книги / Сварные конструкции

или, деля обе части этого неравенства на коэффициент 1,4, будем иметь

Левая часть этого условия прочности представляет собой на­ пряжения в косом сечении угловых швов, которые приняты в соот­ ветствии с расчетом, а правая — величину допускаемых напря­ жений на срез для металла шва.

Таким образом, расчетный анализ показывает, что принятые при расчете угловых швов условия вполне обоснованы. Это под­ тверждается также и экспериментальными данными, так как дей­ ствительная величина разрушающего усилия совпадает с расчет­ ным ее значением, определенным по пределу прочности на срез.

Вслучаях, когда соединение впритык осуществлено с обес­ печением полного провара по толщине присоединяемого элемента, толщина его расчетного сечения принимается, как и для стыко­ вых швов, равной толщине основного элемента (рис. 4.4, г). Расчет этих швов производится так же, как и для стыковых швов, по допускаемым напряжениям на растяжение (или на сжатие), что соответствует условиям действительной их работы.

Если на соединение впритык, осуществляемое угловыми швами, будет действовать продольное сжимающее усилие, то расчетное условие для него несколько изменится.

Всвязи с тем, что при сжатии разрушение угловых швов^со­

единения впритык происходит в сечениях по подошве уг/озых швов, а не по косым сечениям (так как в косых сечениях при этом, по существу, имеет место менее опасный вид деформации — смятие), толщина расчетного сечения будет равна их катетам s =^=2k.

При этом величина расчетного усилия, допустимого на угло­ вые швы, будет для этого случая несколько большей

Подобные условия имеют место, например, при расчете поясных швов сварных балок в районе действия опорных реакций.

При расчете прочности сварных соединений допускаемое на­ пряжение на металл шва в большинстве случаев принимается рав­ ным допускаемому напряжению на основной металл. При этом условие прочности для сварных стыковых соединений выполг.я :тся безусловно в том случае, если оно было удовлетворено при под­ боре размеров сечения основных соединяемых элементов. То же относится и к сварным тавровым соединениям, воспринимающим осевую силу или изгибающий момент, когда эти соединения вы­ полнены с обеспечением провара по всей толщине соединяемых элементов, так как при равных значениях допускаемых напря­ жений и при равных значениях расчетной площади поперечного сечения их расчетная несущая способность одинакова. В действи­ тельности площадь сечения по сварным швам даже несколько

большая за счет технологических допусков, но последние при расчете на прочность не учитываются. Сварные тавровые соеди­ нения, осуществляемые угловыми швами, без разделки кромок и без обеспечения полного проплавления по всей толщине соединяе­ мых элементов могут быть при осевой нагрузке признаны равно­ прочными основному металлу только в том случае, если катет их швов равен толщине соединяемого элемента. Это следует из того, что условия прочности сварных швов в их опасном сечении определяются допускаемыми напряжениями на срез, тогда как условие прочности в сечении по основному металлу определяется допускаемыми напряжениями на растяжение.

При этом условие прочности в сечении по шву может быть

При расчете угловых швов соединения внахлестку {рис. 4.5\ предполагается, что все швы (поперечные, продольные или косые) работают одинаково. Это равноценно принятому допущению о рав­ номерном распределении напряжений при осевой нагрузке в рас­ четных сечениях всех швов. При этом условие прочности записы­ вается в виде

где 2 'ш — суммарная длина ’ швов.

В случаях прикрепления несимметричных элементов к пло­ ской фасонке (рис. 4.5, б) продольное усилие, передаваемое от элемента с несимметричным поперечным сечением на фасонку через сварные швы, будет создавать дополнительный изгибающий

момент, если продольная ось прикрепляемого элемента не будет проходить через центр тяжести суммарного рабочего сечения сварных швов.

