книги / Прочность сварных соединений при переменных нагрузках

При решении большинства

практи­

правило,

не рассматриваются.

Вместе

ческих задач в качестве моделей ре­

с тем многие металлические конструк­

альных режимов нагружения принима­

ции работают под воздействием нагру­

ются случайные стационарные процес-

зок, которые изменяются по типу слу­

►сы. При этом обычно оцениваются сред­

чайных

нестационарных

процессов.

нее значение и дисперсия переменной

В качестве примера можно назвать на­

составляющей,

корреляционная

функ­

грузки,

действующие

на

пролетные

ция,

функция

спектральной

плотнос­

строения мостов, величина и интенсив­

ти,

плотность

распределения

вероят­

ность которых со временем возраста­

ностей и

статистики, характеризую­

ют.

Случайные нестационарные ре­

щие

число

пересечений среднего уро­

жимы

нагружения характерны

также

вня.

для конструкций антенно-мачтовых со­

Случайные нестационарные

режимы

оружений, башен, высотных труб, мор­

нагружения более сложны в описании.

ских

глубоководных платформ, испыты­

Для их характеристики требуется зна­

вающих воздействие ветра или морских

чительно больше исходных данных, чем

волн.

В

ряде случаев

такой

режим

для стационарных. В инженерных рас­

удается представить в виде квазиста-

четах такие режимы нагружения,

как

ционарного ступенчатого процесса.

ной шириной Ь и

другими

параметра­

ной геометрией пгва. В локальных участ­

ми шва, можно выбрать режимы свар­

ках сварного шва с высокими уровнями

ки, близкие к оптимальным с точки

концентрации напряжений стадия плас­

зрения получения наиболее

благопри­

тического

деформирования

наступает

ятного очертания шва. Например, по­

при напряжениях, близких к пределам

вышение скорости сварки или свароч­

выносливости

соединений.

Пластиче­

ного тока приводит к уменьшению шири­

ское

деформирование наиболее острых

ны шва. В свою очередь это уменьшает

концентраторов

напряжений приводит

угол сопряжения 0 и радиус кривиз­

к появлению при разгрузке благо­

ны р. С увеличением диаметра электро­

приятных сжимающих напряжений и на­

да следует

ожидать противоположного

ряду с наклепом металла сопровожда­

результата.

ется

некоторым

изменением

радиуса

Необходимо,

однако,

подчеркнуть,

кривизны. Поэтому эффективные коэф­

что параметры шва нестабильны по его

фициенты

концентрации

напряжений,,

длине, они могут изменяться в доволь­

установленные экспериментально,

при­

но широких пределах. Радиус перехо­

нимают обычно более низкие значения

да на основной металл, например, мо­

по сравнению с расчетными, оцененны­

жет

изменяться от

десятых и

сотых

ми по наихудшим параметрам швов.

долей миллиметра до нескольких милли­

Стыковые соединения. Наиболее низ­

метров, т. е. на порядок и более [6, 18,

кую

концентрацию

напряжений

соз­

184]. Следствием этого является суще­

дают

стыковые

соединения.

Формиро­

ственная нестабильность по длине швов

вание зон повышенной напряженности

концентрации

напряжений

и соответ­

в них обусловлено выпуклостью шва.

ствующих значений аа (см. рис. 15).

Для

качественно

выполненного стыко­

Распределения

коэффициентов концен­

вого соединения средние значения ко­

трации напряжений соединений со сты­

эффициентов концентрации напряжений

ковыми и угловыми швами, как прави­

обычно не превышают 1,3—2,0. Эти зна­

ло,

несимметричны

и

могут

быть

чения существенно возрастают для сое­

описаны соответствующими

законами,

динений с подрезами, порами, непро­

например Вейбулла, Гумбеля, логариф­

варами, наплывами, при смещении сты­

мически нормальным и другими имею­

куемых кромок,

наличии угловатости.

щими

положительное

смещение

зако­

Следует отметить, что по данным раз­

нами.

