SOLVING PROBLEMS BROKEN TENACITY ON MODULAR

SOLVING PROBLEMS BROKEN TENACITY ON MODULAR
MOBILE BRIDGES STRUCTURE
ŘEŠENÍ PROBLEMATIKY LOMOVÉ HOUŽEVNATOSTI NA MODULÁRNÍCH
MOBILNÍCH MOSTNÍCH PROSTŘEDCÍCH
Libor BARAŇÁK 1
Abstrakt ( česky )
Článek pojednávala o řešení problematiky lomové houževnatosti na
mostních
konstrukcích, vyrobených z hliníkových a titanových slitin. V první části jsou popsány
materiály, které se používají na modulární vojenské mosty. V druhé části pojednává o
simulaci lomové houževnatosti na experimentálním vzorku v prostředí ANSYS .
Abstrakt ( anglicky )
Benefit dealt with simulation broken tenacity on dynamically heavy-laden military bridge
structure, deal aluminous and titanium alloys. V forepart is described materials, which with
used on military bridge, from emphasis on modular system. V second parts is imprinting
simulation competitive examinations broken tenacity on experimental figure in environment
ANSYS.
Klíčová slova
Modular bridge, materials, simulation, experimental.
Úvod
Mechanické vlastnosti jsou finální vlastností daného materiálu, které podmiňují jeho
vhodnost pro určenou funkci a použití v praxi. Poznání a zlepšování mechanických vlastností
konstrukčních materiálů je celospolečensky motivované jejich optimálním využitím při
výrobě strojů a zařízení.
Jednou z cest, které umožní lepší využití kovových materiálů, je hlubší poznání jejich
vlastností a chování v složitých podmínkách namáhání. Rozvoj praxe si vynucuje stále vyšší
nároky na vlastnosti konstrukčních materiálů.
Tyto stále rostoucí požadavky na zlepšené a nové vlastnosti materiálů musí být splněné při
zaručení bezpečnosti, spolehlivosti a životnosti vyráběných strojů a strojních zařízení. Týká se
to zejména letecké a automobilové dopravy, tisíců kilometrů tlakových potrubí na ropu a plyn,
tlakových zařízení tepelné a jaderné energetiky, ocelových mostů, lodí, ocelových konstrukcí
budov, stožárů apod., tj. zařízení, u nichž selhání materiálu může mít katastrofální následky
spojené s ohrožením mnohých lidských životů.
I když převážnou většinu katastrof, které ve světě v minulosti vznikly, nezapříčinilo
selhání materiálu, je možné uvést i případy havárií, které byly vyvolané náhlým křehkým
nebo únavovým lomem materiálu stroje nebo konstrukce. Neočekávané havárie konstrukcí se
začali ve světě vyskytovat koncem 19. století. Již v té době se objevují zprávy o
katastrofálních lomech potrubí, plynojemů, nádrží a jiných zařízení.
1
Ing. Libor BARAŇÁK.: Katedra ženijních technologií, Fakulta vojenských technologií Univerzity obrany,
Kounicova 64, Brno, 612 00, ČR, tel.: +420 793442551, e-mail: [email protected].
13. ANSYS Users’ Meeting, 21. – 23.září 2005 Přerov
-1-
Avšak i při těchto častých výskytech křehkých lomů byly ještě dlouho ocelové konstrukce
dimenzovány jen podle hodnoty meze statické pevnosti v tahu. Důkladnější inženýrský
přístup k řešení tohoto problému nastal až po velkém počtu havárií svařovaných lodí v
průběhu 2. světové války. Od listopadu 1942 do dubna 1946 se na 976-ti svařovaných
námořních plavidlech USA objevilo 1442 vážných poškození trhlinami různých velikostí. Do
konce roku 1949 došlo k havárii 11 lodí typu Liberty a 8 tankových lodí jejich úplných
příčným rozlomením na dvě části. Většina těchto lomů vycházela z konstrukčních vrubů a z
defektů ve svarech. Konstrukčními úpravami nosných dílů trupu lodi a vsazením zastavovačů
trhlin v kritických místech se podstatně zredukoval výskyt křehkých lomů. Zkoušky materiálu
lodí ukázaly, že kromě konstrukčních chyb byla jedním z primárních faktorů, které přispěly k
porušení, i nízká kvalita použité oceli.
V historii leteckých katastrof jich značná část nebyla dodnes vysvětlena. I když se při
konstruování letadel klade na výběr a kontrolu materiálu prvořadý důraz, vyskytují se i tady
poruchy materiálové povahy. Dvě anglické letadla typu Comet v 50. letech havarovala při letu
ve velkých výškách. Zjistilo se, že lomy vznikly z velmi malých únavových trhlin
vycházejících z otvorů pro nýty v blízkosti trupu. Podobně vznikaly křehké lomy z
existujících defektů v letadlech typu F-111.
