книга1 с (Часть полезной книги), страница 6

Задачи первого типа про­ще — для их решения требу­ется найти критические силы и напряжения. Устойчивость элементов может рассматри­ваться либо в отношении только собственных сварочных напря­жений, либо, если необходимо определить устойчивость в период эксплуатации, в отношении рабочих и собственных напряжений. Решение таких задач включает в себя: а) определение формы, размеров и условий закрепления элемента, который может потерять устойчивость; б) определение действующих сил и напряжений; в) определение критических сил и напряжений и сравнение их с действующими..

Рассмотрим ход решения задачи на примере сварной двутавро­вой балки (рис. 8.21, а). Усадочные силы вызывают в продольном направлении сжатие стенки и поясов, которые могут потерять устойчивость. Стенка представляет собой прямоугольную пластину (рис. 8.21, б) шириной и длиной длинные стороны которой считаем находящимися в жесткой заделке, так как они прива­рены к. поясам. Усадочные силы на некотором расстоянии от концов создают равномерное сжатие площадь поперечного сечения балки. Поэтому пластина нагружена

223

по коротким сторонам напряжениямиКритические напряг

ния для этого случая нагружения

Если произойдет потеря устойчивости. Полка так

может потерять устойчивость. Половина полки шириной околов представляет собой пластину, заделанную только по одной дл! ной стороне (рис. 8.21, в). Пластина нагружена напряжениями а Критическое напряжение для такой пластины

(8.;

При приварке листа к каркасу нахлесточным соединена (рис. 8.22, а) основные перемещения создаются усадочны: силами — фактор поперечной усадки крайне мал. Поэтому т

рассматриваем как прямоугольную пластину, заделанную по вс< четырем сторонам, с напряжениями сжатия вдоль пластиь и поперек пластины , где — толщина лист

В плоских элементах оболочек также встречаются пример потери устойчивости. При вварке круглых элементов в плосю лист (рис. 8.22, б) в нем возникают радиальные напряжения ра тяжения и окружные напряжения сжатия Последние чаи всего вызывают потерю устойчивости. Радиальные критичесм напряжения зависят от радиуса ограничивающего зону пл; стических деформаций и толщины листа s:

(8.3

В большинстве случаев, если не рассматривать металлы, испь тывающие структурные превращения при невысоких темперам pax, остаточные напряжения при примерно равны

Если то будет потеря устойчивости. Крупные лист

(рис. 8.22, б) теряют устойчивость, имея по периметру обычно де впадины и две выпуклости. Чем меньше отношение наружног радиуса листа к тем больше волн возникает в листе.

Плоские днища также теряют устойчивость под действие) радиальных напряжений сжатия (рис. 8.22, в). Жесткость кра:

224

цилиндрической оболочки в радиальном направлении, намного меньше, чем жесткость днища в его плоскости. Поэтому радиальные напряжения сжатия возникающие от усадочной

силы в угловом соединении, почти полностью воспринимаются днищем. Критические напряжения для круглой, заделанной по кон­туру, пластины

(8.32)

а в случае шарнирного опирания

(8.33)

Рассматриваемый случай является промежуточным, так как край оболочки, к которому приварено днище, нельзя считать жест­кой заделкой. Оценку устойчивости можно дать по коэффициенту, среднему между 1,49 и 0,425, т. е. близкому к 1.

Тонкие листы со стыковым соединением теряют

устойчивость и в процессе сварки. Для предотвращения этого их прижимают к подкладке, оставляя минимальное расстояние от зажимного клавиша до стыка, необходимое для прохода горелки и наблюдения (рис. 8.22, г).