Такой

характер

распределения

личных исследователей значения а&

теоретических

коэффициентов концен­

стыковых соединений колеблются в до­

трации напряжений вызван доминиру­

вольно широких пределах даже тогда*

ющим влиянием на их значения радиу­

когда применяются одни и те же мето­

сов перехода шва на основной металл,

ды их определения. Используя, на­

распределения

которых

в большинстве

пример,

поляризационно-оптический

случаев несимметричны [14, 18, 160,

метод исследования, в работах [281,

184, 346]. Остальные параметры швов,

377]

о* =

1,2...1,3, а в [63, 378]

сса =

включая ширину,

высоту выпуклости,

2,5...3,0. Промежуточные значения

катеты и углы

сопряжения с основным

получены в работе [346]. По-видимому^

металлом,

вполне

удовлетворительно

это вызвано не столько методическими

описываются нормальным законом рас­

особенностями

выполненных

исследо­

пределения. Механизированные

спосо­

ваний, сколько

очертаниями испыты­

бы сварки обеспечивают формирование

ваемых образцов, моделирующих реальг

швов с более стабильными размерами, а

ное сварное соединение.

следовательно, и концентрацией напря­

Методы теории упругости [167], кон­

жений по сравнению со швами, выпол­

формного

отображения

[107} Колосо­

ненными вручную.

ва — Мусхелишвили

[283], численный

Трещины усталости не всегда зарож­

[19,

107,

235,

283] и другие

подходы

даются в зонах с наименее благоприят­

[18,

146,

220,

308]

позволяют устано-

Формула

Литератур­

ный источник

а° =

1 + 1^ г [ Л1п ^

-

Я

о

+

^ +

^

- р

^

+ Го],

(2-4)

[163]

где А =

аг (сЬ в! — 1)

а1

.

^-1— ^1----- - +

—

рх вЬ аг;

П =

ох +

0,167а® +

0,008а®;

Я„ =

ах +

0,305а'] +

0,019а];

Пг =

0,33а] +

0,033а];

/?, =

0,167а] +

0,38а];

Т0 =

вЬ а,;

°1 =

а (6 — 2р); Р1 =

р (6 — 2р);

а

=

]

/

^

±

^

_ ;

* =

0,9 [1/(1 + Л)]*

аа — 1 + ■

1

(2.5)

[107]

/ р ( ^ - + ^ + 4 )

«„ =

1 +

1.1А

(2.0)

[283]

а<т=

1 + ~з

(2.7)

[19]

к -т с* - ! - + 4 -г + 5 ь- + р

1 — ехр [— 0,9 V(I +

2А)/(2А) (я — 9)]

А/р

0,65

®<, =

(2.8)

[361]

1 +

, 8 (1 ^

“

) - :

1 — ехр [— 0,9 V(I + 2к)/(2к) (я/2)]

-Е— Л1

+ _1

+ .

0,8

\ 10.5

«сг= 1 +

81П0 \ *

'

6

^

*)]

(2.9)

[235]

вить

общие зависимости коэффициента

ведены в табл. 3. Необходимые пара­

аа от геометрических параметров сое­

метры швов, принятые при расчете

динения и условий их нагружения. Наи­

значений аа, соответствовали реальным

более известные формулы для расчет­

стыковым

соединениям. Шлифы

выре­

ного определения коэффициентов аст сты­

зались случайным образом из общих

ковых соединений приведены в табл. 2.

предварительно сваренных

заготовок.

Они

получены

аппроксимацией

ана­

Объем каждой статистической выборки

литических решений

функциями

соот­

включал не менее 40 единичных изме­

ветствующих видов. Различие их обус­

рений.

ловлено

особенностями

используемых

Формулы

(2.5), (2.7) — (2.9),

полу­

моделей, принятыми допущениями и спо­

ченные на основе численных решений,

собами аппроксимации.

дают

сопоставимые

результаты

(см.

