4.7. Розрахункова оцінка опору втомі

Розрахункову оцінку опору втомі проводять двома шляхами - за граничними напруженнями і за коефіцієнтом запасу міцності.

Згідно першої методики умову міцності складають, використовуючи значення амплітудних напружень циклу, тобто:

максимальне номінальне значення амплітуд напружень при навантаженні, границя витривалості для циклу з характеристикою

Як і у випадку статичного навантаження введемо в умову міцності (за нормальними напруженнями) коефіцієнт запасу міцності і помножимо чисельник і знаменник на (межа текучості):

Оскільки (див. розділ 3), і позначаючи перепишемо цю умову як:

При одночасному виникненні нормальних і дотичних напружень еквівалентна амплітуда може бути визначена за формулою:

По суті ми маємо умову міцності для випадку статичного навантаження, але значення граничних напружень зменшене на коефіцієнт Тобто, коефіцієнт це коефіцієнт зменшення граничних напружень при багатоцикловому навантаженні по відношенню до статичного навантаження, який для певного металу залежить від значення границі витривалості

Отже, при розрахунках на втому при багатоцикловому навантаженні основним завданням є визначення коефіцієнта зниження граничних нап­ружень який в основному залежить від значення границі витривалості. Аналіз факторів, що впливають на границю витривалості показує, що домінуючими є характер циклічного навантаження, наявність концентрації напружень і механічні властивості металу (головним чином Сучасні методики розрахунку дозволяють оцінити їх вплив кількісно. Інші фактори маловпливові або їх вплив кількісно неможливо оцінити. Згідно стандартної методики для багатоциклового навантаження

коефіцієнти, що залежать від концентрації напружень (ефективного коефіцієнта концентрації напружень і властивостей металу (класу сталі), характеристика циклу навантаження. Значення коефіцієнтів а і в визначають за таблицею 4.3.

В таблиці 4.4 наведені приклади розподілу елементів по групах в залежності від ефективного коефіцієнта концентрації напружень

Згідно іншої методики міцність при циклічному навантаженні оцінюється величиною коефіцієнта запасу шляхом порівняння його з граничним значенням

Умова міцності має вигляд:

Для практичних розрахунків рекомендуються наступні формули визначення коефіцієнта запасу міцності:

за нормальними напруженнями за дотичними напруженнями

коефіцієнт впливу асиметрії' циклу, ефективний коефіцієнт концентрації напружень з урахуванням особливостей зварного з'єднання (таблиця 4.2), амплітуда пульсуючого циклу (визначається за діаграмою Сміта);

При одночасної дії нормальних і дотичних напружень коефіцієнт запасу визначається за формулою

4.8. Заходи підвищення опору втомі зварних з'єднань

Майже усі способи підвищення опору втомі зварних з'єднань спрямовані на зменшення впливу концентрації напружень. На практиці використовують наступні заходи.

Поверхнева обробка зварних швів. Вона має за мету забезпечення плавного переходу металу шва до основного металу. Цю операцію виконують, застосовуючи механічну обробку або аргонодугову, чи повітряно-плазмову обробку.

Механічна обробка виконується ручним абразивним інструментом чи спеціальними фрезами. Випуклість стикового шва знімається повністю або ретельно обробляється перехідна зона. Після такої обробки концентрація напружень відсутня майже повністю. Границя витривалості зварних з'єднань встик після механічної обробки різко зростає і практично досягає рівня границі витривалості основного металу. Ефективність механічної обробки значно менша у випадку обробки таврових з'єднань і з'єднань внакладку. Підвищити опір таврових з'єднань на можливо лише у випадку, коли з'єднання виконані з повним проваром кореню шва з одночасним забезпеченням плавного переходу шва до основного металу. Механічна обробка мало ефективна для з'єднань внакладку з лобовими швами.

Аргонодугова і повітряно-плазмова обробка полягають в утворенні плавного переходу від шва до основного металу шляхом оппавлення границь шва неплавким вольфрамовим епектродом в середовищі аргону без присадкового дроту. У порівнянні з механічною обробкою аргонодугова обробка має практично однакову ефективність. Ефективність повітряно-плазмової обробки не відрізняється від аргонодугової.

Термообробка (високий відпуск). Цей вид оброки застосовують головним чином для зменшення негативного впливу залишкових напружень розтягу у зонах поблизу концентраторів, що утворились внаслідок зварювання. Найбільш ефективна термообробка у випадку навантаження симетричним циклом, а зі зростанням значення (характеристики циклу, зменшення асиметрії) ефективність термообробки падає. При високих значеннях термообробка внаслідок падіння міцності металу може призвести і до зниження опору втоми. Зі зростанням концентрації напружень (з'єднання внакладку, таврові з'єднання зі швами, що безпосередньо передають навантаження) різниця між границями витривалості з'єднань, що пройшли термообробку і без такої, зменшується.

Одноразове або вібраційне навантаження конструкцій. Воно полягає у короткочасному навантаженні конструкції навантаженням, що перебільшує робоче з метою зменшення залишкових напружень розтягу особливо поблизу концентраторів. Таку обробку рекомендують використовувати замість термообробки для крупногабаритних конструкцій (резервуари, підкранові балки і інші). Ефективність способу залежить від значення напружень від перевантаження, типу зварного з'єднання та часу обробки (для вібраційної обробки).

Поверхневий наклеп. Поверхневе пластичне деформування швів і прилеглих до нього зон призводить до підвищення опору втомі зварних з'єднань до рівня опору основного металу. Цю операцію виконують за допомогою спеціального пневматичного бойкового інструменту, застосовуючи вибухову локальну обробку або прокатку роликами. Крім наклепу, така локальна обробка викликає утворення на поверхні, що обробляється, напружень стиску, які позитивно впливають на опір втомі.

Приклад проектування зварного з'єднання при багатоцикловому навантаженні

Розв'язання:

1. Визначаємо розмір в, виходячи з міцності полоси:

Умову міцності полоси складаємо за нормальними напруженнями:

При статичному навантаженні для металу полоси Коефіцієнт для розрахунку полоси визначимо, приймаючи її як елемент першої групи (див. таб. 4.3 і 4.4):

Тоді:

2. Призначаємо механізований спосіб зварювання в середовищі вуглекислого газу за З'єднання типу з лобовим і фланговими швами катетом

Коефіцієнт проплавлення

3. Визначаємо розмір виходячи з умови міцності зварних швів:

Коефіцієнт для розрахунку зварного з'єднання визначимо, приймаючи його як елемент сьомої групи (див. таб. 4.3 і 4.4):

3. Перевіримо за коефіцієнтом запасу.

Для практичних розрахунків для сьомої групи елементів коефіцієнт

Для визначення побудуємо діаграму Сміта, приймаючи Отримуємо Коефіцієнт

Визначаємо: