§ 2. Распределение напряжений в стыковых швах

Стыковые швы представляют собой наиболее совершенную форму сварных соединений, в которых концентрация напряже­ний -невелика.

Как показали эксперименты, при хорошем проваре и уда­лении «усилений» швов концентрация напряжений в стыковых швах отсутствует. В швах, имеющих выпуклые очертания (рис. 5-3, а), распределение напряжений неравномерно.

На рис. 5-3,6 показано распределение нормальных напряже­ний, действующих в направлении, перпендикулярном шву; на­пряжения измерены в различных точках по длине элемента, на,

8 823 113

верхней и нижней плоскостях испытуемого образца. Равномер­ное напряжение а, действующее в сечении, удаленном от стыко­вого шва, принято условно за единицу.

Как следует из рис. 5-3,6, наибольшая концентрация напря­жений имеет место у начала усиления в сечении //. В шве, име­ющем форму и размеры, указанные на рис. 5-3, а, наибольший

коэффициент концентрации со стороны усиления равен 1,6, а с противоположной нижней стороны— 1,5. В точках, лежащих на оси шва (сечение /), напряже­ния ис превышают о. Значи­тельной величины достигают напряжения в косом сече­нии ///.

В стыковых швах кон­центрация напряжений воз­никает вследствие измене­ния сечения пластины в зоне соединений. Она может быть очень значительной при отсутствии полного про­вара корня шва. Чем мень­ше усиления швов и осо­бенно чем плавнее их со­пряжения с основным ме­таллом, тем меньше коэф­фициенты концентрации.

Рис. 5-3. Распределение напряжении й стыковой! шве

§ 3. Распределение напряжений в лобовых швах

Определение напряжений в лобовом шве в случае работы соединения при продольной силе может быть выполнено мето­дом теории упругости. Шов рассматривается как упругое тело, имеющее форму треугольной призмы, длина которой равна дли­не шва, и нагруженное по одной стороне равномерно распреде­ленной нагрузкой, равной напряжениям в накладке а (рис. 5-4,а). Такая методика определения напряжений в шве может быть допущена при решении задачи в первом прибли­жении.

Рассмотрим в поперечном сечении лобового шва элемент, вырезанный двумя смежными радиальными плоскостями и кон­центрическими цилиндрическими поверхностями (рис, 5-4,о). По формулам «плоской задачи» теории упругости, решаемой в по­лярных координатах, в шве при указанном его загружении обра­зуются напряжения трех видов:

114

нормальные напряжения ov, направленные по радиусам, со­единяющим рассматриваемый элемент df в сечении шва с его вершиной;

нормальные напряжения о₀, действующие по граням элемен­та по направлениям, перпендикулярным к радиусам;

касательные напряжения х_гЬ

На основе данных теории упругости доказано, что напряже­ния а,., <т₀, т_гй зависят от одного переменного © и не зависят от

fl=4S'

^-шШШдшШт-

i.*-6

;V-45'

/ /f<\

/ /

///.<

..J..

/

£1

Рис. 5-4, Распределение напряжений в лобовом шве при

а) шоа и Элемент dF; 6) Эпюра v_r ; в) эпюра зд; г) эпюра ^x_m!iy_

длины г (г — расстояние от рассматриваемого элемента до вер­шины шва).

Эпюры напряжений а_Г и сг₀ в шве приведены на рис. 5-4,6, е,

а касательных напряжений t_max—на рис. 5-4, г; x_waK определяют по формуле

115

Наибольшие значения имеют нормальные напряжения оу, особенно на радиусах в точках, где в = 45° и в = 0° (рис. 5-4,6). Эти напряжения двузначны. Наибольшее напряжение <?_е превы­шает в 4,65 раза напряжение о в основном металле накладки.

Величина расчетного напряжения в лобовом шве, имеющем форму равнобедренного треугольника, на плоскости под ут­лом 45° к горизонту определяется по формуле

0,7 к

~ 1,4с,

(Л0)

где к — длина катета шва;

а — напряжение в накладке. Таким образом, наибольшее значение коэффициента концент­рации напряжений в лобовом шве при р* = 45° равно

4,65

К

1.4

= 3,32.

Как видно из рис. 5-4,6, в, напряжения cr_Q значительно мень­ше, чем о_г, и не превышают а.

При изменении очертания треугольного лобового шва, т. с. мри увеличении |3 до 60°, напряжения значительно уменьшаются.

б)

Рис. 5-5. Результаты опытного исследования величии напряже­нии н лобовых швах в зависимости от их очертаний:

а) пнд соединения; 6) очертания лобовых швов и коэффициенты кон­центрации напряжений

С помощью экспериментов были изучены коэффициенты кон­центрации напряжений в лобовых швах, имеющих очертания, указанные на рис. 5-5. Если принять величину наибольшего на­пряжения, определенного опытным путем, в образце Л (рис. 5-5,6) за единицу, то наибольшие напряжения r других образцах (£—Д) будут выражены цифрами, приведенными на рис. 5-5,6. Особенно пониженные значения коэффициентов кон­центрации получены при испытании шва с профилем Е.

