книги / Прочность сварных соединений при переменных нагрузках

Подобным

образом учитывается

нали­

Особо следует остановиться на по­

чие

разупрочненных

зон

в

сварных

пытке

использования

основных

поло­

соединениях, а также возможное по­

жений

статистической

теории подобия

вышение

прочностных

характеристик

усталостного разрушения [53, 119] для

металла под воздействием термического

создания

расчетных

методов установле­

цикла сварки:

ния предела выносливости сварных со­

единений на основе критерия подобия

а_, =

0,5

/Сва” X

ЫСт. Эта теория прошла всестороннюю

апробацию

применительно

к деталям

Х [1 - 6 - 1 0 - 6(Яр< ) 2];

(6.57)

машин и широко используется на прак­

тике

[53,

117—122,

334,

350,

351,

411].

а« =

(12 + 91еэ) (0,93 +

В меньшей

степени

это

относится

к

сварным

соединениям,

которые

явля­

+

0,235 1е Ж).

(6.53)

ются концентраторами не только ра­

бочих

напряжений,

возникающих

от

Применимость формул

(6.57),

(6.58)

действующих

внешних

нагрузок,

но

ограничивается углеродным эквивален­

и остаточных напряжений. При сов­

том

Сэ = 0,36...1,10

%

и скоростями

местном действия тех и других напряже­

охлаждения IV = 2...100°С/с. Этот под­

ний критерий подобия будет отличать­

ход

к

аналитическому

определению

ся от критерия подобия элемента с той

средних значений предела

выносливос­

же степенью концентрации, но при дей­

ти сварных соединений разработан наи­

ствии только одних рабочих напряже­

более полно в методологическом отно­

ний. Изменятся также параметры, ха­

шении. В большинстве случаев он удов­

рактеризующие распределение предела

летворительно

описывает

взаимосвязь

выносливости

образцов

с

остаточными

между пределом выносливости и каж­

напряжениями и без них. При наличии

дым отдельным фактором.

остаточпых

напряжений,

как

правило,

Расчетные

методы

позволяют

полу­

не выполняется предположение об уп­

чать оценки средних значений предела

ругом

распределении

отах, а критерий

выносливости,

согласующиеся

с

эк­

подобия ЫО, как известно, разработан

спериментальными

данными.

Однако

для

случая распределения атах в упру­

аналитические методы не дают оценок

гой области. В связи с этим возмож­

дисперсии и не предусматривают уста­

ность

использования

статистической

новление

распределений

предела

вы­

теории

подобия усталостных

разруше­

носливости

сварных

соединений.

Их

ний по отношению к сварным металло­

нельзя использовать

в

вероятностных

конструкциям

требует дополнительного

подходах

к

расчету

на

усталость.

обоснования.

При

использовании детерминирован­

разброс по сравнению с определяемой

ных методов

определения

характерис­

величиной и наиболее полно характери­

тик усталости не удается достаточно

зуются

функцией

распределения

полно

отразить

разброс

устанавливае­

Ф {(од)г <С 7?н}.

Значение

Нн

реко­

мых величин. Кривые усталости, по­

мендуется принимать в качестве рас­

лученные

по

результатам

испытания

четного сопротивления усталости. При­

8—10 образцов, позволяют определить

менительно к сварным соединениям ис­

значение

предела

выносливости,

от­

пользуются нормальный [52] или ло­

вечающее интервалу

вероятностей 20—

гарифмически нормальный [365] законы

80 %. Сокращение этого интервала до

распределения

предела

выносливости,

30—70 % требует испытания 12—16 об­

и для

описания

функции

Ф {(ад){ <

разцов,

а

до

(50 ^

5) % — свыше

40.

«< Я п) достаточно оценить среднее зна­

Между тем на практике значение пре­

чение

Оц

и дисперсию

величин

дела выносливости,

устаповленное

по

(ад)|. Получить пригодные для практи­

данным

испытания

только

8—10

об­

ческого

применения

оценки

ок и

разцов, обычно принимают в качестве

расчетным путем в настоящее время не

исходного

для

определения

допускае­

мого напряжения или расчетного со­

представляется

возможным,

поэтому

противления. В ряде случаев это может

особенно

существенное

значение

при­

привести

к

завышению

фактического

обретают методы их экспериментально­

сопротивления усталости реальной кон­

го установления.

