1. Виникнення напружень та деформацій у зварних швах.

2. Заходи попередження напружень в зварних швах.

Література:

Обов'язкова: [1] Чертов І.М. Зварні конструкції: Підручник.- К.: Арістей, 2006. с. 138 - 139, 203 - 204 .

Додаткова: [2] Клименко Ф.Є. Металеві конструкції: . Львів: Світ 2002 с.

Виникнення напружень та деформацій у зварних швах.

В металі шва зварних з'єднань можлива поява напружень двох родів: робочих та з'єднувальних. Щоб пояснити відмінність між ними, розгляне­мо кілька прикладів.

На рис. , а зображені дві смуги, які з'єднані стиковим швом. Смуги навантаженні зусиллям розтягування. Очевидно, що в разі руйнування шва зруйнується і вся конструкція. Тобто, зварні з'єднання, руйнування яких призводить до руйнування конструкції, називаються робочими, а напруження, які діють в цих з'єднання (швах), - робочими напруженнями.

Рис. Робочі і З'єднувальні зварні з'єднання

Зовсім інакше поводить себе метал шва у випадку навантаження двох смуг, як показано на рис . В цьому випадку руйнування шва не приз­веде до руйнування усієї конструкції, оскільки зварний шов не передає зусилля від однієї смуги до іншої. Такі з'єднання називають з'єднувальними.

Розрахунку на міцність підлягають тільки робочі зварні з'єднання.

Для визначення напружено-деформованого стану металу, кінетики роз­витку пружнопластичного деформування і оцінки умов досягнення його гра­ничного стану при циклічному навантаженні використовують діаграму цик­лічного деформування. На рис. наведена схема такої діаграми для знакозмінного навантаження. Ділянка О А діаграми відображає пружноплас-тичне деформування металу до заданого програмою випробування нап­руженням σ₀ > межі текучості σ_0,2 (точка А). В точці А починається розван­таження і має місце пружне деформування до напруження σ¹_0,2 (межа текучості при стисканні). При досягненні напружень σ¹₀ (точка С) почина­ється пружне розвантаження в області стискання до точки В. Ділянка діа­грами АВС відповідає першому півциклу навантаження, а ділянка СD -початку другого півциклу. Діаграма ОАВСD в цілому - це діаграма циклічного деформування за перший цикл навантаження. Відрізок ВD -циклічна пластична деформація за перший півцикл, а відрізок ОD = Δ е, накопичена в першому циклі одностороння пластична деформація, з реалі­зацією якої під час великої кількості циклів пов'язують руйнування внаслідок втоми, тобто як результат вичерпання пластичних властивостей металу.

Найчастіше руйнування внаслідок втоми зароджується в мікро- або макрооб^ємах, де в процесі циклічного навантаження має місце пружно-пластична деформація металу (в окремих зернах з високою пластичністю, наприклад в зернах фериту, в зонах концентрації напружень та інш.). Втома матеріалів і зварних з'єднань - процес багатостадійний. Він починається з поступового нагромадження необоротних фізико-механічних змін у матеріалі, що викликають утворення мікротріщин.

Рис Діаграма циклічного деформування при знакозмінному навантаженні

Потім деякі з них при своєму подальшому розвитку утворять макротріщину. Макротріщина на певній стадії свого поширення викликає повне руйнування виробу, елемента чи конструкції. Зовнішній вигляд руйнування внаслідок втоми також істотно відрізняється від розриву, що викликаний статичним навантаженням. Руйнування звичайно починається з поверхні металу і відбувається без видимої попередньої макропластичної деформації, сліди її виявляються лише в окремих зернах. За своєю раптовістю і небезпекою руйнування від втоми порівняне тільки з миттєвим крихким. У зламі від втоми виділяють три основні зони: чисто зони від втоми, яка характеризуються наявністю макро-і мікросмуг втоми, що спостерігаються в електронному мікроскопі; зону змішаного руйнування (як результат локальних руйнувань попереду тріщини), яка складається з крихких ділянок і смуг втоми, і зону доламування. На відміну від статичного руйнування виробу руйнування від втоми дуже чутливе до стану поверхні металу, концентрації напружень, залиш­кових напружень. Подряпини, тріщини, опіки від зварювальної дуги, коро­зійні ушкодження істотно змінюють опір утомі матеріалу. Різкі зміни пере­тину елемента, різного роду вирізи, отвори, переходи зварних швів на основний метал, дефекти металу швів - потенційні місця передчасного зародження тріщин від втоми.

Заходи попередження напружень в зварних швах.