Во многих случаях листовые элементы в сварных конструкциях все же теряют устойчивость. Если уровень выхода листов из пло­скости не выше допустимого, то к правке не прибегают. Для опре­деления перемещений при напряжениях выше критических необ­ходимо располагать зависимостями между ними при

Рассмотрим порядок решения задачи второго типа также на примере вертикальной стенки двутавра (рис. 8.23, а). Будем пола­гать, что пояса устойчивости не теряют. На графике (рис. 8.23. б) по горизонтальной оси отложено продольное укорочение балки по мере роста усадочных сил в поясных швах. Продольная дефор­мация В поясах будет линейно увеличиваться сила , где — площадь поперечного сечения обоих поясов. В стенке до потери устойчивости (точка А) сила

также будет расти линейно. Затем зависит нели­нейно от Сумма: должна составить это происходит в точке В. После, потери устойчивости в точке А

225

стенка будет искривляться (рис. 8.23, с), образуя волны с мак­симальным отклонением от оси которое также нелинейно зависит от и Если известны функции и то можно графически найти точку В, а затем и в этой точке. Листы со стыковым соединением представляют собой наименее жесткие элементы и легко теряют устойчивость. Искривление носит сложный характер (рис. 8.24, а) — имеется одинаковая кривизна по всей длине пластины и переменная в поперечном сечении 1—/.

Такая форма объясняется тем. что лист, изгибаясь по дуге окруж­ности, располагает зону с растягивающими напряжениями на минимальном радиусе и частично снижает потенциальную энергию собственных напряжений. Затраты энергии на изгиб в двух направлениях меньше, чем изменение энергии от снижения собственных напряжений при разгрузке. Пластина занимает поло­жение, обеспечивающее минимум потенциальной энергии в ней. На рис. 8.24, б показано изменение потенциальной энепгии в еди­нице длины пластины в зависимости от кривизны при

300 мм, 40 мм, 1,5 мм, МПа,

и различных начальных максимальных растягивающих напряже­ниях в шве. Точки А соответствуют минимуму потенциальной энергии. При принудительном увеличении или уменьшении кри­визны пластина после освобождения снова возвращается в поло­жение устойчивого равновесия. Для пластины без остаточных

226

Гнапряжений (пунктирная линия) равновесие соответствует пло­ской форме. Момент усадочной силы на плече (рис. 8.24, а) вызывает равномерное искривление сваренной пластины. Чем больше меньше и В, тем сильнее искривляется пластина. Лишь очень узкие пластины имеют малую кривизну. Тонкие листы после сварки практически всегда необходимо пра­вить, так как отклонения от плоскости достигают десятков мил­лиметров.

Потеря устойчивости возникает у многих сварных конструкций: в обшивках кораблей, металлических вагонов, предметах бытовой техники. Устранение перемещений достигается, как правило, прав­кой.

6. Изменение размеров элементов конструкций с течением времени, при механической обработке и в эксплуатации

Размеры сварных конструкций при эксплуатации не должны выходить за пределы установленных допусков. Для малоответ­ственных узлов, не требующих дополнительной механической обра­ботки, требования точности и стабильности размеров достигаются достаточно легко. Размеры сварных конструкций в станках, дви­гателях должны быть более точными — такие конструкции после сварки подвергаются механической обработке. Наиболее высокие требования предъявляют к деталям и узлам прецизионных станков, мерительных инструментов, гироскопических приборов.

Потеря необходимой точности может возникнуть в процессе эксплуатации. Термически необработанные сварные конструкции имеют остаточные собственные напряжения и ту или иную степень нестабильности структур металла, возникшую в процессе сварки. Именно эти две особенности сварных конструкций требуют осо­бого подхода при назначении термической обработки. Многие свар­ные конструкции не могут быть термически обработаны либо по­тому, что это удорожает стоимость производства, либо потому, что это технически невозможно.

Размеры термически необработанных сварных конструкций могут самопроизвольно изменяться во времени при отсутствии

каких-либо дополнительных силовых воздействий на них. Следует, однако, сразу подчеркнуть, что эти изменения размеров имеют значения лишь для ряда машиностроительных и приборостроитель-

ных конструкций высокой точности. Изменение размеров происхо­дит по двум причинам: во-первых, вследствие пластических дефор­маций в металле из-за наличия в нем остаточных напряжений и, во-вторых, вследствие изменения объема металла при медленном протекании структурных превращений в зонах со структурной нестабильностью, возникшей в процессе сварки.

Остаточные напряжения после сварки часто близки к пределу текучести металла. Именно в зонах с такими максимальными на­пряжениями и возникает пластическая деформация. Самопроиз-

227