Значения аст,

вычисленные по

фор­

табл. 3). Несколько меньшие значения

мулам табл. 2 , могут существенно от­

получаются при использовании форму­

личаться друг от друга. Применитель­

лы (2.4), при выводе которой не учиты­

но к сталям различной прочности и наи­

вались нормальные

напряжения,

свя­

более

распространенным

способам

занные с наличием выпуклости шва.

сварки расчетные значения аа, полу­

Формула (2.6), по-видимому, дает за­

ченные по формулам (2.4) — (2.9), при­

вышенные

значения

а ст.

Характер

зависимости

коэффициента

аа от основных геометрических пара­

метров

стыкового

шва

показан

на

рис. 16 [18]. Наибольшее влияние

на

концентрацию

напряжений

оказывает

радиус кривизны в месте перехода сты­

кового шва на основной металл. При

малых его значениях и отношении Н1Ь >

> 0,2...0,3 величина аавозрастает силь­

нее.

Заметное

влияние

на

концентра­

Рис. 16. Зависимость коэффициента концент­

цию напряжений оказывают также об­

рации напряжений от размеров стыкового сое­

щие размеры выпуклости шва, оцени­

динения

[18].

ваемые отношением его высоты к ши­

рине к/Ь. С ростом отношения уровень

рассматриваемые

коэффициенты

кон­

концентрации напряжений повышается.

После наступления текучести в зо­

центрации

напряжений

и деформаций

нах

концентрации

линейная

зависи­

простой

зависимостью.

мость между деформациями и напряже­

Соединения

с

угловыми

швами.

ниями нарушается. По этой причине

В тавровых соединениях, угловые швы

коэффициенты

концентрации

упруго­

которых не передают основной нагруз­

пластических напряжений К^п и дефор­

ки (например,

места прикреплений ре­

бер

жесткости),

концентрация напря­

маций К& не совпадают и их рассмат­

ривают

раздельно.

В

сравнении

с

жений ненамного

выше,

чем

в стыко­

вых соединениях. В основном

она оп­

величиной

а0 коэффициент Куап за пре­

ределяется

величиной

радиуса

пере­

делом текучести падает, а К \п повыша­

хода углового шва на основной металл;

ется. Взаимосвязь коэффициентов кон­

как и в стыковых соединениях, она пе­

центрации упругих и упруго-пласти­

ременна по длине шва. Исследование

ческих напряжений и деформаций ус­

распределений напряжений, выполнен­

танавливается

на

основе

соотноше­

ное методом конечных элементов, пока­

ния

[119]

зало, что концентрация напряжений в

К1п1иа1 = Р{*а, стп, т),

(2.10)

таких соединениях слабо зависит от

где

Р (аа,

ап,

т) — некоторая

функ­

соотношения

катетов

швов,

особенно

ция

соответственно

геометрии,

уровня

при больших радиусах перехода [103].

нагружения и упруго-пластических

В то же время, по данным работы [346],

свойств

материала.

В

случае

Р (аа,

она несколько повышается с увеличе­

Оп, т) =

1 приходим к известному вы­

нием глубины проплавления и ширины

ражению

Г.

Нейбера,

связывающему

привариваемой пластины.

Таблица 3.

Расчетные теоретические коэффициенты концентрации напряжений

стыковых

соединений

Класс стали

Способ сварки

Значения а а, полученные по формулам

(2.4)

| (2.5)

|

(2.6)

|

(2.7) |

(2.8) |

(2.9)

Высокопрочпая

Ручная

1,17

1,37

2,35

1,26

1,37

1,37

Механизированная в С02

1,46

1,85

6,90

2,05

2,05

2,02

Низколегирован­

Стыковая электроконтактная

1,16

1,23

1,68

1,31

—

—

ная

Механизированная порошковой

1,32

1,95

2,04

1,69

1,62

1,85

проволокой

1,64

2,28

3,23

1,92

2,64

2,34

Ручная

Нпзкоуглеродис­

Ручная

1,72

2,14

2,11

2,30

2,67

2,45

тая

Механизированная под флюсом

1,62

2,37

2,42

2,38

2,77

2,55

иий в основной пластине на участках

перехода к концам фланговых швов.

