SK2 (1) (Лекции в формате Word), страница 2

Рис. 53. Диаграмма Смита

;

. (77)

Уравнение (77) описывает наклонную прямую на диаграмме: при переходе от симметричного цикла к постоянной нагрузке предел выносливости растет от до , а размах , вызывающий разрушение, снижается от до 0.

Если превышение предела текучести не допускается, то вместо участка, показанного пунктиром, используется горизонтальный участок на диаграмме (сплошная линия с изломом на рис. 53).

2.6. Влияние частоты циклов и других факторов

1. При одинаковых размахах напряжения и числах цикло низкая частота наиболее опасна. Это следует учитывать при ускоренном проведении испытаний. Возможно, это связано с разогревом зоны повреждения при увеличении частоты. Разогрев повышает пластичность и приводит к залечиванию образовавшихся повреждений.

2. Наложение другой частоты (обертонов) снижает прочность.

3. Шероховатость поверхности снижает прочность гладких деталей, но не влияет на прочность деталей с острыми концентраторами (такими, как сварные соединения с угловыми швами). Это объясняется тем, что при отсутствии концентраторов их роль начинают играть неровности на поверхности.

4. Коррозия и дефекты снижают прочность (особенно в зоне концентрации напряжения).

5. Остаточные напряжения обычно снижают прочность, но могут и повышать ее, если являются сжимающими:

. (78)

6. Термообработка (отпуск), с одной стороны снижает , а следовательно и ; с другой стороны, она снижает остаточные напряжения, что может приводить к повышению (это важно при высокой концентрации напряжений).

7. Упрочнение поверхности повышает .

2.7. Расчет сварного соединения на выносливость

Разрушение начинается от места концентрации напряжения, далее образовавшаяся усталостная трещина растет по нормали к наибольшему растягивающему напряжению. Чаще всего рост трещины происходит по основному металлу рядом со сварным швом (а не по металлу шва).

Это не означает равнопрочности сварного соединения. Соединение в целом неравнопрочно основному металлу, то есть сечению вдали от шва.

Характер разрушения накладывает отпечаток на расчет. При расчетах на выносливость, так же как при расчетах на статическую прочность стыковых соединений, рассматриваются, как правило, сечения соединяемых деталей, а не швов, и напряжения в сечениях деталей, а не в швах

. (79)

Во многих случаях расчет швов на выносливость можно исключить, так как разрушение не идет по шву. Швы при этом рассчитываются из условия статической прочности, по формулам (8) и (10).

Расчет на статическую прочность является обязательным элементом расчета на выносливость. Иногда сразу ясно, какое из предельных состояний опаснее, тогда часть расчетов можно не проводить, заменив их изложением соответствующих соображений.

2.8. Расчет выносливости сварного соединения по СНиП II-23-81

Нормативный документ СНиП II-23-81 (Строительные нормы и правила, часть II «Нормы проектирования», глава 23 «Стальные конструкции», год выпуска 1981) регламентирует методы расчета строительных конструкций и их сварных соединений на статическую прочность, выносливость и устойчивость. Он лежит в основе изучаемого нами курса «Расчет и проектирование сварных соединений и конструкций». В машиностроении и других отраслях промышленности, к сожалению нет такого единого и хорошо проработанного документа, хотя принципы расчетов те же.

1. Условие работоспособности сварной конструкции при работе на выносливость в СНиП II-23-81 записано в виде

. (80)

Вместо допускаемого напряжения в СНиП используется расчетное сопротивление, обозначаемое буквой , с дополнительными коэффициентами.

По смыслу произведение в правой части формулы (80) и является тем, что в сопромате называется допускаемым напряжением при работе на выносливость

, (81)

где - расчетное сопротивление усталости, - коэффициент, учитывающий число циклов, - коэффициент, учитывающий асимметрию цикла (r) и знак - максимального напряжения цикла.

1. Расчетное сопротивление зависит от основного металла (в СНиП II-23-81 обозначается ) и от номера группы элементов, к которой относится сварное соединение (рис. 54). Номер группы характеризует концентрацию напряжений в сварном соединении (эффективный коэффициент концентрации напряжения).