струкции.

Для

материалов

и

деталей машин

Возникает необходимость в более ши­

предполагают,

что функция Ф {(сгн)|<

роком привлечении вероятностно-ста­

<С 7?я}

подчиняется

закону

нормаль­

тистических методов для оценки ха­

ного распределения. На этой основе

рактеристик

сопротивления

усталости.

параметры ан и

обычно определя­

Только

в этом

случае может быть дана

ются

методами пробитов [342], ступен­

объективная

оценка

получаемым

опыт­

чатого изменения нагрузки [336], сту­

ным данным с целью использования их

пенчатого

повышения напряжений [33]

для повышения надежности и долговеч­

или

последовательных

приближений

ности

изделий

и сооружений.

(итераций) [329, 409]. Каждый из этих

В настоящей главе методы вероятно­

методов предусматривает свою процеду­

стной

оценки

характеристик сопротив­

ру испытания образцов на нескольких

ления усталости рассмотрены примени­

уровнях

нагружения, назначаемых в

тельно

к

сварным

соединениям.

зоне

разброса

предела

выносливости,

и отличается

обработкой полученных

1. ОЦЕНКА РАСПРЕДЕЛЕНИЙ

результатов. Ниже анализируются при­

годность

этих

методов и условия полу­

ПРЕДЕЛА ВЫНОСЛИВОСТИ

чения на их основе достоверных оце­

Экспериментально

получаемые

зна­

нок среднего значепия и средиеквадра-

чения

предела

выносливости сварных

тического отклонения предела выносли­

соединений (оя)» имеют

значительный

вости

сварных

соединений.

Метод

ступенчатого

изменения

на­

отклонению

8 ап оцениваемого

распре­

грузки.

При

постановке

исследований

деления [121, 309]. Если Да превышает

по методу ступенчатого изменения на­

25 ан, испытания сосредоточиваются на

грузки

один

из уровней

нагружения

двух уровнях и оценка параметров рас­

должен

соответствовать

среднему

зна­

пределения

предела

выносливости бу­

чению предела выносливости оп и вы­

дет

затруднена.

Вместе

с

тем

при

бирается с учетом того, чтобы на нем

Да ^

0,58ан необходимое число образ­

разрушилось

примерно

50 % образцов

цов и

длительность

испытаний резко

на

принятой

базе

испытаний.

Приме­

возрастают. Однако для сварных соеди­

нительно

к сварным соединениям

ос­

нений трудно перед испытаниями уста­

нованием для установления этого уров­

новить

равенство

Да =

поэтому

ня служил предел выносливости таких

ниже

специально

исследуется

влияние

же образцов,

определенный

по кривой

величины Да

на точность оценки сред­

усталости

или

одним

из

ускоренных

него

значения

и

дисперсии

предела

методов.

Этот

уровень

принимался

выносливости.

обычно

средним.

Как

правило,

два

По

методу

ступенчатого

изменения

уровня нагружения были выше средне­

нагрузки первый

образец

испытывает­

го и два — ниже его.

ся на

уровне,

предположительно

соот­

Все

уровни

нагружения

располага­

ветствующем среднему значению преде­

лись равномерно

между

собой и

уста­

ла выносливости. По результатам испы­

навливались из условия равенства при­

таний

этого

образца

назначается

уро­

ращения напряжений Да между ними.

вень

нагружения

второго.

Когда

пер­

Непременным

условием

испытаний яв­

вый

образец

разрушается,

второй ис­

ляется назначение уровней нагружения

пытывается на

предшествующем, более

таким образом, чтобы на них наблюда­

низком уровне нагружения. В против­

лись как

разрушенные, так и неразру­

ном случае,

т. е. если первый

образец

шенные

образцы.

Поэтому

величина

проходит базу испытаний, не разрушив­

Да имеет важное значение и должна

шись, второй испытывается на следую­

приближенно

равняться

стандартному1

щем, более высоком уровне нагруже­

Рис. 127. Оценка распределений пределов вы­

ния.