Mezi známé případy porušení ocelových mostů je možné kromě již zmíněného případu v
Belgii uvést porušení konstrukce mostu Kings Bridge v Melbourne v r.1962 křehkým lomem
při teplotě 5°C. K další velké katastrofě došlo 15. prosince 1967 při zřícení mostu Point
Pleasant Bridge v Západní Virginii – tento most se zřítil bez předcházejících příznaků,
přičemž zahynulo 50 lidí.
Se zvyšováním pevnosti kovů se snižuje hmotnost vyráběných zařízení, čímž je
dosahována úspora surovin a energie; růst pevnosti však nezaručuje souběžný růst odolnosti
proti křehkému porušení, spíše naopak. Proto se problém optimálního využití kovových
materiálů musí řešit komplexně s použitím klasické i lomové mechaniky, fyzikální
metalurgie, výpočetní techniky, moderních experimentálních metod.
Cílem studia mechanických vlastností materiálů je jejich stálé zlepšování a možnost
poskytnout konstruktérovi kvantitativní údaje o chování materiálů v různých podmínkách
namáhání na takové úrovni, aby se v maximální míře zabránilo poruchám zařízení
způsobených selháním materiálu.
1 Využití hliníkových a titanových slitin na modulárních vojenských mostech
V zahraničních armádách má používání lehkých slitin dlouhou historii. První použití
lehkých slitin u vojenské techniky bylo použito v roce 1940. Dlouhou historii má v tomto
Velká Británie. Lehké slitiny se používají na korby bojových vozidel, pancíře a mostovky a
mostní díly. Získané poznatky o materiálech těchto mostních prostředků v současné době
platné:
Tabulka 1
Prostředek
Materiál
Biber
AlZn4,5Mg1
M2
AlZn4,5Mg1
Leguan
AlZn4,5Mg1
FSB
AlMg1SiCu
13. ANSYS Users’ Meeting, 21. – 23.září 2005 Přerov
-2-
FFB
AlZn4,5Mg1 AlZnMg-Modif.
M3
AlZn4,5Mg1
PSB2
AlZnMg-Modif.
Ribbon Bridge
AlMg1SiCu
M48 AVLB
Al/Ocel
BR-90
Al4Zn2MgTi6Al4V
PTA
Al6Zn2Mg
Tabulka 2
MLC
BR-90
70
FFB
PSB 2
PTA MODULAR
ASSAULT
BRIDGE
70
70
70
ρ
E
(Mpa) (kg/m3)
Al-4Zn-2Mg 70
2800
Ti-6Al-4V
110
4400
Al-Zn-Mg
70
2780
Al-Zn-Mg
70
2780
2800
Al-6Zn-2Mg 71
Materiál
1.1. Hliníkové slitiny
Hliník a slitiny hliníků patří mezi nejvýznamnější neželezné kovy. Čistý hliník vyniká
velmi dobrou elektrickou vodivostí, dobrou korozní odolností a nízkou měrnou hmotností.
Velmi dobrá zpracovatelnost na plechy, pasy a folie se využívá v obalové technice a na dráty
v elektrotechnice.
Slitiny hliníku můžeme rozdělit podle fázového diagramu na slitiny slévárenské a na
slitiny tvářené (viz.obr. 1). Z hliníkových slitin lze vyrábět lisované profily od jednoduchých
až po komplikované průřezy, určené pro použití ve stavebnictví i strojírenství, a slitiny vysoké
pevnosti určené pro letectví. Mezi typické vlastnosti hliníku a některých jeho slitin patří i
schopnost zušlechťování povrchů anodickou oxidací i nanášením vypalovaných laků.
Slitiny hliníku lze rozdělit do dvou nestejných skupin podle podstaty zpevňování –
legováním, tvářením nebo vytvrzováním; uvnitř těchto skupin se slitiny dělí podle druhů
legujících prvků a jejich obsahů. V první skupině jsou důležité zejména slitiny s hořčíkem
(typická je slitina Al Mg 4,5 Mn), v druhé je nejznámější klasická slitina AlCu4Mg1. Slitiny
vytvrzované mají podstatně vyšší pevnost, nevýhodou je omezená teplota dlouhodobého
použití do100 max. 120 °C, případně do 200 °C u slitin disperzně zpevňovaných.
13. ANSYS Users’ Meeting, 21. – 23.září 2005 Přerov
-3-
Obr. 1 - Rozdělení hliníkových slitin
1
slévárenské slitiny
2
slitiny určené k tváření
3
precipitačně vytvrditelné slitiny
4
precipitačně nevytvrditelné
slitiny
Kalením a popouštěním vzniká martenzitická struktura, jejíž vznik podmiňuje
nejefektivnější způsob zvyšování pevnosti ocelí. Obecně u neželezných kovů martenzit
nemůže vzniknout a pokud u některých slitin vznikne, pak jeho příspěvek k pevnosti není tak
významný jako u ocelí. Proto je třeba použít u neželezných kovů jiné metody zpevnění, které
jsou však méně efektivní. Největší zpevnění neželezných kovů je docíleno precipitačním
zpevněním.
