SK1_2 (1) (Лекции в формате Word)

Глава 1. Статическая прочность сварных соединений

1.1. Рабочее и предельное состояния конструкции

Рабочее состояние – это текущее состояние конструкции в процессе ее эксплуатации. Состояние оценивают по параметрам, которые можно измерить или рассчитать. При оценке прочности конструкции такими параметрами являются напряжения и деформации.

Предельным называется рабочее состояние, которое является нежелательным, недопустимым или опасным. Для нормальной работы конструкции необходимо, чтобы ни одно из предельных состояний не наступило.

При нагружении металлических конструкций характерны 3 группы предельных состояний:

1. недопустимое изменение формы и размеров;

2. появление или начало роста трещин;

3. недопустимый рост трещин и полное разрушение.

Причины наступления предельных состояний могут быть разные:

1): – текучесть или потеря устойчивости при нормальной температуре,

– ползучесть при повышенной температуре;

2): – усталостное разрушение при переменной нагрузке,

– коррозия в агрессивной среде,

– ползучесть при повышенной температуре;

3): – хрупкое разрушение;

– вязкое разрушение по тонкому сечению.

Для обеспечения работоспособности необходимо регулировать показатели рабочего состояния, не допуская его перехода ни в одно из предельных.

Для оценки работоспособности необходимо сопоставить показатели рабочего и предельного состояний.

Условие работоспособности

_, (1)

где - показатель рабочего состояния (рабочее напряжение); - показатель предельного состояния (допускаемое напряжение).

Для обеспечения эффективной работы конструкции надо стремиться к повышению рабочих напряжений и приближению их к допускаемым, в идеальном случае к равенству рабочих и допускаемых напряжений. Но при этом необходимо иметь в виду случайные и неучтенные факторы.

Допускаемое напряжение зависит от материала.

Предположим, что необходимо обеспечить точность конструкции (постоянство размеров). Надо не допустить пластических деформаций, для этого напряжения должны быть ниже предела текучести .

Если испытывать образцов одной марки стали, то получим разные значения , особенно если это сталь с различных заводов (рис. 1).

Рис. 1. Распределение фактического предела текучести

Распределение показывает вероятность того, что будет выше или ниже заданного уровня. Обычно выбирают достаточно высокий уровень вероятности для характеристик, заносимых в справочники. Но получить невозможно.

Если замерить рабочие напряжения, то они тоже отклоняются от среднего уровня из-за изменения нагрузки, отклонения размеров и наличия скрытых дефектов.

Если задать такой уровень нагрузки, при котором среднее значение напряжения будет равно среднему значению предела текучести , то получим всего 50 % вероятности того, что , то есть в половине случаев текучесть будет.

Поэтому приходится вводить запас: , чтобы снизить вероятность наступления текучести. Но полностью устранить такую вероятность (обеспечить ) невозможно (рис. 2).

Рис.2. Диаграмма работоспособности

Какая нужна вероятность того, что предельное состояние не наступит? Это зависит от его вида и последствий. Решение лежит в административно-экономической области, либо начальник устанавливает в зависимости от своей смелости, либо сравнивают потери от отказа и расходы на его предотвращение.

Вероятность рассчитывать сложно. Для этого нужно экспериментально определить распределения всех случайных факторов (размеров сечения и дефектов, свойств материала, нагрузок). Ее можно заменить коэффициентом запаса

, (2)

где - коэффициент запаса по предельному состоянию. Значение коэффициента запаса и вероятность однозначно связаны. Коэффициент запаса дает более грубую и простую оценку для допускаемого напряжения:

, (3)

. (4)

Здесь заложены 2 основных предельных состояния, характерных для сварных конструкций:

• изменение размеров при ;

• вязкое разрушение при ;

- предел прочности (временное сопротивление);

, поскольку разрушение опаснее и его допускаемая вероятность должна быть меньше.

В основе нашего курса – Строительные нормы и правила, а именно, часть II, глава 23 – Стальные конструкции (СНиП II – 23 – 81^*).

Коэффициент запаса по минимальный , поскольку значения в таблицах с обеспеченностью , а на отклонение нагрузок и размеров в СНиП II – 23 – 81^* предусмотрены отдельные коэффициенты запаса.

В машиностроении принято все запасы сводить в один коэффициент, поэтому он бывает , а иногда и больше.

