho việc hàn các thanh giằng và trụ với biên được chính xác và thuận tiện cho việc thực hiện các mối hàn.

*) Tính mối hàn (nút dàn như hình vẽ).

Để các thanh của dàn cùng nằm trên một mặt phẳng thì bản nối liên kết với thanh biên bằng các mối hàn lấp góc Chiều dài mối hàn được tính như sau:

Việc tính toán gần đúng mối hàn nối tấm nối với biên có thể thực hiện bằng cách chiếu Tại nút thỡ Σ Y = 0, do đó ứng lực trong các thanh giằng cần phải có dấu khác nhau Trên hình giả sử N1 là ứng lực kép thì N2

là ứng lực nén Từ điều kiện Σ X = 0 ta rút ra kết luận là mối hàn ngang

chịu ứng lực cắt bắng:

Phần thân hình trụ tròn gồm một số đoạn ống được ghép lại với nhau bằng các mối hàn Chiều cao của từng đoạn ống phụ thuộc vào chiều rộng của mỗi tấm ghép (từ 1250 đến 1600mm) Trên mỗi đoạn ống là một số tấm thép được nối lại cho đủ chu vi của tấm bằng các mối hàn giáp mối gọi là các mối hàn dọc song song với trục của thân thùng.

Các đoạn ống được ghép với nhau bằng các mối hàn ngang sao cho các mối hàn dọc so le với nhau như trên hình vẽ.

Để thuận tiện cho việc chế tạo phần trụ của thùng được thiết kế: các đoạn ống dưới có chiều dày lớn hơn được hàn giáp mối với nhau (hình vẽ b), các đoạn ống trên có chiều dày nhỏ hơn thì hàn chồng (hình vẽ c) Khoảng

chồng lên nhau là a ≥ 4S nhưng không nhỏ hơn 25mm Mối hàn chồng phía ngoài thì hàn liên tục còn phía trong hàn gián đoạn.

Chiều dày của vỏ được thiết kế thay đổi theo chiều cao để phù hợp với độ bền tính toán Các mối hàn dọc chịu lực chủ yếu, chiều dày của vỏ thùng quyết định độ bền của chúng.

Để tính được chiều dày của vỏ thùng trước hết cần xác định áp lực bên trong của thùng ở từng độ sâu nhất định.

- áp lực bên trong của thùng ở độ sâu

y được xác định theo công thức:

p = ρ yTrong đó: ρ - là trọng lượng của

đơn vị thể tích chất lỏng (kN/cm3)

y – là độ sâu của lớp ta xét so với mặt thoáng phẳng nằm

ngang (cm)

- Xác định ứng suất trong một vành tròn cắt từ vỏ ra có chiều rộng là 1 (hình vẽ) Cắt vành bằng mặt phẳng qua tâm và tại chỗ cắt đặt các lực:

ứng suất trong vành là:

σ = pR ≤ [σk’ ]

S

[σk’ ]– ứng suất kéo cho phép trong mối hàn (kN/cm2)

R – bán kinh của thân thùng (cm)

p – là áp lực được xác định theo công thức đã nói ở trên tại điểm cách mép dưới của đoạn ống là 300mm để phù hợp với các điều kiện kỹ thuật (cách mặt thoáng phẳng một đoạn y)

Từ đó ta tính được chiều dày cần thiết của đoạn ống mà ta xét:

Trong trường hợp ứng suất tính toán

lớn hơn ứng suất cho phép thì cần

thiết phải vá thêm một miếng nhằm

tăng tiết diện chịu lực tại vị trí có

khoét lỗ Miếng vá được biểu thị trên

hình vẽ

b Đáy thùng:

Thùng có đáy phẳng thường đặt trên nền cát hay xi măng vì vậy trong quá trình làm việc hầu như đáy không chịu lực Đáy được chế tạo

từ thép tấm có chiều dày từ 4 đến 8 mm và phụ thuộc vào đường kính

của thùng Đối với những thùng có dung tích lớn thì ở phía ngoài biên

của đáy dưới vách đứng của thùng ta dùng những tấm thép có chiều dày lớn hơn một chút so với phần giữa của đáy Kết cấu của đáy có thể là lát phẳng hay xếp chồng (khi đáy mỏng) Mối liên kết giữa phần trụ của

thân thùng và tấm đáy là phần quan trọng vì tại chỗ nối xuất hiện mô

men uốn M Trị số của mô men phụ thuộc vào chiều dày của vách đứng, đáy và chiều dài phần nhô ra khỏi vách của tấm đáy Phạm vi ảnh hưởng của mô men uốn này tương đối hẹp, có thể tính theo lý thuyết vỏ mỏng không mô men Mặt khác mối liên kết giữa phần trụ và đáy là 2 mối hàn liên tục trong và ngoài nên đã đủ đảm bảo độ bền vỡ vậy thường đối với các mối hàn này không phải kiểm nghiệm bền.

c Nắp thùng:

Nắp thùng thường có trụ giữa và có khung có dạng tam giác hay hỡnh thang Khung gồm hai thanh hướng kính và một số thang ngang hàn lại với nhau Các thanh của khung có thể là thép cán hỡnh chữ T,

U hay thép thanh (hình vẽ)

b

Biên ngoài của khung thì hàn với vỏ còn

biên trong thì tựa lên trụ trung tâm Thép

bọc nắp có chiều dày 2 – 3mm Khung nắp

chịu tải trọng thẳng đứng do những người

làm việc trên nắp và góc nghiêng của nắp

Các tấm làm nắp khi tính toán độ bên coi

như bị ngàm cả chu vi và lấy gần đúng

Trong đó: q – tải trọng gây ra do tự trọng (kN/cm2)

α - hệ số phụ thuộc vào tỷ lệ giữa a và bKhi a = b thì α = 0,192 ; khi a = b/2 thì α = 0,407

S – chiều dày của tấm (cm)

Đối với các loại thùng có dung tích không lớn thì khung nắp

không cần làm trụ giữa để công nghệ sản xuất đơn giản hơn

Trong một số trường hợp người ta làm đáy thùng có dạng chỏm cầu Đối với những thùng chịu áp suất cao thỡ đáy thùng được dập lồi và thay các mối hàn lấp góc bằng mối hàn giáp

mối

Đối với các thùng chứa chất lỏng được di chuyển thường xuyên trên các phương tiện vận tải như: ô tô, tàu hoả … thường được chế tạo theo kiểu thân thùng đặt nằm, có đáy là hình tròn hay elíp được dập lồi

Bài tập thực hành: Cho nút dàn như hình vẽ :

Hãy xác định kích thước của các mối hàn để kết cấu có tuổi thọ tối ưu.(nghĩa là các mối hàn phải có tuổi thọ ngang với kim loại cơ bản) Biết vật liệu có: σT = 24 kN/cm 2 Hàn bằng que hàn chất lượng thường.

Bài tập thực hành: Cho nút dàn như hình vẽ:

Xác định chiều dài các mối hàn của thanh giằng với bản nối để kết cấu có tuổi thọ tối ưu? Sử dụng phương pháp hàn hồ quang tay với que hàn vỏ thuốc

Biết vật liệu là thép cacbon có: бT = 24kN/cm2

Bài tập thực hành: Cho nút dàn như hình vẽ:

Xác định chiều dài các mối hàn của thanh giằng với bản nối để kết cấu có tuổi thọ tối ưu? Sử dụng phương pháp hàn hồ quang tay với que hàn vỏ thuốc

Biết vật liệu là thép cacbon có: бT = 22kN/cm2

3: Ứng suất và biến dạng khi hàn kết cấu tấm vỏ.