Např. uvažujeme dosahované úrovně pevnosti hliníku a jeho slitin, jak ukazuje obr. 2.
Vyžíhaný čistý hliník je velice měkký a může být zpevněn pouze deformačním zpevněním
(tvářením za studena). Přidáním hořčíku dochází ke zpevnění tuhého roztoku a získaná slitina
může být dále zpevněna deformačně. Další zpevnění je možné precipitáty, jejichž vznik je
podmíněn jednak přítomností vhodných legur a jednak zpracováním označovaným jako
stárnutí. Přestože nejpevnější hliníkové slitiny mají pevnost odpovídající 25% pevnosti
vysoce pevnostních ocelí je jejich použití jako konstrukčního materiálu velmi rozšířené. Např.
při stavbě letadel jsou tyto slitiny používány vzhledem k nízké hustotě a vysoké odolnosti
vůči korozi.
13. ANSYS Users’ Meeting, 21. – 23.září 2005 Přerov
-4-
Obr.2 - Vliv legujících prvků a způsobu
výroby (osa x) na mez kluzu hliníkových
slitin. Zvýšení pevnosti čistého hliníku je
možné docílit jen plastickou deformací.
Legování vyvolá zpevnění tuhého roztoku.
Nejpevnější slitiny jsou tepelně zpracovány
tak, že vzniká precipitační zpevnění.
1.2.Vyhodnocení používaných lehkých slitin
Jak je vidno z tab.3, ani cena ,či pevnost materiálu, není určující k volbě materiálu na
moderní modulární mostní prostředek. Při malých počtech techniky, pro který bude
materiál vyráběn, nebude rozhodovat cena, ale jeho vlastnosti a rozšíření u našich
spojenců. Doba používání vysoko pevnostních ocelí na mobilních mostech bude nejspíš
minulostí.
Tabulka 3
Materiál
E.10-5 [MPa] Hustota[Mg.m3]
Cena[Kč/Mg]
Ocel
2,05
7,8
15 750
Hliníková
slitina
0,79
2,8
84 000
Titanová
slitina
1,30
4,3
385 000
1,98
1,6
7 000 000
Kompozitní
materiál CFRP
Nejvíce vhodnou slitinou pro nový modulový mostní prostředek, se jeví slitina AlZnMgModif. nebo AlZn4,5Mg1, které jsou používány na moderních vojenských mostních
konstrukcích. Materiál (AlZn4Mg1 ---AW-7020---ČSN 424441 ) má dobrou tvárnost za
tepla, příznivý průběh rozpouštěcího žíhání (tzv. samokalitelnost). Kritická rychlost
13. ANSYS Users’ Meeting, 21. – 23.září 2005 Přerov
-5-
ochlazování z teploty rozpouštěcího žíhání 40 až 50°C/min. Zpevňuje vytvrzováním za
normální teploty nebo za vyšší teploty, popřípadě tvářením za studena. Po svařování dosahuje
v okolí svaru původních mechanických vlastností stavu .61, k dosažení stavu .71 je nutno
provést opětné vytvrzení. Dobrá odolnost proti korozi, dobrá schopnost anodické oxidace a
leštění, vhodný pro svařované konstrukce středně namáhané. Díky dobrým technologickým
vlastnostem, dobré svařitelnosti a korozní odolnosti je používán ve stavebnictví, pro dopravní
prostředky vzdušné a kolejové, v elektrotechnice, přesné mechanice, radiotechnice, raketové
technice (tlakové nádoby, mosty, mostové jeřáby).
Tabulka 4
2 780
Hustota [g/cm3]
69650
Modul pružnosti v
tahu E [MPa]:
24520
128
Modul pružnosti
ve smyku G [MPa]:
Součinitel tepelné
vodivosti lambda
[W/m/K]:
2 Lomová houževnatost hliníkových a titanových slitin
Historie laboratorního zkoušení houževnatosti kovů začíná počátkem minulého století. Na
sjezdu Mezinárodního svazu pro technické zkoušení materiálu r. 1901 v Budapešti přednášel
Francouz G. Charpy o svých zkouškách zjišťování houževnatosti přerážením prismatických
tyčí opatřených vrubem. Na IV. kongresu r. 1906 v Bruselu referoval o zkušenostech se
zkouškou ve Francii a uváděl dva tvary tyčí a dvě velikosti strojů sloužících ke zkoušení.
Konečně na V. kongresu v Kodani r. 1909 bylo doporučeno normování Charpyho zkoušky,
která se brzo ujala a rozšířila po celém kontinentě evropském.
