книги / Несущая способность сварных соединений
..pdfКак видно из (3.2), полученное выражение не учитывает влияния геометрии лобового шва на напряженное состояние вблизи вершины дефекта, а также смешанного типа нагружения в данной области.
Для нахлесточных соединений [102] при произвольном на правлении нагрузки Я» и Voo , а также появляющегося момента М х приведены выражения для описания поля напряжений вблизи вершины непровара:
К, _ _ £ £ Г 4" - ^ р . + |
||
~ ж*—8L А — I |
|
|
Кн = |
V * ** |
и |
8 Vh — l |
|
|
|
|
|
4ir — 8 |
(3.3) |
|
(А— /)«* |
|||
|
|||
. |
Кш — 0. |
|
|
' |
|
|
При растяжении соединений с двумя симметричными наклад ками при Р00= М Х= 0 , как следует из (3.3), напряженное со стояние в окрестности вершины непровара определяется только одним параметром /Си, хотя в действительности имеет место смешанный тип нагружения.
В [9, 10, 13] предложенные методики расчета прочности свар ных соединений с угловыми швами не учитывают ряд важных па раметров и моментов, которые в значительной степени оказывают влияние на их сопротивляемость хрупким и квазихрупким разру шениям. К ним следует отнести радиус в вершине непровара, ко торый может быть на порядок больше радиуса усталостной тре щины, глубину проплавления присоединяемых пластин, развитые пластические деформации в окрестности вершины непровара и др.
3.1.1. Вязкое разрушение
Из существующих аналитических и расчетных методов решения пластических задач наиболее удобным для анализа несущей спо собности сварных соединений с угловыми швами является метод, основанный на кинематической теореме предельного равновесия [158].
На рис. 3.2 представлены расчетные схемы оценки несущей спо собности тавровых и нахлесточных соединений с угловыми швами, отвечающие экспериментальным данным [1 1 , 1 2 ] по характеру пластического деформирования и напряженному состоянию. В со ответствии с этими схемами в предельном состоянии очаг пласти ческого деформирования представлен упрощенными линиями скольжения ОАь направленными под некоторым углом Bi к оси х и совпадающими с плоскостью вязкого разрушения. В результате установлено [181], что углы наклона поверхности разрушения 0 ,- непосредственно зависят от геометрических параметров: угла на клона лобовой грани шва (J, глубины проплавления пластин А и площади (объема) наплавленного металла F. В частности, для тавровых соединений наблюдаются три диапазона изменения уг
лов 0j, .характеризующихся выходом разрушения-на свободную (боковую) поверхность соединения (точка А ) по отношению к. вершине углового шва С (см. рис. 3.2).
Для нахлесточных соединений характерны два диапазона. В первом случае плоскость разрушения проходит по сечению шва, во втором — через точку перехода углового шва к основному метал* лу (см. рис. 3.2, г., д) .
Исходя из баланса мощностей внутренних и внешних сил по лучено выражение для оценки несущей способности (средних пре
дельных напряжений) <тСр рассматриваемых соединений с угловы ми швами:
,<3.4>
I / O ~р
где 1 . — относительная площадь наплавленного металла
(В — толщина пластины); Клр — коэффициент, зависящий от геометрических параметров соединений.
Выражение для определения К тщ в общем виде
для тавровых соединений
sin р
К•Т]Р (3.5)
V tg£ /sin(P+ejsinG/
для нахлесточных соединений
|
cos р |
(3.6) |
|
КчР = ^ ^ Р ) sinCP + e js in ^ * |
|
|
|
|
где ц = |
— относительная глубина проплавления присоединяем |
мых пластин.
Для тавровых соединений в зависимости от диапазона измене ния углов 0^ выражения для определения коэффициента Клр имеют -вид
Р
o « N P « ; |
к $ = 2 ч: |
(3.7) |
где р* и р** — граничные значения угла р, определяемые выраже
ниями
g
-п= tg & V * g h . Р« = arctS № • |
.(3.8) |
Для нахлесточных соединений с угловыми швами выражения для KTJP имеют вид
Ог=р=йР*; в, = ——Ё-; |
Ш = 2 tg£ |
Vie?) |
(3.9) |
||
2 |
2 |
,р |
6 2 \ t g p |
||
в , = |
arctg (т) ] / t g |) ; |
- ч + |
р = = = г , |
|
где р* — граничное значение угла р, определяемое из соотношения (ЗЛО)
Зависимости угла вязкого разрушения от относительной глу
бины проплавления стенки тавра или нахлестки ц= Y 2 F Н ^ГЛа
to*
фланговыми швами [184], нормативный метод расчета является заниженным. Это связано с выбором в качестве расчетного на именьшего по длине шва сечения, лежащего в одной плоскости. В [23] показано, что разрушение фланговых швов происходит по ха рактерному сечению, не совпадающему с расчетным и имеющему изогнутую поверхность (рис. 3.4). При этом экспериментальные данные о напряженно-деформированном состоянии фланговых швов, выполненных ручной дуговой сваркой [47], показали, что
Т а б л и ц а 3.1 |
Т а б л и ц а 3.2 |
Основные геометрические параметры и результаты испытаний сварных тавровых соединений
В. |
1 |
|
теор |
ЭКС |
град |
в |
ЧГ |
Ф» |
МПа |
|
|
|
МПа |
|
27 |
0,66 |
0,57 |
267...287 |
292 |
30 |
0,60 |
0,64 |
318...340 |
304 |
30 |
0,53 |
0,59 |
323...345 |
255 |
30 |
0,85 |
0,71 |
296...318 |
312 |
40 |
0,64 |
0,46 |
252...270 |
276 |
40 |
0,60 |
0,54 |
321...336 |
349 |
45 |
0,13 |
0,65 |
548...589 |
575* |
58 |
0,36 |
0,70 |
548...589 |
549* |
60 |
0,39 |
0,74 |
548.,.589 |
591* |
60 |
0,35 |
0,57 |
548...58Э |
575* |
65 |
0,21 |
0,68 |
548...589 |
536* |
70 |
0,67 |
0,72 |
477...512 |
479 |
70 |
0,41 |
0,59 |
548...58Э |
560* |
* Разрушение тавровых соединений по основному металлу (по стенке тавра).
