 |
Расчет сварных соединений при переменных во времени нагрузках.
|
|
|
|
Переменный характер нагружения сварного шва и наличие большого количества всевозможных дефектов, неизбежно возникающих при сварке, снижают долговечность этого соединения, которая оказывается ниже по сравнению с другими видами сборки. В условиях постоянного переменного нагружения, и особенно знакопеременного, сварные соединения лучше не использовать вообще ввиду их малой долговечности. Однако замена их заклепочными не всегда экономически оправдана ввиду нетехнологичности изготовления последних. Поэтому в настоящее время сварные соединения широко применяются и при переменной нагрузке.
В основе расчета прочности при переменном характере внешнего нагружения лежат методы расчета статической прочности. Такие расчеты ведутся как номинальным напряжениям, так и с учетом местных концентраций, возникающих на границах сварных зон. В большинстве случаев единственным методом расчета местных напряжений остается МКЭ, реализация которого требует применения эффективных инструментальных средств. Аналитическими методами найти величины воспринимаемых напряжений можно только для простейших сварных соединений. В отдельных случаях можно воспользоваться усредненными значениями коэффициентов концентрации, но такой подход к проблеме усталостной прочности представляется достаточно грубым.
Концентрация напряжений в сварных швах. Под концентрацией понимается наличие локальных участков с высоким по сравнению с номиналом уровнем напряжений. Главными причинами концентрации являются резкая перемена геометрической формы и неравномерные температурные деформации, которые вызывают появление остаточных напряжений. Как было отмечено ранее, сварные швы являются существенным источником местных напряжений, поскольку для них характерна неоднородность материала шва, его свойств, наличие дефектов и напряжений, обусловленных температурными деформациями, и т. д. Статическая прочность шва мало зависит от наличия местной концентрации, но последняя оказывает значительное влияние при переменном режиме нагружения, так как в месте расположения концентратора может появиться усталостная трещина, что приведет к разрушению. Концентрацию можно намного уменьшить за счет механической и термической обработки швов.
|
|
|
Расчет сварных соединений на выносливость. Расчет выносливости сварного соединения зависит от типа шва.
Расчет выносливости соединения стыковым швом. Расчет выносливости стыкового соединения выполняется по эквивалентным нормальным напряжениям. Напряженное состояние в каждой точке можно характеризовать совокупностью главных напряжений. При этом режим действующих переменных напряжений сводится к эквивалентному периодическому нагружению с напряжением:
Здесь индекс 1 указывает на наибольшие главные напряжения, а 3 - на наименьшие; индекс am относится к амплитудным значениям напряжений, m - их средним величинам; ψσ - коэффициент асимметрии цикла; i - индекс текущей точки сварного шва.
Для сварных соединений влияние средних напряжений цикла достаточно мало, и в большинстве случаев коэффициент асимметрии цикла принимается равным нулю. Проводится так называемый расчет по предельной амплитуде.
Согласно гипотезам прочности, двухосное напряженное состояние может быть сведено к эквивалентному (равнопрочному) одноосному напряженному состоянию с напряжением 
. Используя гипотезу максимальных касательных напряжений, для каждой из точек можно записать
Если общее число участков шва равно n, то рассчитанные напряжения составляют последовательность напряжений на каждом участке. Величины фактических напряжений позволяют определить теоретические значения коэффициентов концентрации и эффективный коэффициент концентрации для каждой из точек сварного шва по формуле:
|
|
|
Значение коэффициента запаса для любой точки сварного шва согласно равно
По наименьшему из коэффициентов запаса можно судить о прочности соединения в целом. При этом прочность считается удовлетворительной, если выполняется соотношение 
Таблица 10.2.
Ориентировочные значения эффективных коэффициентов
концентрации сварных соединений
Приведенные в таблице 10.2 значения соответствуют вероятности их появления, равной Р = 0,5. Разброс значений подчиняется нормальному закону. В этом случае для получения эффективных коэффициентов концентрации можно рекомендовать зависимость
где up - квантиль нормального распределения.
Для расчета эффективного коэффициента концентрации при другой вероятности неразрушения можно воспользоваться таблицей 10.3.
Таблица 10.3
В качестве примера определим значение Kσ с вероятностью P = 0,95 для сварного соединения:
Расчет выносливости соединения, выполненного угловым швом. Для швов этого типа характерно то, что расчет их прочности выполняется по касательным напряжениям. Формула для расчета значения коэффициента запаса получена ранее:
. 
Предположим ψI = 0, что соответствует расчету по амплитудным напряжениям, тогда
где 
- амплитудное напряжение цикла.
|
|
|
