книги / Сварные конструкции.-1

По п р о т я ж е н н о с т и швы бывают сплошными и пре­ рывистыми. Прерывистые швы применяются в случаях, когда в соединениях не требуется герметичность и когда сплошные швы являются слабонагруженными. Частным случаем прерывистого шва является точечный.

По у с л о в и я м в ы п о л н е н и я швы бывают односто­ ронние и двусторонние. Последние придают соединению большую надежность в работе.

По ч и с л у с л о е в различают швы однослойные и много­ слойные.

§ 3. Сварные соединения

Применительно к элементарному, но достаточно характерному случаю сопряжения двух полос, воспринимающему осевое уси­ лие, сварные соединения могут быть представлены в виде трех основных групп: соединения встык, соединения впритык (илитав­ рового) и соединения внахлестку (фиг. II. 2). При этом некоторые группы представлены несколькими видами, имеющими достаточно характерные различия. Так, в группе тавровых соединений имеются соединения, осуществленные угловыми швами без раз­ делки кромок, и соединения, в которых применение двусторонней разделки кромок элементов позволяет обеспечить полный провар по всей их толщине. Последнее обстоятельство существенно повы­ шает работоспособность соединения, в особенности в условиях действия динамической нагрузки. В группе нахлесточных соеди­ нений имеется соединение с односторонним нахлестом и соедине­ ние с двусторонним нахлестом, в качестве которого в данном слу­ чае представлено соединение с двусторонними накладками. Нахлесточные соединения могут быть выполнены как сплошными угловыми швами, так и сварными точками; последние применя­ ются главным образом для элементов тонкостенных конструкций, выполняемых контактной сваркой.

Наиболее характерными соединениями для сварных конструк­ ций являются соединения встык и впритык (или втавр). Осуще­ ствление их стало возможным лишь с применением сварки. Эти соединения наиболее рациональны как по условиям надежности работы при действии самых разнообразных нагрузок, так и по воз­ можности обеспечения наибольшей экономии веса. Поэтому сты­ ковые и тавровые соединения получили наиболее широкое приме­ нение в сварных конструкциях и особенно в наиболее ответствен­ ных конструкциях, воспринимающих динамическую нагрузку.

Отмечая большое положительное значение многообразия форм сварных соединений, нельзя забывать и о том, что это многообра­ зие форм характеризуется также и весьма большим диапазоном значений коэффициента концентраций напряжений. В сварных конструкциях могут быть созданы соединения со значительно меньшей концентрацией напряжений, чем в соединениях клепа­

РАБОТА СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ УСЛОВИЯХ НАГРУЖЕНИЯ

§ 1. Концентрация напряжений в сварных соединениях

Применение сварки открыло исключительно большие возмож­ ности в создании новых форм соединений и узлов различных эле­ ментов конструкций. Многообразие конструктивных форм свар­ ных конструкций способствует их дальнейшему совершенствова­ нию. Различие качественных характеристик сварных соединений может быть использовано для более полного удовлетворения тех­ нических и экономических требований, определяющихся усло­ виями изготовления и эксплуатации конструкций.

Вклепаных конструкциях формы соединений были весьма однообразными, так как они определялись применением един­ ственно возможного для них соединения внахлестку, осуществляе­ мого с неизбежным образованием отверстий и сосредоточенной передачей внешних усилий в местах касания стержней заклепок

споверхностью отверстий.

Всварных конструкциях, в отличие от клепаных, многообра­ зие форм создает условия, при которых диапазон изменения коэф­

фициента концентрации напряжений в различных соединениях и узлах является весьма широким. При этом могут иметь место случаи, когда в зависимости от конструктивной формы сварные соединения по напряженному состоянию будут находиться в более благоприятных условиях, чем клепаные. Это характерно, в ча­ стности, для сварных соединений встык и впритык (при условии, если в последнем случае обеспечено полное проплавление по всей толщине присоединяемого элемента).

Выбор типа соединения, оптимального для заданных условий эксплуатации, имеет для сварных конструкций большое значение. При оценке прочности различных по форме сварных соединений необходимо учитывать концентрацию напряжений и ее влияние в зависимости, от вида нагрузки.