116

Чтобы уменьшить концентрацию напряжении и улучшить условия работы лобового шва, необходимо придать ему форму псравнобедреиного треугольника с основанием, равным 1,5—3,6 высоты.

Приведенные величины напряжений в лобовых швах верны при условии, если а не превышают предела текучести <т_т. При е<Се_т распределение напряжений в лобовом шве изменяется.

С использованием уравнений пластичности можно показать, что в лобовом шне при ft — 60° образование первичных пласти-

Ю

fj-rgf!

Рис. 5-6. Распределение напряже­ний ст, в лобоним шве в пласти­ческой стадии его. работы:

л) схем;! нагружения лобового шва.

6, е. г) распределение '/■ . ?(, и ~_г1> по

сечС1ЕП>о subs: д) соединение с лобовые is

швами n:v,i ,'i -!Ю'.

ческих деформаций имеет место при напряжении в листе, рав­ном 39,0% от предела текучести. В случае дальнейшего нагру­жения пластические деформации распространяются на все попе­речное сечение углового шва.

При достижении предельного состояния, т. е. момента, когда все точки шва при 13 = 60° имеют эквивалентные напряжения, равные <т_т, эпюра распределения напряжений а,- будет иметь вид, как показано на рис. 5-6. Напряжение в листе а при этом равно #пред ■ Два лобовых шва с [3 = 60° образуют соединение с несущей способностью, равной целому сечению.

117

В действительности очертания угловых швов не соответству­ют строго треугольным. Проплавление основного металла спо­собствует уменьшению концентрации напряжений в швах, и их несущая способность повышается по сравнению с величинами, указанными иыше.

а)

&

б_Среви-^тг^'

:&

б_х поА~А

6)

кГ/мн^г 6упоС-Ь

ММ

<3с мЗ-3

Рис. 5-7. Распределение напряжений в моделях сварных соединений с двусторонними наклад-калш

На рис. 5-7,6, виг показаны эпюры распределения напря­жений в моделях, имитирующих работу сварных соединений с двусторонними накладками (рис. 5-7,а). Значительная кон­центрация напряжений а_х в этом типе наблюдается в точке А сечения А—А (рис 5-7,6). При напряжении о_х = 10 кГ(мм² в зо-

118

не концентратора оно повышается до 20 кГ/лии². Это напряже­ние б сечении В—В (рис. 5-7, г) имеет меньшую величину и не превышает н точке С значений 14 кГ,'мм². В сечении С—Л (рис. 5-7, в) напряжение о_и достигает 15 кГ/мм².

В соединениях внахлестку (рис. 5-8) распределение усилий между двумя поперечными швами происходит равномерно лишь в случае одинаковых толщин соединяемых деталей, При разной их толщине усилия между швами распределяются неравномер­но. Они зависят от отношения Si/s₂, а также от схемы действия нагрузок. В большинстве случаев соединения с двойной нахлесткой работают по схеме рис. 5-8, а, но в некоторых случаях возможна работа по схеме рис. 5-8,6.

При работе соединения по схеме, показанной на рис, 5-8, а, усилие Р\ в шве Л& 1 относится к усилию Р₂ шва № 2, как

3!

WW

Ч—

р,

(1-г 0,66 /

s..— s,

(5.7

Рис. 5-8. Работа сварных

соединений внахлестку с

двумя лобовыми швами:

К] и /с_г — катеты швов

^Л 0,66 !-2s., Г

где 5₂ — большая толщина соединяемых частей; s_f — меньшая толщина; / — длина нахлестки. В случае равных толщин S] = s₂ Р\ = Р₂. При 52 ф S\ распре­деление усилий зависит от отношения s₂\S\ и от I. При s₂ = 2Si и t = 5s₂

Р-,

= 1

1

1 ч-

1

0,66 .,5

При s₂ = 2s\ и l=lQs₂

Р, ' '

1

= 1,77.

1,86.

0,66 ■ 10

При работе соединения по схеме рис. 5-8,6

-^=1

А ¹

1,32/

0,66/ + 2s₂

В этом случае распределение усилий между Ру и Рч еще более неравномерно, чем при работе соединения по схеме рис. 5-8, а. Возле ребер жесткости, приваренных к растягиваемому эле­менту (рис. 5-9, а), образуется концентрация напряжений а_х по

119

сечению А—А, Эпюра этих напряжений показана на рис. 5-9,6 на основе эксперимента.

При односторонней приварке ребра жесткости (рис. 5-9, в) концентрация напряжений а_х, как показывают эксперименты, не больше, а даже несколько меньше, чем при двусторонней.

а)

Л1

5)

нГ1мн² Эпюра 6_f m А -А

^

Ы

200

10 15 Ю 5 0	\			/
	V	——		'

100

о

100

Рис. 5-9. Работа сварных соединений металлов:

а) двусторонние ребра жесткости; 6} эпюра а по А—А- в) одл»-еторошее ребро жесткости