Міцність зварних сталевих воріт з вертикальними брусками проти перехресних діагональних брусків

Шукайте підказки щодо створення грубої оцінки для наступної проблеми.

Дано дві сталеві ворота однакових розмірів, той самий матеріал - наприклад, все те саме. Різниця лише в тому, що середні частини мають різні структури.

Приклавши деяку силу до верху, ворота почнуть дедалі більше деформуватися, а з деякою силою ворота торкаються землі до місця, де вказує синя стрілка.

Я шукаю приблизну оцінку того, наскільки більше сили потрібно для другого ворота - тобто наскільки "міцнішим" є другий хвірт.

Мені дійсно не потрібен точний розрахунок, але, ймовірно, знадобляться деякі матеріальні дані, тому:

• звичайний сталевий тонкостінний брус (товщина стінки 25 мм х 25 мм х 2 мм)
• кожне з'єднане місце зварене, ми можемо спростити і припустити, що зварні шви точно такі ж міцні, як і сам матеріал
• точки підвісу можуть утримувати нескінченну силу
• та будь-яке інше можливе спрощення - ця проблема не для жодної ракетної науки, а для вирішення вечірньої розмови з другом.

Як сказав grfrazee, ви точно не будете знати, поки не зробите аналіз кінцевих елементів. Мене це питання заінтригувало як колегу, і я вступив у дискусію з цього приводу. Хоча ми обоє погодилися, що діагональне зміцнення буде краще протистояти відхиленню, ми задумалися, який фактор буде кращим.

Ми були дуже цікаві, тому ми вирішили дискусію і зробили швидкий структурний аналіз SkyCiv Structural 3D (можна спробувати безкоштовно протягом одного місяця, якщо хтось цікавиться). На встановлення обох воріт та аналіз їх знадобилося близько години, тому що нам довелося генерувати положення вузлів з нуля. У будь-якому випадку тут є результати лінійного статичного аналізу, які враховують зроблені вами припущення та спрощення. Ми застосували 5 кН точковий навантаження як на F1, так і на F2 і зробили кожну підтримку шпилькою підтримкою у вказаних вами місцях. Зауважте, що в 3D кольорових результатах відхилення на 12 разів більше, ніж фактичне відхилення затвора в обох сценаріях - воно перебільшене, тому ви можете побачити відхилену форму воріт.

Ворота №1

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

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

Ворота №2

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

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

Діагональне зміцнення (ворота №2) явно переможець. Отже, коли обидві ворота піддаються однаковому навантаженню, схоже, що ворота №2 протистоять відхиленню краще (тобто є більш жорстким) на коефіцієнт 4,25 .

Ще кілька цікавих моментів:

• В обох сценаріях є досить високий напруга при згинанні в обох сценаріях ~ 350 МПа.
• Аналіз не враховував самоваги воріт.

Дозвольте також додати, що, мабуть, виникає проблема масштабування діагональної сітки, яку ви намалювали, тому що, коли я моделював її, я виявив, що там набагато менше точок, ніж те, що було запропоновано вашою діаграмою. Я переконався, що паралельний проміжок між кожним ромбом становив 300 мм. Це означає, що діагональ кожного ромба становить приблизно 424 мм. Ваша брама завдовжки 3300 мм, це означає, що близько 8 ромбів повинні поміститися поперек ваших воріт у напрямку x, але ви намалювали біля 12. Просто подумав, я дам вам знати.

Припускаючи, що стики приварені, щоб верхня стулка деформувалася під час її малювання, вертикальні бруски доведеться зігнути у форму "S". Гнучкість при згинанні буде пропорційною кубі довжини, якщо все інше буде однаковим.

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

У нижній стулці діагональні бруски будуть (до першого наближення) нескінченно жорсткішими за вертикальні бруски, оскільки вони носять зсув у діагональному натягу та стисненні, а не в згинанні. Загальна жорсткість була б на порядок у 4 або 5 разів більша (виходячи з 4.6 вище).

Можливо, ви могли б уникнути менше матеріалу в діагональних планках (або тонші бруски, або менше брусків), але більш детальний аналіз - це занадто велика робота вручну та безкоштовно!

Не має значення, чи відповідає інтервал діагональних брусків вертикальним, доки горизонтальні бруски є досить сильними, щоб перерозподілити навантаження між ними.

Якщо жорсткість є єдиним критерієм, у вас також може бути просто зовнішня прямокутна рамка та діагональне підкріплення, без розділів "вертикальних смуг".

Хоча ви досить добре описали свою проблему, я не думаю, що ви збираєтесь знайти задовільну відповідь без необхідності провести досить складний аналіз кінцевих елементів на обох структурах.

Перша структура воріт буде вести себе аналогічно фермі Vierendeel, оскільки у вас всі частини, по суті, пов'язані з моментом.

Друга структура воріт, ймовірно, впаде десь між В'єренделем і традиційним фермою, хоча це, здебільшого, все ще пов'язане з відсутністю реального вирівнювання робочих точок.

Зазвичай крокви деталізовані таким чином, що їх робочі точки (тобто центр дії осьової сили в елементах) збігаються приблизно в одній точці. Це полягає в зменшенні вигину в будь-якому одному елементі, оскільки ексцентриситет приблизно дорівнює нулю.

Другі ворота мають деяку кроквяну дію завдяки алмазному перерізу посередині. На жаль, оскільки робочі точки алмазної секції не відповідають вертикальному / горизонтальному ділянкам, ви втрачаєте частину переваги дії ферми.