Чтобы избежать подобного несовпадения, необходимо соответ­ ствующим расчетом подобрать размеры отдельных сварных швов (их длину и катет). В общем случае такие расчеты связаны с опре­ делением статических моментов расчетной площади сварных швов. Необходимо обеспечить условие, при котором статические моменты рабочих сечений участков сварных швов относительной продоль­ ной оси элемента, расположенных по различным сторонам от этой оси, были бы между собой равны.

Рис. 4.5. К расчету соединения внахлестку: а —прикрепление симметричного

сечения; б — прикрепление несимметричного сечения

Так, например, для случая крепления элемента, составлен­ ного из двух равнобоких уголков, осуществляемого двумя про­ дольными швами (рис. 4.5, б), необходимо обеспечить следующее условие:

*1*1*1 = *2*2^2*

Значение еуе%для каждого профиля известны. Для равнобоких уголков их отношение может быть принято равным

£]_ 3 !Г = Т-

Задаваясь размером катетов сварных швов, можно установить соотношение между длиной шва. Если принять, например, швы одинакового катета, то отношение длины отдельных швов должно быть равным

Зная суммарную длину швов (определенную по формуле 14.32]) и пользуясь значением полученного отношения между длинами отдельных участков, можно определить их длину.

Расчет сварных соединений при действии изгибающих моментов и перерезывающих сил. Условия расчета сварных соединений, воспринимающих изгиб в основном такие же, как и соединений, воспринимающих осевые усилия, так как отдельные участки свар­ ных соединений, воспринимающих напряжения от изгиба (рис. 4.6, а), нагружены осевыми напряжениями растяжения или сжатия. При этом основные расчетные формулы для проверки проч­ ности сварных стыковых соединений при работе их на изгиб будут таким же, как и для проверки прочности основных элементов кон-

Рис. 4.6. К расчету соединений, воспринимающих изгибающий момент: а — схема действия изги­ бающего момента на элемент прямоугольного сечения; б — то же на элемент двутаврового сечения; в — схема действия изгибающего мо­

мента и перерезывающей силы

струкции, так как форма сечения сварного стыкового соединения остается точно такой же (если не учитывать, как это уже было ранее принято, незначительное утолщение швов), как и у основ­ ного элемента

Здесь М — изгибающий момент, действующий в сечении; W — момент сопротивления соединяемого элемента в месте сопряжения.

По этой же формуле производится расчет соединений впритык в том случае, когда обеспечен полный провар по всей толщине эле­ мента. Расчет соединений впритык, осуществленных угловыми швами (без провара по всей толщине присоединяемого элемента), производится по допускаемым напряжениям на срез

Здесь W — момент сопротивления расчетного сечения по свар­ ным швам.

Необходимо отметить, что для случая прикреплений угловыми швами сложных профилей расчет по формулам (4.33) и (4.34) является допустимым только при условии, когда обеспечена про­ порциональность между толщинами отдельных частей элементов и размерами прикрепляющих их швов.

Так; например, для случая прикрепления угловыми швами двутавра (рис. 4.6, б) с толщиной стенки sCTи толщиной полок sn необходимо обеспечить соотношение

Здесь /?ст и kn— катеты угловых швов, расположенных соответ­ ственно на стенке и полках двутавра.

Если кроме изгибающего момента на соединение действует еще и поперечная сила, то необходимо определять касательное на­ пряжение от поперечной силы и производить проверку прочности по формулам для суммарных напряжений.

Так, например, для случая крепления ребра высотой h угло­ выми швами (рис. 4.6, в) расчетные напряжения, срезывающие шов и возникающие от изгибающего момента, равны

т - W

1 1 ,4 М 2 1

а срезывающие (или касательные) напряжения от поперечной силы в том же сечении швов равны

т — Q 2~ 1,4kh ’

В связи с тем, что направление этих напряжений, определяемое направлениями изгибающего момента, и перерезывающей силы, является различным, результирующее напряжение должно опре­ деляться геометрическим их суммированием.