Напряженное состояние соединения в стык. На фиг. III. 1 приведены эпюры напряжений в моделях стыкового соединения, которые показывают, что даже в таком благоприятном по своей форме сварном соединении, как стыковое, распределение напря­ жений неравномерно. Наиболее значительная концентрация на­ пряжений наблюдается в местах переходов от шва к основному металлу, расположенных у выступов (усилений) шва.

Наличие выступов у стыкового шва является той причиной, которая вызывает концентрацию напряжений в соединении.

Фиг. III. 1. Распределение напряжений в моделях соеди­ нения в стык.

В соединениях клепаных конструкций концентрация напря­ жений более значительна, чем в сварном стыковом соединении. По данным, полученным экспериментально, коэффициент кон­ центрации напряжений для соединений с двухсрезными заклеп­ ками достигает значения:

Атах

Результаты специальных исследований показали, что кон­ центрация напряжений в стыковом соединении зависит от формы шва, главным образом, от формы поверхности участков перехода от шва к основному металлу. На фиг. III. 2 приведены зависимо­ сти коэффициента концентрации напряжений от высоты усиления шва и от радиуса перехода. Уменьшение местных утолщений шва и обеспечение плавных переходов от шва к основному металлу

являются эффективными средствами снижения концентрации напряжений в стыковом соединении. Эти средства являются вполне достаточными для того, чтобы обеспечить вибрационную проч­ ность сварного соединения равной вибрационной прочности глад­ кого образца из основного металла.

Напряженное состояние соединения впритык. Соединения впритык весьма широко применяются в различных сварных кон­ струкциях. Они характеризуются более значительными измене­ ниями формы по сравнению с соединениями встык и поэтому кон­ центрация напряжений в них может быть более высокой.

Фиг. III. 2. Изменение коэффициента концентра­ ции напряжений в соединении встык в зависи­ мости от высоты усиления шва (а) и радиуса перехода (б) (Ô =40 м м ).

На фиг. III. 3 показаны эпюры напряжений в сечении у швов в моделях соединений впритык.

Наиболее благоприятно напряжения распределяются в об­ разце, имеющем полный провар и плавный переход от основного металла к угловым швам.

Увеличение неравномерности распределения напряжений в се­ чении у швов образца с угловыми швами объясняется влиянием непровара, который, изменяя поток усилий, создает дополнитель­ ную концентрацию напряжений.

Разделка кромок соединяемых элементов, обеспечивающая полный провар по всей их толщине, создает более благоприятные условия работы соединения, которые характеризуются менее зна­ чительной концентрацией напряжений. В этом случае напряжен­ ное состояние соединения впритык приближается к напряженному состоянию соединения встык и поэтому такое его конструктивное оформление рекомендуется применять в наиболее ответственных случаях, когда снижение концентрации напряжений может повы­ сить надежность работы соединения (например, при вибрационной нагрузке).

На фиг. III. 4 приведены эпюры напряжений в различных се­ чениях углового шва соединения впритык. Эти данные свидетель­ ствуют о весьма неравномерном распределении напряжений в шве. Наиболее опасным сечением углового шва является его косое сечение В — Г, в котором и нормальные и касательные напряжения достигают наибольшей величины. При этом особо

2000

Ж Р

100 50 0 50 100мм

Фиг. III. 3. Эпюры напряжений в сечении у швов (А—А) в мо­ делях соединения впритык.

Цифрами обозначены различные типы соединения и соответствующие им эпюры.

напряженным участком является вершина углового шва — точ­ ка В. Эта точка является очагом зарождения трещины в угловом шве при его разрушении. Лобовое сечение углового щва — сече­ ние Б — В — также напряжено достаточно интенсивно.

В лобовом сечении кроме весьма значительных нормальных напряжений действуют также еще и касательные напряжения,

которые появляются в этом сечении в результате сопротивления поперечным деформациям, оказываемого со стороны среднего про­ межуточного элемента. О наличии этой поперечной реакции и о ее величине можно судить по эпюре нормальных напряжений в се­ чении Д — Д промежуточного элемента.

Фиг. III. 4. Эпюры напряжений в различных сечениях углового шва соединения впритык.