Основные геометрические параметра и результаты испытания нахпесточных сварных соединений
Р. |
|
|
ГГѰР|
ЭКС |
|
V) |
¥ |
ф. |
°ф. |
||
град |
|||||
|
|
|
МПа |
МПа |
|
26 |
0,31 |
0,56 |
305...328 |
314 |
|
30 |
0,38 |
0,65 |
377...405 |
390 |
|
30 |
0,31 |
0,59 |
321...345 |
360 |
|
30 |
0,46 |
0,68 |
422...453 |
442 |
|
45 |
0,35 |
0,54 |
331...356 |
325 |
|
45 |
0,37 |
0,67 |
417...448 |
407 |
|
45 |
0,32 |
0,59 |
354...380 |
375 |
|
60 |
0,38 |
0,65 |
403...433 |
438 |
|
60 |
0,41 |
0,70 |
442...474 |
435. |
|
60 |
0,62 |
0,71 |
503...540 |
535 |
|
64 |
0,35 |
0,62 |
378...405 |
396 |
|
64 |
0,55 |
0,68 |
4б4...498 |
490 |
|
70 |
0,38 |
0,65 |
370...397 |
363 |
|
70 |
0,56 |
0,72 |
446...480 |
503 |
поверхность разрушения является криволинейной и проходит че рез катет, передающий нагрузку.
Теоретический анализ статической прочности сварных соедине ний с фланговыми швами выполнен с использованием кинематиче-
Рис. 3.4. Схема соединения с фланговыми швами (а), факти
ческая OAA\Oi и принятая по нормативному расчету [151] 0NN\0\ поверхности разрушения (б) и развертка их на плос
кость (в).
Ж
ской теоремы предельного равновесия с учетом фактической по верхности разрушения [158]. При этом, согласно [23, 47], в рас четной схеме принято, что разрушение происходит в результате сдвига в направлении приложенной нагрузки под действием каса тельных напряжений по некоторому криволинейному сечению А 0 А \0 \ (см. рис. 3.4), где они достигают предела текучести ме талла шва при чистом сдвиге T = 6 Mnr. Исходя из граничных усло вий в начале и конце шва (имеется в виду направление силового потока по длине флангового шва) и экспериментальных данных о характере разрушения, при теоретическом анализе принимали, ■что поверхность разрушения представляет собой некоторую винто вую поверхность, образованную вращением относительно оси z прямой переменной длины AiOi, перпендикулярной данной оси и проходящей через вершину непровара. Вращение при этом проис ходит с одновременным продвижением указанной прямой по дли не шва. Развертка винтовой поверхности на плоскость представля ет собой криволинейную трапецию (см. рис. 3.4), ограниченную кривой линией, описываемой уравнением
РГс. |
(1 - M ' / t g p ) sin р |
(3.11) |
f ( z ) = V 2 F |
р sin Р + (-Пarctg- У Ш У |
|
V |
|
где F — площадь поперечного сечения наплавленного шва; т)=
h
= у^== — относительная глубина проплавления.
Интегрируя выражение (3 .1 1 ) по длине шва L, получаем соот ношение для определения площади поверхности разрушения флан говых швов:
|
(1 + 7 ]K t^ P )SlnP |
V t gp |
|
S v = Vr2F L |
*1 |
||
|
|||
|
|
(3.12)
Выражение для оценки несущей способности соединений с фланговыми швами имеет вид
P = kUmSp. |
(3.13) |
Для практических инженерных расчетов формула (3.12) для определения площади поверхности разрушения SP аппроксимиро вана более простой зависимостью
S , = V |
2 |
F |
. |
(3.14) |
/ |
2 ( 1 |
+ TJ) arc |
|
|