В данном случае суммарные касательные напряжения будут равны

Поясные (связующие) швы изгибаемых элементов при наличии поперечных сил нагружены касательными напряжениями.

Проверка их прочности производится по формуле:

J — момент инерции сечения; S' — статический момент полки относительно оси, проходящей через центр тяжести всего сечения; b — суммарная расчетная толщина швов (для случая двух пояс­ ных швов b = 1,4А, где k — катет* шва).

§ 17. РА СЧЕТ СВАРНЫ Х СО ЕД И Н ЕН И Й , В Ы П О Л Н Е Н Н Ы Х КОНТАКТНОЙ СВАРКОЙ

Особенности применения точечно-сварных соединений, К на­ стоящему времени точечная сварка получила наиболее широкое применение в автомобилестроении, вагоностроении, самолето­ строении, судостроении, в сельскохозяйственном машинострое­ нии, а также в некоторых других отраслях машиностроения, где она используется главным образом для осуществления соедине­ ний в тонкостенных конструкциях. К числу наиболее характер­ ных примеров применения сварных точечных соединений можно отнести соединительные швы составных стержней, стыки листов тонкой обшивки, узлы крепления листов обшивки к элементам каркаса, а также узлы крепления отдельных пересекающихся элементов каркаса, составленных обычно из тонкостенных штам­ пованных или гнутых профилей.

Для характеристики условий применения точечно-сварных соединений в тонкостенных конструкциях необходимо отметить, что для таких конструкций наиболее важными условиями, опре­ деляющими возможности выбора их формы и размеров, являются условия обеспечения устойчивости и местной жесткости. Эти усло­ вия в сочетании с известными ограничениями в выборе наимень­ шей толщины, установленными для отдельных элементов, при­ водят к тому, что условие прочности в таких конструкциях оказы­ вается обычно выполненным со значительным превышением такого коэффициента запаса, который требуется по нормам, и поэтому многие элементы тонкостенных конструкций являются слабонагруженными, т. е. такими, в которых условие обеспечения равнопрочности сварного соединения с основным металлом не является обязательным. По своему виду точечно-сварные соединения от­ носятся к соединениям с прерывистыми швами и, как многие другие соединения подобного вида, характеризуются весьма вы­ сокими значениями коэффициента концентраций напряжений. В обычных условиях такие соединения не рекомендуются к при­ менению в конструкциях, воспринимающих вибрационную на­ грузку.

Более .простым объектом для точечной сварки являются кон­ струкции, воспринимающие статическую нагрузку, так как при этом влияние концентрации напряжений на прочность проявляется в меньшей мере и поэтому применение точечно-сварных соедине­ ний в таких конструкциях не должно иметь особых ограничений.

Конструирование и расчет сварных точечных соединений. При точечной сварке возможно применение только соединений внахлестку (рис. 4.7).

Непосредственное соединение деталей между собой без нахлеста (по типу сварного соединения встык) при точечной сварке осуществлено быть не может. Соединение же впритык, хотя и может быть осуществлено при точечной сварке (при условии при-

менения дополнительных уголков, прикрепляемых к основным элементам внахлестку), однако оно для восприятия осевой растя­ гивающей нагрузки не приспособлено. Слабым местом этого со­ единения являются сварные точки, которыми вспомогательные уголки прикреплены к поперечному промежуточному элементу

Рис. 4.7. Сварные точечные соединения внахлестку: а — односрезиые; б —двухсрезные; в и з —дефор­ мации односрезных идвухсрезных соединений при осевой нагрузке

(рис. 4.8, б). Эти сварные точки при осевой нагрузке находятся

ввесьма тяжелых условиях, так как должны работать на отрыв

иизгиб.

Поэтому при этом виде нагружения точечно-сварные соедине­ ния впритык являются менее распространенными. Они исполь-

Рис. 4.8. Сварные точечные соединения впритык (а) и их дефор­

мации при осевой нагрузке (б)

зуются главным образом для передачи перерезывающих сил и в основном применяются в сравнительно слабонагруженных свя­ зующих швах.