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 основною металу. Ефективність механічної обробки значно менша у випадку обробки таврових з'єднань і з'єднань внакладку. Підвищити опір таврових з'єднань на 5-25% 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 оплавлення границь шва неплавким вольфрамовим електродом 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 К (характеристики циклу, зменшення асиметрії) ефективність термообробки падає. При високих значеннях і? 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.

Тема: Розрахунок і проектування зварних з’єднань.

План:

1. Проектування зварних з’єднань зі стиковими швами.

2. Проектування зварних з’єднань з кутовими швами.

   0. Фланговий шов;

   1. З’єднання внакладку з лобовим швом;

   2. Комбіновані з'єднання;

   3. Таврові з’єднання;

3. Розв’язування задач.

Література:

Обов'язкова: [1] Чертов І.М. Зварні конструкції: Підручник.- К.: Арістей, 2006. с. 139 - 173 .

Додаткова: [2] Клименко Ф.Є. Металеві конструкції: . Львів: Світ 2002 с.

Проектування зварних з’єднань зі стиковими швами.

При проектуванні стикових з'єднань у першу чергу призначають роз­міри шва і тип з'єднання згідно стандарту на спосіб зварювання. Наступ­ним кроком проектування стикового з'єднання в основному є або пере­вірка міцності (розрахунок руйнуючої сили), або визначення потрібної довжини зварного шва.

Під розрахунком міцності маємо на увазі складання відповідної умови міцності. Для скорочення запису приймемо методику за граничними напруженнями. Розглянемо три варіанти навантаження зварних з'єднань: осьовою силою, моментом та одночасно силою і моментом.

Навантаження має статичний характер. Як уже було розглянуто, за статичного навантаження концентрація напружень до уваги не прийма­ється. Приймається також, що руйнування буде мати місце по металу зварного шва.

Залежно від того, як взаємно орієнтовані стиковий шов і зусилля, стиковий шов може руйнуватися під впливом нормальних (рис. ) дотичних (рис. ) та одночасної дії цих напружень (рис. ).

Далі наведені відповідні умови міцності.

Осьове навантаження (рис. ). У цьому випадку руйнування відбу­деться внаслідок нормальних напружень в будь-якій точці поздовжнього перерізу шва (всі точки перерізу напружені однаково).

Рис. Рис.

Отже, умова міцності має вигляд:

де F_ш - площа руйнування шва, l_Ш - довжина шва, δ - товщина шва.

Іноді_ використовують стикові шви, орієнтовані під кутом до лінії дії сили. Тоді в поздовжньому перерізі зварного шва (рис. ) діятимуть нормальні й дотичні напруження:

Тоді умова міцності:

Якщо діють сили, як показано на рис. (без урахування моменту), руйнування буде наслідком

дотичних напружень.

Рис. Рис.

В разі одночасної дії сил у двох напрямках (рис. ) у зварному шві діятимуть як нормальні, так і дотичні напруження. Тому умова міцності має вигляд:

У випадку дії сил, як показано на рис. (сила Р₂ прикладена по осі шва), в металі зварного шва будуть діяти нормальні напруження у двох напрямках, тобто має місце плоский напружений стан, і тоді умова міцності:

Навантаження моментом (рис. 3.10). Під дією моменту у зварно­му шві утворяться нормальні напруження, нерівномірно розподілені по довжині шва. Максимальні напруження діють в точці А. Тоді умова міц­ності буде:

де σ_M^max - максимальні напруження від моменту; σ_M^max = M / W_ш; W_ш - осьо­вий момент опору перерізу шва, що руйнується відносно осі x: (прямокут­ник довжиною l_ш і шириною δ); W_ш =δl²_ш/6.

Рис.

Для зварного з'єднання навантаженого як вказано на рис. , умова міцності набуває вигляду:

де W_ш - осьовий момент опору перерізу шва відносно осі у.

Рис.

Навантаження силою і моментом (рис. ). Аналізуючи наванта­ження і використовуючи принцип незалежності дії сил, необхідно в пер­шу чергу визначити, які напруження виникають окремо від дії сили та моменту.

В даному випадку від сили і моменту діятимуть нормальні напружен­ня. Це означає, що умову міцності необхідно записати за нормальними напруженнями:

де σ_С0М - сумарні напруження від дії сили і моменту,

σ_р- нормальні напруження від сили Р, σ_р = Р/l_шδ;σ_М - нормальні напру­ження від моменту, σ_м = 6 М/δl²_ш.

Отже:

Якщо навантаження викликає нормальні та дотичні напруження

(рис. ), умову міцності треба записати за еквівалентними напру­женнями:

Для сталевих конструкцій при статичному навантаженні, використан­ні відповідних зварювальних матеріалів, повному проварі і фізичному

контролі якості зварних з'єднань допускається розрахунки на міцність стикових швів не проводити через високу міцність зварного з'єднання, яка в багатьох випадках не поступається міцності основного металу.