Ứng suất và biến dạng là một trong những nhược điểm phát sinh lớn nhất của liên kết hàn Khi hàn, các phần tử của liên kết hàn bị nung nóng không đồng đều đến nhiệt độ cao, gây ra ứng suất và biến dạng Tùy theo mức độ truyền nhiệt và cân bằng nhiệt độ, các loại ứng suất và biến dạng sinh ra cũng khác nhau

Chi tiết tấm vỏ là cụm chi tiết tấm phẳng được chế tạo từ các

tấm thép phôi có độ dày lớn Dạng liên kết hàn được sử dụng ở

đây là liên kết hàn giáp mối, ngoài ra không có liên kết khác

Ta có thể thấy rằng ứng suất và biến dạng xảy ra khi hàn cụm chi tiết này chủ yếu là tính toán ứng suất và biến dạng xảy ra khi hàn các tấm phẳng với nhau Khi hàn các tấm phẳng với nhau liên kết hàn chính là các liên kết hàn giáp mối với các đường hàn dài, ứng suất và biến dạng sinh ra theo hai hướng: Ứng suất biến dạng theo phương dọc trục mối hàn và vuông góc với trục mối hàn

Từ đó ta rút ra việc tính toán ứng suất và biền dạng lúc này trở thành việc tính toán 2 bài toán lớn:

Bài toán 1: Ứng suất và biến dạng dọc do co dọc gây ra khi hàn: là loại ứng suất và biến dạng sinh ra do khi hàn lớp tiếp giáp các tấm thép bị nung nóng không đồng đều do khoảng cách từ các lớp, dải kim loại dọc trục mối hàn đến mối hàn không đồng đều Do đó sinh ra hiện tượng co dọc trục mối hàn

Bài toán 2: Ứng suất và biến dạng do co ngang gây ra khi hàn giáp mối các tấm phẳng Bài toán này gồm có 2 phần chính chia thành 2 bài toán nhỏ 2a và 2b:

Bài toán 2a: Tính toán ứng suất và biến dạng do co ngang khi

hàn giáp mối các tấm

Bài toán 2b: Tính toán biến dạng góc do co ngang trong liên kết

hàn giáp mối các tấm

Quá trình ứng suất được mô tả như sau:

Trong khi hàn : Ta coi các tấm có cấu tạo là các dải liên

tục song song với trục mối hàn Khi hàn, các dải bị nung nóng không đồng đều, dẫn tới hiện tượng các dải ở gần nguồn nhiệt không thể dãn nở tự do cho phù hợp với trạng thái nhiệt của chúng do bị các dải, các thớ kim loại lân cận giữ lại Do đó, trong các thớ ở gần nguồn nhiệt chịu tác động của ứng suất nhiệt sẽ sinh ra hiện tượng bị nén nên ứng suất lúc này các thớ này chịu là ứng suất nén dọc trục mối hàn.Còn các thớ, các dải kim loại nằm ngoài vùng ứng suất tác động thì do liên kết với các thớ, dải nằm trong vùng ứng suất nhiệt tác động nên sinh ra ứng suất phản kháng lại Lúc này chúng bị kéo sinh ra ứng suất kéo

Khi hoàn thành mối hàn : Sau khi hàn xong, tấm kim

loại bắt đầu nguội, khi nguội hoàn toàn, các dải kim loại nằm trong vùng ứng suất tác động không còn bị nguồn nhiệt tác động nữa, chúng co lại nhưng không thể co lại một cách tự do được do các dải kim loại ở gần nó giữ lại Lúc này chúng bị kéo, do đó sinh ra ứng suất dư dọc mối hàn lúc này là ứng suất kéo Các dải kim loại nằm ngoài vùng ứng suất tác động bị tác động co lại theo phương dọc trục mối hàn nên bị nén vào Trong các dải này sinh ra ứng suất dư là ứng suất nén Biến dạng lúc này là co dọc trục mối hàn Ở đây, ta đi tính toán lượng

co dọc này.

Xác định vùng ứng suất tác động b n :

Vùng ứng suất tác động bao gồm cùng kim loại mối hàn và vùng kim loại

cơ bản nằm bên cạnh nó chịu tác động của nguồn nhiệt hàn khi thực hiện liên kết hàn Sơ đồ như hình vẽ.

Sơ đồ tính vùng ứng suất tác động bn Vùng ứng suất tác động bao gồm 2 vùng nhỏ : b1 và b2 Ta có thể tính

độ lớn của 2 vùng này theo công thức đã có

h – Chiều rộng tính toán của tấm, cm.