Моделирование сварных конструкций помогло инженерам спрогнозировать коробление металла

Коробление конструкций и его последствия

Листовой элемент сварной конструкции может деформироваться по разным причинам, среди которых неравномерная термообработка, остаточные сварочные напряжения, некачественная сборка, влияние внешней нагрузки. Даже небольшая геометрическая невязка приводит к перераспределению напряжений — возникают зоны сжатия и растяжения, могут появляться волны, изгибы, вертикальные выпуклости или впадины. Эти дефекты повышают риск пластической деформации, ухудшают адгезию листа к каркасу, увеличивают вибрации и приводят к преждевременному разрушению.

Роль метода конечно-элементного анализа

Конечно-элементный анализ (КЭА), или метод конечных элементов, позволяет инженерам смоделировать поведение листового элемента уже на стадии проектирования или после монтажа: задать геометрию, выбрать материал, сварные швы, нагрузки и граничные условия, а затем вычислить распределение напряжений, деформаций и выявить зоны риска. 

Промежуточные опоры рельсо-струнного комплекса / © UST Inc.

В исследовании инженеров UST Inc. использовалась модель листового элемента с заданным сварным швом, граничными закреплениями и предварительными остаточными напряжениями. Анализ выявил основные причины коробления: температурные поля, неравномерные зазоры, жесткость сварных связей. Результаты исследования опубликованы в Международном научно-техническом сборнике «Теоретическая и прикладная механика».

Как достичь допустимого уровня коробления: от анализа к решению

После проведения КЭА инженеры UST Inc. предлагают пошаговый подход:

Выполнить измерения геометрии листового элемента (выпуклость/вогнутость) и задать ее в модели. Смоделировать сварную конструкцию, включая состояние остаточных напряжений и граничные условия. Провести анализ, определить влияние каждого параметра: толщины листа, длины шва, интервала закреплений, термонагрузки. На основании результатов пересмотреть конструкцию: уменьшить длину пролета, увеличить количество закреплений, скорректировать режим сварки или добавить корректирующие элементы (например, ребра жесткости, контршвы). После внесения изменений вновь провести КЭА и удостовериться, что максимальные напряжения снижены, а кривая листа приведена к допустимой геометрии. Путевая структура комплекса uST в Шардже (ОАЭ) / © UST Inc.

В исследовании показано, что корректировка технологических параметров на основе созданной модели позволила удержать отклонения профиля в пределах допустимого.

Практическое значение

Для предприятий, работающих с крупноразмерными сварными конструкциями — мостами, эстакадами, корпусами зданий — или занимающихся возведением путевых магистралей, применение КЭА становится не роскошью, а необходимостью. Армирование листов, изменение жесткости креплений, корректировка процесса сварки — все это можно спрогнозировать и проверить на виртуальной модели, прежде чем реализовать на объекте. Это снижает затраты на переделки, увеличивает ресурс и надежность конструкции.

Метод конечно-элементного анализа дает инженерам мощный инструмент для борьбы с кривизной листовых элементов сварных конструкций. Построив модель, выявив причины и скорректировав конструктивные и технологические параметры, можно предотвратить возникновение дефектов, уменьшить напряжения и продлить срок службы металлоконструкции. Опыт белорусских инженеров показывает, что такой сложный дефект, как коробление листа, не станет приговором для конструкций, если применяется системный подход к проектированию и технологии их изготовления.