Такая последовательность испытаний,

носливости

методом

ступенчатого

изменения

когда уровень нагружения каждого по­

нагрузки:

следующего

образца

повышается

или

1 ,

2 — результаты

испытаний

угловых

соединений

соответственно разрушившихся и нс разрушившихся

понижается

на

постоянную

величину

образцов;

з

— пластипы с отверстием

диаметром

Да в зависимости от исхода испытаний

4

мм без

начальных остаточных напряжений; 4 —

то

же, с

остаточными

напряжениями сжатия; 5 —

предыдущего, соблюдается для всех об­

то же, с остаточными напряжениями растяжения.

разцов данной серии.

Результаты испытаний образцов свар­

ных соединений по методу ступенчато­

го изменения

нагрузки

представлены

на рис. 127. Там же иллюстрируется

влияние исходных остаточных

напря­

жений на распределение предела вы­

носливости,

установленное

этим

мето­

дом. При этом значения

и 8 ап опреде­

лялись всегда по наименее частым слу­

чаям

разрушения

или

неразрушения

образцов,

-

/ 2т-

л

\

(7-1)

ад = а0 + Д а ^ - ± ^ ;

8 он =

1,62Да X

[432]

полагает,

что для

определения

X

(Ег2/^) 2/^ — (2т^)2

+

0,029 .

(7.2)

и

8 он требуется не

менее 30

образ­

ЩТ2

цов,

а Раббе

[407,

408] — 9

образцов,

для нахождения ал и 45 — для опреде­

Здесь

а0 — уровень

нагружения,

ин­

ления Зап. В работах [22, 58,

127, 193,.

декс которого при расчете принимается

238]

возможность

оценки

параметров!

за нулевой

(а* при

$ =

0); щ — число

распределения

предела выносливости;

расчетных

исходов

испытаний

на

1-м

методом

ступенчатого

изменения

на­

уровпе

нагружения.

В

формуле

(7.1)

грузки связывается с результатами ис­

для

оценки

оп берется

+ 1/2, если раз­

пытаний

18—40

образцов. Распределе­

рушенных

образцов

больше,

и —х/2 —

ние предела выносливости деталей с*

если их меньше, чем неразрушенных.

резьбовыми соединениями устанавлива­

Практика использования метода сту­

лось по результатам испытаний 59

пенчатого

изменения

нагрузки

позво­

образцов,

а сварных соединений — 40

лила установить, что в качестве а0

образцов.

целесообразно

принимать

уровень

на­

В связи с этим проведено исследова­

гружения, на котором наибольшее чис­

ние [72] влияния числа образцов, ве­

ло

исходов

испытаний,

учитываемых

личины уровней нагружения и после­

расчетом. Более низким, чем а0, уров­

довательности

испытания

образцов

на,

ням

нагружения

в

таком

случае

сле­

точность

оценки

параметров

ал и

Зав

дует присваивать индекс I с отрицатель­

методом

ступенчатого

изменения

на­

ным знаком.

грузки. Для исследования влияния объг

Параметр

Зап по

формуле

(7.2)

вы­

ема

эксперимента

на

точность

оценки,

числялся

лишь

для

случаев,

когда

ад

и *$ад выбирались наиболее предста­

(2 ^ ) 2^ — (2ш*)2

> 0 ,3 .

(7.3)

вительные по числу образцов испытав

Щ )~2

ния, а также дополнительно испыты­

В противном случае по полученным ре­

валось несколько серий образцов с раз­

зультатам

испытаний

определить дис­

личными

остаточными

напряжениями.

персию

распределения

предела

вы­

Вначале

находились значения ал и 50н

носливости

не

представляется

воз­

по всей серии. Затем исключался из.

можным.

рассмотрения результат испытания по­

Эффективность

применения

метода

следнего

образца

в серии

и

вновь

вы­

ступенчатого

изменения

нагрузки

для

числялись ай и *$0д. В дальнейшем при

оценки параметров распределения пре­

каждой последующей

оценке

отбрасы­

дела выносливости зависит от числа ис­

валось по одному испытанию. Парамет­

пытываемых образцов /г, величины при­

ры

распределения

предела

выносли­

ращения уровней нагружения и после­

вости ай и Зап рассчитывались по фор­

довательности испытаний. В то же

время

не

существует

количественных

мулам (7.1), (7.2). Полученные резуль­

показателей

влияния

этих

факторов.