1.2. Стыковые соединения

Стыковые соединения (рис. 3) бывают однопроходные и многопроходные, с разделкой кромок и без разделки, с различными способами сварки.

Рис. 3 Работа стыкового соединения на растяжение-сжатие с изгибом

, (5)

где - площадь и момент сопротивления изгибу для сечения по основному металлу (без учета усиления шва);

, (6)

, (7)

. (8)

Со штрихом обозначают допускаемые напряжения для металла шва. Для конструкционных сталей при правильной технологии ручной дуговой сварки обычно свойства шва как при растяжении, так и при сжатии не хуже, чем у основного металла: . Поскольку сечение шва также не меньше сечения соединяемых деталей, обеспечивается прочность шва не хуже, чем у основного металла. Это называется равнопрочностью шва.

Равнопрочность – очень важное понятие при проектировании сварных соединений. Нет никакой необходимости делать шов прочнее, чем соединяемые им детали, поскольку разрушение всегда идет по самому слабому месту. Если равнопрочность шва по всем возможным предельным состояниям обеспечена, то требования по его прочности полностью выполнены. Поэтому, если допускаемое напряжение металла шва не ниже, чем у основного металла, а размеры его сечения не меньше, чем у соединяемых деталей, проверка на прочность по уравнениям (5-9) для него не требуется, поскольку такая проверка уж была кем-то сделана при выборе сечения соединяемых деталей.

Если , или шов имеет непровар или дефекты (толщина шва меньше, чем основного металла ), то шов не является равнопрочным и требуется расчет по минимальному сечению шва.

Если сила направлена параллельно оси шва (рис. 4), то шов работает на срез, в нем возникают касательные напряжения.

Рис. 4. Работа стыкового соединения на срез

, (9)

. (10)

При отсутствии данных о допускаемом напряжении среза по шву принимают

. (11)

В общем случае ось шва может располагаться под произвольным углом к линии действия силы (рис. 5). Такие швы называют косыми. В косом шве возникают как нормальные, так и касательные напряжения. Чтобы их рассчитать, нужно разложить действующую на шов силу на 2 составляющие, одна из которых параллельна, а другая перпендикулярна оси шва.

, .

При этом следует учитывать, что длина шва больше ширины пластины. Поэтому косой шов может обеспечить равнопрочность сварного соединения даже в случае . Косые швы часто применяют при пайке и склеивании.

Рис. 5. Работа стыкового соединения с косым швом на растяжение-сжатие и срез

Возможны различные варианты взаимного влияния нормального и касательного напряжений (рис. 6). Эксперименты показывают, что предельная кривая имеет форму эллипса

. (12)

Это значит, что главное влияние оказывает больший из 2 компонентов напряженного состояния. По мере роста второго компонента, его влияние вначале незначительно, а потом плавно возрастает. Текущее рабочее состояние отображает на рис. 6 точка с координатами (σ, τ). Опасность разрушения возникает, если эта точка не находится внутри предельной кривой.

Рис. 6. Схема взаимодействия нормального и касательного напряжений в косом шве

Формулы (8) и (10) являются частными случаями формулы (12). При в шве действуют только касательные напряжения, при - только нормальные.

Если , и шов не имеет дефектов, то проверка прочности не требуется, если обеспечена прочность соединяемых деталей (сварное соединение равнопрочно).

1.3. Нахлесточные соединения

Рис. 7 Угловой шов нахлесточного соединения: k – катеты шва; а – толщина минимального сечения; е – глубина проплавления

Один из катетов шва не может быть больше толщины нахлестки: . Чаще всего применяют равнокатетный шов: . При увеличении катета прочность увеличивается, но растет объем сварочных работ и расход присадочного материала. Одиночный сварной шов, как правило, не обеспечивает равнопрочности сварного соединения (только в некоторых случаях, при , ).

Наиболее широко угловые швы применяются на монтаже (меньше требования к сборке,чем при сварке встык). Всего на угловые швы уходит 70-80 % наплавляемого в стране металла.

Швы, ось которых параллельна приложенной нагрузке, называются фланговыми, а те, ось которых перпендикулярна приложенной нагрузке, называются лобовыми. В сечениях лобовых швов возникают как касательные, так и нормальные напряжения, но условно принимается, что все угловые швы работают на срез.