Рис. 54. Соотношение эффективного коэффициента концентрации напряжения различных сварных соединений с их номером группы по СНиП II-23-81

Рассмотрим некоторые примеры выбора номера группы и значения для различных типов деталей и сварных соединений:

группа 1 - основной металл полосы с параллельными кромками (прокат или механическая обработка): для стали Ст.3 ;

группа 2 - основной металл у стыкового обработанного шва, соединяющего пластины: для стали Ст.3 ;

группа 3 - основной металл у стыкового шва со снятым усилением при разной ширине и толщине деталей: для всех конструкционных сталей ;

группа 4 - основной металл у стыкового соединения профилей проката и труб: для всех конструкционных сталей ;

группа 5 - основной металл у диафрагм и ребер, приваренных угловыми швами: для всех конструкционных сталей ;

группа 6 - основной металл у лобового (поперечного) углового шва: для всех конструкционных сталей ;

группа 7 - основной металл у конца флангового шва в соединении с фланговыми и лобовыми швами: для всех конструкционных сталей ;

группа 8 - основной металл у конца флангового углового шва в соединении только с фланговыми швами: для всех конструкционных сталей .

Для групп с 3 по 8 зависит только от номера группы и не зависит от временного сопротивления стали . Здесь учтен тот факт, что при высокой концентрации напряжения усталостная прочность всех марок стали сближается.

Для каждого из рассмотренных примеров в СНиП II-23-81 показан эскиз сварного соединения со схемой приложения нагрузки и отмечено опасное сечение, по которому ожидается разрушение. Непосредственной причиной разрушения всегда является концентратор напряжения, от которого начинает расти трещина (малая область, практически одна точка). На каждом из рис. 55-57 сведено несколько взятых из СНиП II-23-81 опасных сечений для основного металла, стыковых, нахлесточных и тавровых соединений.

В полосе вдали от швов концентраторы отсутствуют, поэтому их роль играют неровности кромок полосы (рис. 55, сечение А-А). В случае механической обработки кромок неровности малы, тогда это сечение соответствует первой группе элементов. Если полоса вырезана газовой резкой без последующей механической обработки кромок, то это же сечение соответствует второй группе.

Рис. 55. Сечения листовых деталей вдали от сварных швов

Галтель является дополнительным концентратором напряжения, если ее радиус менее 200 мм. При мм, в случае механической обработки кромок, для сечения Б-Б рядом с галтелью сохраняется первая группа элементов, как для сечения ровной полосы А-А. При мм для сечения Б-Б принимается четвертая группа элементов. Вторая группа может быть принята, если радиус галтели больше половины ширины полосы: . При действии нескольких концентраторов учитывается худший из них. Принимаемая группа элементов для галтели с мм не зависит от того, вырезана полоса газовой резкой или механически обработана.

Опасное сечение для стыкового соединения проходит по границе шва, трещина возникает на линии сплавления и растет по основному металлу вдоль границы шва (рис. 56). Концентрация напряжения выше при соединении деталей разной ширины или толщины. Снятие усиления шва после сварки механической обработкой снижает концентрацию напряжения.

Рис. 56. Группы элементов для сварных соединений со стыковыми швами (номера групп проставлены рядом с опасными сечениями)

Угловые швы создают более высокую концентрацию напряжения, чем стыковые (рис. 57). Наиболее опасное место – по линии сплавления лобового шва. Если шов связующий (не передает нагрузку с одной из соединяемых им деталей на другую), то концентрация напряжения ниже, чем у аналогичного рабочего шва.

Рис. 57. Группы элементов для сварных соединений с лобовыми угловыми швами (номера групп проставлены рядом с опасными сечениями)

Фланговый шов неравномерно нагружен по длине, максимумы нагрузки приходятся на концы шва. Это создает очень высокую концентрацию напряжения (восьмая группа по СНиП II-23-81). Если кроме фланговых, в соединении присутствуют лобовые швы, то нагрузка распределяется более равномерно, и номер группы улучшается до седьмого (рис. 58).