Проектування зварних з’єднань з кутовими швами.

Кутові шви використовуються в основному для створення зварних з'єднань внакладку і таврових з'єднань.

Основними факторами, що впливають на міцність кутового шва слід виділити два - орієнтацію шва відносно напрямку зусилля, що діє на зварне з'єднання і властивості (міцність) металу шва.

В залежності від орієнтації шва відносно напрямку зусилля, діючого на зварне з'єднання, розглядають зварні з'єднання з лобовим швом (зу­силля перпендикулярно осі шва, рис. а) і з'єднання з фланговими швами (зусилля вздовж осі шва, рис. б). Розглянемо напружений стан кутових швів відповідно навантажень.

Фланговий шов. Щоб оцінити напружений стан кутового флангового шва розглянемо шляхи можливого його руйнування. Аналізуючи силову ситуацію, що утворюється в металі зварного шва (рис. ), визначаємо два можливих перерізи ймовірного руйнування: по площині 1 (F₁= Кl_ш) і по площині 2, яка проходить через бісектрису прямого кута шва (F₂ = hl_ш, h = К sіп 45° = 0,7К, тому F₂ = 0,7Кl_ш).

Рис. З'єднання з лобовими і фланговими швами

Розглянемо напружений стан кутових швів відповідно навантажень. В обох випадках на площинах руйнування утворюються дотичні нап­руження τ.

Визначимо напруження на відповідних площинах:

Рис. Напружений стан флангового шва

Порівнюючи значення напружень, визначаємо, що найбільша ймовір­ність руйнування флангового шва буде мати місце по перерізу 2, оскільки τ₂ > τ₁.

Лобовий шов. У лобовому шві внаслідок дії сили існує три перерізи ймовірного руйнування F₁, F₂,F₃ (рис. а)

Рис. Напружений стан лобового шва

В перерізі F₁ діють нормальні напруження (рис. б):

Приймаючи σ₁= [σ]^зв, підрахуємо максимальне значення руйнуючої сили для цього перерізу:

В перерізі 3 діють тільки дотичні напруження:

Максимальне значення руйнуючої сили для цього перерізу:

В перерізі 2 одночасно діють нормальні і дотичні напруження:

Для кута 45° значення sіп і соs однакові, тому:

Визначимо максимальну допустиму інтенсивність напружень, якщо одночасно діють нормальні і дотичні напруження:

Знайдемо максимальне значення руйнуючої сили:

Розділивши чисельник і знаменник на 1,4, отримаємо:

Порівнюючи максимальні значення руйнуючих сил (Р₂^таx < Р₃ ^таx < Р₁ ^таx), зробимо висновок, що найбільша ймовірність руйнування кутового флан­гового шва буде мати місце по перерізу F₂..

Отже, на основі аналізу напруженого стану кутових швів прийняли: 1) при проведенні розрахунків на міцність кутових швів вважати, що їх руйнування має місце по площині, яка проходить через бісектрису прямого кута шва. Площа руйнування F_р = hl_ш Оскільки площа руйну­вання залежить від глибини проварювання кутового шва h (h₂ > h₁) (рис. ), то в загальному вигляді замість параметру 0,7К запису­ють параметр βκ, де β - коефіцієнт в залежності від глибини про­варювання β = 0,7...0,9), тобто F_р = βКl_ш

2) при проведенні розрахунків на міцність кутових швів вважати, що флангові кутові шви руйнуються внаслідок дії дотичних напружень, а руйнування лобових кутових швів відбувається внаслідок нормальних і дотичних напружень, але представляти (для уніфікації форми запи­су) умову міцності через дотичні напруження.

З'єднання внакладку з лобовим швом. Осьове навантаження (рис. ). Як вже було показано, умову міцності для кутових швів пот­рібно складати за дотичними напруженнями, тобто:

Рис.

Оскільки діє осьова сила, приймаємо, що напруження в перерізі шва розподілені рівномірно по довжині:

Якщо з'єднання матиме два лобових шви, умова міцності буде:

Навантаження моментом (рис. ). Враховуючи загальну фор­мулу для напруження від дії моменту, розподіл дотичних напружень по довжині шва набере вигляду:

де 1_Ш - момент інерції перерізу шва, що руйнується

Найбільше значення напружень буде в точці А (у = у_тах), для якої умова міцності приймає вид:

де W_ш - момент опору перерізу шва (прямокутник розмірами βКl_ш ), W_{ш =} βКl²_ш / 6, і тому:

Для з єднання з двома швами:

Одночасна дія сили та моменту (рис. 3.23). Оскільки діють два сило­вих фактори і від кожного з них утворюються відповідні дотичні напружен­ня τ_p i τ_M то умову міцності треба записати як:

де τ_сом - сумарні напруження від осьової сили τ_р та моменту τ_м.