Исследования

выполнялись

примени­

тельно к низкоуглеродистой и высоко­

прочной

(<гт =

800 МПа) сталям на мо­

делях, отличающихся шириной Ьх (100,

180 и 300 мм) и толщиной

(9,5 и 3 мм)

основпой

пластины. Во

всех

моделях

Рис. 18. Зависимость коэффициента

аа (К*п)

сохранялось

условие

равиопрочности

нахлесточных соединений от уровня деформа­

основной

и

прикрепляемой

пластин

ции [364]:

{Ь\Ь\ =

Ъ212 =

сопз1),

а катет углового

2 — высоко­

1 — низкоуглеродистые

стали;

шва равнялся толщине прикрепляемой

прочные.

пластины. Длину нахлестки

определя­

значение аа в зоне перехода лобового

ли исходя из условия превышения рас­

четного сечения шва над площадью се­

шва на основной металл, по данным ра­

чения пластины в У З раза.

боты [346], может доходить (при кру­

Концентрация напряжений и дефор­

тых углах сопряжения и относительно

небольшой

длине

подошвы

углового

маций в пахлесточных соединениях с

фланговыми швами рассчитывается на

шва) до 5,7. Еще большие значения а0

оспове соотношения [220]

указываются для корня

углового шва.

При удлиненной подошве лобового шва

а„ = - Ь 2^аа'1 ,

(2.15)

аа в месте перехода на основной металл

где 2а — ширина накладки; I — длина

снижается до 2,1. Длина нахлестки не

оказывает

заметного

влияния

на кон­

флангового шва. В соответствии с фор­

центрацию

напряжений

нахлесточных

мулой (2.15) изменение отношения ши­

соединений

с лобовыми

швами.

рины накладки к ее длине вдвое (с 0,5

В основу расчетного определения кон­

до

1)

повышает коэффициент

аа с 2,0

центрации напряжений крестообразных

до

3,4.

и нахлесточных соединений с лобовыми

После

наступления

текучести

в мес­

швами

могут быть

положены

зависи­

тах

концентрации напряжений

напря­

мости,

рекомендуемые

для

тавровых

жения

перераспределяются,

при этом

соединений. Учет дополнительной кон­

величины К^1существенно изменяются.

центрации

напряжений,

вызываемой

Для соединений низкоуглеродистой ста­

передачей силовых потоков через уг­

ли

характерно резкое

снижение К1п в

ловые швы, в крестообразном

и нахле-

области малых деформаций и возрас­

сточном

соединениях

осуществляется

тание его по мере увеличения деформа­

введением

сомножителя

(см.

работу

ций. В соединениях высокопрочной ста­

[361])

ли с увеличением деформации наблюда­

«? = 1 +

0,24 ^ - + 0 ,1 6 - ^ - ,

(2.16)

ется монотонное снижение

(рис. 18).

где с — ширина щели.

Добавление

лобового

шва

снижает

неравномерность распределения напря­

Пределы выносливости полноразмер­

жений

в нахлесточных

соединениях.

ных сварных образцов, как показали

Коэффициенты концентрации напряже­

исследования, заметно ниже их значе­

ний соединений, выполненных

обвар­

ний, полученных на образцах основного

кой по контуру, ниже, чем при приме­

металла

с

концентраторами

напряже­

нении только фланговых швов. Но ког­

ний в том же диапазоне изменения а0

да имеются только лобовые швы,

(рис. 19). Снижение пределов выносли­

передающие основную

нагрузку, появ­

вости сварных соединений по сравне­

ляются

дополнительные

напряжения

нию с образцами, выполненными с вы­

от изгиба и концентрация напряжений

точками, с повышением уровня кон­

существенно возрастает. В этом случае

центрации

напряжений

возрастает,