Požadavky na zkušební tělesa jsou uvedeny v normě ČSN EN 10045-1. Základní zkušební
těleso má tvar tyče čtvercového průřezu s délkou strany 10 mm a délkou 55 mm. Uprostřed
délky je vytvořen vrub. Jsou předepsány dva typy vrubů - ve tvaru U a V.Vrub ve tvaru V
(Obr.3) má hloubku 2 mm a poloměr zaoblení kořene vrubu 0,25 mm. Ramena vrubu svírají
úhel 45°. Není – li možno ze zkoušeného materiálu zhotovit zkušební tyč základní, musí být
použita zkušební tyč menších rozměrů o šířce 7,5 mm nebo 5 mm , vrub je pak na jedné z
užších ploch.
Obr.3 - Zkušební tyč s V-vrubem
13. ANSYS Users’ Meeting, 21. – 23.září 2005 Přerov
-6-
Vrub ve tvaru U (Obr.4) nebo ve tvaru klíčového otvoru má hloubku 5 mm a poloměr
zaoblení kořene vrubu 1 mm.
Obr. 4 - Zkušební tyč s U-vrubem
Obr. 5 znázorňuje skutečné zkušební tyče s V – vrubem a s U – vrubem.
Obr. 5 - Zkušební tyč s V-vrubem(nahoře) a U-vrubem (dole)
Rovina souměrnosti vrubu musí být kolmá k podélné ose zkušební tyče. Na obr.6 jsou
znázorněny zkušební modely vzorků v prostředí ANSYS.
13. ANSYS Users’ Meeting, 21. – 23.září 2005 Přerov
-7-
Obr.6 - MKP modely vzorků z U a V vrubem
Zkušenost ukazuje, že v případě zkušebního tělesa s V-vrubem leží nominální nárazové
síly pro všechny typy ocelí v rozmezí od 10 kN do 40 kN. Zatěžování bylo provedeno osovou
silou o velikosti 5 kN. Výsledné deformace a napětí charakterizují přiložené obrázky. Při
modelování nedošlo k destrukci vzorku.
Obr.7 - Equivalent Stress V vrub
13. ANSYS Users’ Meeting, 21. – 23.září 2005 Přerov
-8-
Obr.8 – Deformace V vrub
Obr.9 - Equivalent Stress U vrub
13. ANSYS Users’ Meeting, 21. – 23.září 2005 Přerov
-9-
Obr.10 – Deformace U vrub
Závěr
I pro potřebu ženijního vojska armády České republiky a záchranných praporů bude do
budoucna potřeba řešit otázku moderních mostních prostředků, které budou splňovat všechny
požadavky standardizačních dohod států NATO a budou vyrobeny z lehkých slitin. Toto lze
řešit vlastním vývojem prostředku, nebo nákupem již zavedených prostředků.
Literatura
[1] Ptáček, L. a kol.: Nauka o materiálu I. Akademické nakladatelství CERM, Brno 2001.
ISBN 80 –7204 – 193 – 2.
[2] ČSN EN 10045-1 Kovové materiály – Zkouška rázem podle Charpyho – Část 1: Zkušební
metoda (U a V vruby) (červen 1998)
[3] ČSN EN ISO 14556 Ocel – Zkouška rázem v ohybu na kyvadlovém kladivu tyčí Charpy s
V-vrubem – Instrumentovaná zkušební metoda (červen 2001)
[4] BARAŇÁK, Libor. Modulární mostní prostředky. In Konference „Krizové situace -
zkušenosti z obnovy objektů dopravní infrastruktury po povodních“. Brno: Vojenská
akademie v Brně, listopad 2003, CD-A22. ISBN 80-85960-66-4
[5] BARAŇÁK, Libor. Použití ženijního vojska Rakouské armády při povodních v srpnu
2002. In Konference „Krizové situace-zkušenosti z obnovy objektů dopravní
infrastruktury po povodních“. Brno: Vojenská akademie v Brně, listopad 2003, CD-A10.
ISBN 80-85960-66-4.
[6] BARAŇÁK, Libor. Mostní prostředky států NATO a Ruska a jejich použití při řešení
krizových situací. In Mezinárodní konference „Ocelové mosty 2003“. Praha: ČVUT,
říjen 2003, s 257-262. IBSN 80-01-02747-3
13. ANSYS Users’ Meeting, 21. – 23.září 2005 Přerov
- 10 -
[7] BARAŇÁK, Libor. Analýza materiálů použitých na nových modulárních mostních
konstrukcích.In Mezinárodní sympozium „Mosty 2005“. Brno, duben 2005, str. 301305.ISBN80-86604-17-9
13. ANSYS Users’ Meeting, 21. – 23.září 2005 Přerov
- 11 -