таты

характеризовали

зависимость

па­

Прежде всего нет единого мнения от­

раметров

распределения

предела

вы­

носительно

необходимого

числа

испы­

носливости от числа испытанных обт

тываемых образцов. Например, в ра­

разцов.

ботах [121, 407, 408] для определения

Влияние величины приращения уров­

среднего значения предела выносливос­

ней нагружения Аа на точность опре­

ти ай рекомендуется испытывать 9—

деления ай и »$СТн

устанавливалось в.

15

образцов,

а

для

установления их

соответствии с рекомендациями по его.

среднего

квадратического

отклонения

назначению

[121,

309].

Для

анализа,

— 15—60

образцов.

При исполь­

выбирались

такие

серии испытаний,

зовании стандартных образцов Вейбулл

у

которых

Да

примерно

равнялось.

Число

Число

а Я

5°я

образцов,

статисти­

принятое

ческих

в расчет

испытаний

<*Я>

%

®«я

5°я

^ я

20

26

132,50

4,079

0,0308

13,20

4,886

0,37

25

26

132,83

3,749

0,0282

13,33

4,345

0,33

30

26

132,53

3,400

0,0257

13,37

3,748

0,28

35

26

133,32

2,899

0,0217

14,38

3,197

0,22

40

26

133,21

2,416

0,0181

14,52

3,380

0,23

45

26

133,13

1,681

0,0126

15,26

3,069

0,20

50

21

133,40

1,361

0,0102

15,43

2,022

0,13

55

17

133,36

1,230

0,0092

15,39

2,046

0,13

нагружения при

Ао =

3,5 МПа. В ра­

до

п

42

не

являются

оценками

од­

счет принимались результаты испытаний

ной и той же генеральной совокупнос­

на пяти уровнях, на которых были раз­

ти. Только начиная с 42 образцов, раз­

рушенные

и

неразрушенные

образцы.

ность

между подсчитанным значения­

При

этом

агд =

469,3

МПа

и

8 ан =

ми

8 ап

меньше

10

%-ного

уровня

=

12

МПа.

значимости.

Полученные

зависимости

(ад,

п)

и

Влияние

объема

и

последователь­

(^ад, п)

свидетельствуют

о

том,

что

ности

испытаний

образцов,

выявлен­

ное статистическим моделированием по

число испытаний п и приращение уров­

результатам испытания

на симметрич­

ней нагружения Да могут оказать су­

ный изгиб пластин с необработанной

щественное влияние на точность оцен­

после

прокатки

поверхностью

разме­

ки

параметров

распределения

предела

ром 80 X 450 и с отверстием диамет­

выносливости. При значении Да, близ­

ром 4

мм,

изготовленных

из

стали

ком к верхней границе рекомендуе­

СтЗсп толщиной 10 мм, обобщено в

мого диапазона,

оценка

8 ав возможна

табл.

36.

по

результатам

испытаний

около

Анализ результатов испытаний стан­

40 образцов, так как при п >

37 вычис­

дартных

образцов

резьбовых

соедине­

ленные

значения

8 ав

являются

оцен­

ний, плоских образцов с отверстием

ками

среднеквадратического

отклоне­

без остаточных напряжений [72] и при

наличии растягивающих и сжимающих

ния

одной

генеральной

совокупности.

Когда Да меньше нижней границы ре­

остаточных

напряжений,

вызванных

комендуемого

диапазона,

параметры

специальными наплавками, а также ис­

пытаний наплавленных коленчатых ва­

ад и 8 ав можно определить уже по ре­

лов

[255], сварных

соединений

с пере­

зультатам

испытаний

9

образцов

(см.

секающимися швами [72, 74] и ребрами

рис. 128, б). Однако с увеличением чис­

жесткости

позволяет

заключить,

что

ла

учитываемых

результатов

испыта­

испытания

серии

образцов

по

методу

ний

вычисляемые

значения

парамет­

ступенчатого

изменения

нагрузки

ров

распределения

предела

выносли­

представляют

собой случайную

реали­

вости

сильно

изменяются.

Проверка

зацию одной из возможных последо­

показывает,

что

среднее

значение

ад

вательностей.

Тип

реализованной

по­

сравнительно слабо зависит от п, а ус­

следовательности

во

взаимосвязи с

тановленные

расчетом

значения

8 ав

числом

образцов

в

серии

может

ока-