Вэтом точечно-сварные соединения сходны с соединениями клепаных конструкций, которые также не могут быть выполнены без применения нахлестки и для которых тип соединения впритык имеет те же ограничения в применении.

Внахлесточных соединениях сварные точки в основном ра­ ботают на срез. Точечно-сварные соединения могут быть осуще­ ствлены с применением одностороннего (рис. 4.7, а) или двусто-

роннего нахлеста (рис. 4.7, б), В первом случае сварные точки имеют по одной плоскости среза, во втором случае они имеют по две .плоскости среза. В связи с этим при одинаковом количестве сварных точек (при равных значениях их диаметра) несущая способность соединений при двустороннем нахлесте является более высокой, чем при одностороннем нахлесте. Кроме того, при одно­ стороннем нахлесте сварное соединение не является симметрич­ ным относительно своей продольной оси, что при осевом нагру-

Рис. 4.9. Схема силового, потока в сварном точечном соединении

жении приводит еще и к появлению дополнительного изгиба, и ставит такое соединение в значительно более тяжелые условия работы (рис. 4.7, в). В связи с этим применять такие несимметрич­ ные соединения в сильно напряженных узлах конструкций не рекомендуется.

В точечно-сварных соединениях наблюдается резкое измене­ ние формы, что приводит к весьма неравномерному распределению напряжения по ширине элементов, по их толщине, а также и по сечению самой сварной точки (рис. 4.9). Напряженное состояние сварного точечного соединения является сложным. Точный расчет напряжений при этом является весьма трудоемким. Однако опыт применения таких соединений показывает, что если материал кон­ струкции обладает высокими пластическими свойствами, то кон­ центрация напряжений в процессе работы под нагрузкой в зна­ чительной степени снижается и поэтому во многих случаях при статической^цагрузке на прочность влияет мало. Это позволяет

вводить в расчет определенные допущения и таким образом упрощать его.

При проектировании сварных точечных соединений, воспри­ нимающих статическую нагрузку, применяют упрощенную ме­ тодику расчета, при которой допускается, что распределение ка­ сательных напряжений в рабочем сечении сварной точки является равномерным, а действием нормальных напряжений в нем можно пренебречь. Кроме того, для упрощения допускается также, что

вмноготочечных соединениях распределение усилий между от­ дельными сварными точками является равномерным. Это позво­ ляет при расчете точечно-сварных соединений, воспринимающих осевую растягивающую нагрузку, принимать условие прочности

вследующем виде:

сварной точки (точнее диаметр ее литого ядра); п — количество срезов сварных точек (для двухсрезных сварных точек удвоенное

Этим условием устанавливается зависимость между значением площади основного элемента и суммарной площадью среза свар­ ных точек с учетом имеющихся различий в свойствах основного металла и металла сварной точки.

В формуле (4.38) есть две неизвестные величины: диаметр свар­ ной точки d и общее количество срезов сварных точек п.

Площадь сечения прикрепляемого элемента F и значения до­ пускаемых напряжений [а] и [т'], входящие в эту формулу, являются величинами известными.

Таким образом, для определения одной из двух неизвестных величин, значением другой необходимо задаться предвари­ тельно.

При этом целесообразно использовать дополнительные усло­ вия, составленные на основе соблюдения определенных пропорций между размерами сечений основных наиболее важных для обес­ печения прочности участков соединения.

Для характеристики несущей способности сварного точечного соединения в общем случае следует учитывать особенности работы следующих трех наиболее важных его участков, которыми опре­ деляется прочность всего соединения в целом.

Начальным участком соединения, передающим рабочую на­ грузку, является основной элемент, размеры которого при осе­ вом растяжении характеризуются площадью его поперечного се­ чения F, являющейся при определении размеров рабочего сечения сварного соединения исходной величиной.