Интенсивное нагружение лобового сечения углового шва при­ водит к тому, что в некоторых случаях разрушение соединения впритык может происходить не по косому, а по лобовому сечению.

Сечение В—А по подошве углового шва нагружено менее интен­ сивно, однако и оно в некоторых случаях может явиться местом разрушения. Так, например, при действии сжимающей нагрузки

условия работы в лобовом и косом сечениях становятся более бла­ гоприятными из-за повышенной способности металла сопротив­ ляться смятию, и разрушение в этом случае (при наличии некото­ рого зазора в месте примыкания основных элементов к промежу­ точному) должно будет произойти в сечении по подошве шва.

Напряженное состояние соединения внахлестку. На фиг. III. 5 приведены эпюры распределения напряжений в различных сече-

Фиг. III. 5. Эпюры напряжений в различных сечениях соеди­ нения внахлестку.

ниях соединения внахлестку (в данном случае соединения с на­ кладками), осуществленного лобовыми швами. Приведенные эпюры показывают, что в этоМ случае напряженное состояние в се­ чениях лобовых швов является весьма сходным с напряженным состоянием угловых швов соединения впритык (см. фиг. III. 4).

Существенное различие соединения с накладками, осуще­ ствляемого лобовыми угловыми швами, от соединения впритык состоит в том, что по своей конструкции соединение с накладками не может быть улучшено за счет увеличения глубины провара и его прочностные характеристики находятся на уровне наименее надежного типа соединения впритык.

Исследования показали, что в случае применения только боко­ вых угловых швов, а также и комбинации боковых и лобовых уг­ ловых швов для передачи усилий на накладки, условия распре­ деления напряжений в подобных соединениях не получают суще­ ственного улучшения и выносливость для всех их конструктивных разновидностей остается примерно на одном и том же уровне, который является весьма низким. По этой причине соединения с накладками, как и все другие соединения внахлестку, приме­ нять в конструкциях, воспринимающих вибрационные нагрузки, не рекомендуется.

Распределение напряжений в местах приварки ребер жесткости. Ребра жесткости относятся к вспомогательным элементам кон­ струкции; однако в местах их прикрепления в форме поперечного сечения основных элементов неизбежно создаются весьма суще­ ственные изменения, которые могут привести к значительной концентрации напряжений. На фиг. III. 6 приведены эпюры напряжений в местах приварки ребер жесткости. Наиболее высокая концентрация напряжений находится в районе корня шва в узле с парными ребрами и односторонними швами, что видно из сравнения эпюр напряжений на фиг. III. 6, а и фиг. III. 6, б.

Вузлах с односторонними швами концентрация напряжений

врайоне корня шва оказывается более высокой, чем в районе пере­

хода от шва к поверхности листа. Распределение напряжений в узлах с одиночными ребрами при осевой нагрузке характери­ зуется тем, что точки перехода от шва к основному металлу ока­ зываются расположенными в зоне несколько сниженных напря­ жений. Это объясняется тем, что при эксцентричном креплении ребра общее растяжение сопровождается местным изгибом, от которого в зоне швов возникает дополнительное сжимающее напря­ жение, в результате чего суммарные напряжения в этой зоне умень­ шаются. Такое благоприятное действие дополнительных напря­ жений от местного изгиба проявляется и в соответствующем повы­ шении предела выносливости для узлов с одиночными ребрами жесткости (фиг. III. 6, в и фиг. III. 6, г). В случаях применения двусторонних швов напряженное состояние является более благо­ приятным. При этом создается местное дополнительное усиление, которое, перекрывая наиболее опасные участки, расположенные у корня шва, разгружает их.

Весьма высокая концентрация напряжений возникает в свар­ ных конструкциях в местах резкого изменения формы отдельных элементов. Подобные условия были созданы при испытании образца с крестовыми соединениями (фиг. III. 7). Такие типы соединений характерны для сопряжений пересекающихся плоских элементов, расположенных в различных плоскостях. Примеры применения подобных соединений в реальных конструкциях встречаются довольно часто.

Фиг. III. 6. Эпюры распределения напряж ений в местах при­ варки ребер ж есткости.