Рис.

Напруження τ_р і τ_м підраховуються, як це було вказано вище. Лиша­ється з'ясувати якою повинна бути сума. Для цього треба зробити аналіз напряму дій напружень. Напруження τ_р співпадає з напрямком дії сили Р (рис. ). При повороті внаслідок дії моменту М у точці А (де діють найбільші напруження), напрямок напруження τ_м, буде збігатися з напрям­ком дії напруження τ_р. Отже, сумарні напруження становитимуть:

Розглянемо ще один приклад (рис. ). Сила Р викликає одночасно дію як від осьової сили, так і від моменту, тобто:

Але на відміну від попереднього випадку, напрямки напружень відріз­няються - від дії сили, напрямок напружень τ_р збігається з напрямком дії сили Р (рис. ), а від дії моменту - як і в попередньому випадку. Отже, сумарне напруження:

Рис.

З'єднання внакладку з фланговими швами. Осьове навантаження (рис. ). В кутовому шві руйнування відбувається в наслідок дії дотич­них напружень, тому:

Оскільки діє осьова сила:

Навантаження моментом (рис. ). В цьому випадку приймаємо, що у зварних швах діятиме реактивний момент М_реак = М.

У свою чергу реактивний момент можна подати як пару сил Т, помно­жених на плече В, тобто М_реак = ТВ. Сила Т = М _реак / В (при В « К). Сила Т діє окремо на кожний шов як осьова сила, і тому умова міцності має вигляд:

Навантаження силою та моментом (рис. ). Оскільки в швах напру­ження утворюються від дії двох силових факторів Р і М, то:

Окремо від сили Р і моменту М напруження визначаються як і в попередніх випадках. Залишається визначити якою буде τ_сом

Аналізуючи дію сили Р і моменту М, бачимо, що для шва 1 напрямок напружень, які вони спричинюють, збігається, тому τ_сом= τ_р+ τ_м< [τ]^зв.

Комбіновані з'єднання. Осьове навантаження (рис. ). Розра­ховуючи міцність такого з'єднання, приймають, що напруження в усіх швах однакові, тоді площа, яка руйнується: F = F_л+ 2F_ф = βκ (l_л + 2l_л).

Рис.

Умова міцності:

Навантаження моментом (рис. ). Насамперед припустимо, що напруження в усіх швах однакові. Діючий момент сприйматиметься як лобовим, так і фланговим швами, тобто М = М_л + М_ф. Підрахуємо чому дорівнюють ці моменти за умови, що напруження однакові за відповід­ними формулами і просумуємо:

Розрахункові дотичні напруження:

Можлива й інша ситуація (рис. ). В цьому випадку неможливо розподілити діючий момент між лобовим і фланговим швами.

Розв'язання буде таким. На відстані r_y від центра ваги швів (цвш) візьмемо елементарну площадку площею dF, на якій діє напруження τ_у. Тоді елементарний момент dМ, який сприймається цією площадкою, буде dM = τ_ydFr_y. Приймемо наступний закон зміни напружень залежно від відстані r:

де r₁ - відстань, яка дорівнює одиниці. Тоді dM = τ₁r_y² dF . Загальний мо­мент, який сприймається всіма швами.

Отже :

M = τ₁I_p

Оскільки необхідно визначити максимальні значення напружень, то замість τ₁, необхідно, відповідно до прийнятого закону, записати:

Тоді М =τ_max / r_max I_p а розрахункові напруження дорівнюватимуть:

В разі одночасної дії сили й моменту необхідно аналізувати нап­рямки дії відповідних напружень у кожному шві й брати їх відповідну суму.

Таврові з'єднання. Розрахунок міцності таврових з'єднань вико­нується залежно від виду підготовки окрайок. Якщо з'єднання без розкриття окрайок, воно формується кутовими швами, і обчислення міцності не відрізняється від методики розрахунку з'єднань внакладку, тобто за дотичними напруженнями τ_p = P / 2βκl_ш (рис. , а). Якщо є розкриття окрайок, у цьому випадку змінюється площина руйнування, і обчислення міцності треба проводити за нормальними σ_р =Р/δl_Ш, або дотичними напруженнями τ_р =Р/δl_Ш в залежності від схеми навантаже­ння (рис. б, в).

Тема: Балки та балочні конструкції. Призначення та класифікація балок.

План: