Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Прочность сварных соединений

.pdf
Скачиваний:
84
Добавлен:
15.02.2015
Размер:
3.9 Mб
Скачать

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ Національний університет кораблебудування імені адмірала Макарова

Г. В. ЄРМОЛАЄВ

МІЦНІСТЬ ЗВАРНИХ З'ЄДНАНЬ

Рекомендовано Міністерством освіти і науки України як підручник для студентів вищих навчальних закладів

Миколаїв 2007

УДК 621.721.05:620.17.624.042

Рекомендовано Міністерством освіти і науки України

ББК 34.441

як підручник для студентів вищих навчальних закладів,

Є 74

лист № 14/18-Г-72 від 17.01.2007 р.

 

Рецензенти: доктор технічних наук, професор Ю.П. Кочанов; доктор технічних наук, професор В.М. Прохоренко

Науковий редактор академік НАН України, доктор технічних наук, професор В.І. Махненко.

Єрмолаєв Г.В.

Є 74 Міцність зварних з'єднань: Підручник. – Миколаїв: НУК, 2007. – 220 с.

ISBN 978–966–321–070–4

Викладено основні принципи розрахунків міцності і проектування зварних з'єднань різних типів. Подано приклади розв'язків завдань, задачі для самостійного вирішення та контрольні питання.

Підручник призначений для самостійної роботи студентів, що навчаються за напрямом "Зварювання", може бути корисним дипломникам, студентам інших спеціальностей, а також інженерам та іншим фахівцям, що вирішують питання міцності зварних з'єднань.

ISBN 978–966–321–070–4

УДК 621.721.05:620.17.624.042

 

 

ББК 34.441

 

Єрмолаєв Г.В., 2007

 

Видавництво НУК, 2007

Навчальне видання

ЄРМОЛАЄВ ГЕННАДІЙ ВОЛОДИМИРОВИЧ

МІЦНІСТЬ ЗВАРНИХ З'ЄДНАНЬ

Підручник

(українською мовою)

Редактор В.А. Стєкольщикова

Комп’ютерна правка О.В. Лабарткава Комп’ютерна верстка О.М. Черевата

Коректор М.О. Паненко

Свідоцтво про внесення суб’єкта видавничої справи до Державного реєстру видавців, виготівників і розповсюджувачів видавничої продукції ДК № 2506 від 25.05.2006 р.

Підписано до друку 26.04.07. Папір офсетний. Формат 70×100/16. Друк офсетний. Гарнітура "Таймс". Ум. друк. арк. 17,9. Обл.-вид. арк. 13,8. Тираж 300 прим. Вид. № 11. Зам. № 110. Ціна договірна.

Видавець і виготівник Національний університет кораблебудування, 54002, м. Миколаїв, вул. Скороходова, 5

ЗМІСТ

 

Вступ ..........................................................................................................................

8

РОЗДІЛ 1. ЗАГАЛЬНІ ПОЛОЖЕННЯ МЕХАНІКИ ЗВАРНИХ З'ЄДНАНЬ ......

10

1.1. Основні поняття, терміни та визначення......................................................

10

1.1.1. Зварювання та зварні з'єднання ...............................................................

10

1.1.2. Механічні властивості та їх характеристики..........................................

21

1.1.3. Контрольні питання ..................................................................................

32

1.2. Основні поняття теорії пружності та теорії пластичності..........................

36

1.2.1. Предмет і задачі теорії пружності ...........................................................

36

1.2.2. Основні передумови теорії пружності ....................................................

37

1.2.3. Поняття напружень і деформацій ............................................................

38

1.2.4. Основні рівняння теорії пружності .........................................................

41

1.2.5. Залежність між напруженнями і деформаціями в межах пружності ...

41

1.2.6. Плоска задача теорії пружності ...............................................................

42

1.2.7. Елементи теорії пластичності..................................................................

42

1.2.8. Контрольні питання ..................................................................................

43

1.3. Схеми розрахунків міцності ..........................................................................

43

1.3.1. Схема розрахунків міцності за допустимими напруженнями .............

44

1.3.2. Схема розрахунків міцності за граничним станом ................................

44

1.3.3. Схема розрахунків міцності за Евронормами .......................................

47

1.3.4. Призначення допустимих напружень у зварних з'єднаннях.................

48

1.3.5. Робочі і сполучні зварні з'єднання ..........................................................

49

1.3.6. Основні типи задач розрахунку міцності, умова рівноміцності

 

зварних з'єднань і основного металу ......................................................................

51

1.3.7. Контрольні питання ..................................................................................

52

1.4. Стандарти на зварні з'єднання .......................................................................

53

1.4.1. Основні типи і конструктивні елементи .................................................

53

1.4.2. Умовні позначки швів зварних з'єднань на кресленнях ........................

55

1.4.3. Завдання для самостійної роботи ............................................................

61

1.4.4. Контрольні запитання ...............................................................................

64

1.5. Геометричні характеристики плоских перерізів..........................................

64

1.5.1. Визначення площі перерізу, положення центра ваги, моментів ста-

 

тичних і інерції – осьових і полярних, моментів опору........................................

64

1.5.2. Приклад розрахунку геометричних характеристик ...............................

67

1.5.3. Завдання для самостійної роботи ............................................................

68

1.5.4. Контрольні запитання ...............................................................................

69

3

РОЗДІЛ 2. РОЗРАХУНКИ МІЦНОСТІ ТА ПРОЕКТУВАННЯ ЗВАРНИХ

 

З'ЄДНАНЬ ПРИ СТАТИЧНОМУ НАВАНТАЖУВАННІ ....................................

70

2.1. Розрахунок міцності і проектування стикових з'єднань ............................

70

2.1.1. Загальна характеристика з'єднання ........................................................

70

2.1.2. Розрахунковий переріз стикового з'єднання ..........................................

70

2.1.3. Розрахунок стикового з'єднання під дією осьового навантаження .....

72

2.1.4. Розрахунок стикового з'єднання під дією згинальних моментів .........

72

2.1.5. Розрахунок стикового з'єднання під дією поперечного наванта-

 

ження.........................................................................................................................

73

2.1.6. Розрахунок стикового з'єднання під дією крутного моменту ..............

74

2.1.7. Розрахунок стикового з'єднання під час одночасної дії декількох

 

видів навантажень ...................................................................................................

75

2.1.8. Приклад розрахунку міцності стикового з'єднання ..............................

77

2.1.9. Задачі для самостійної роботи................................................................

78

2.1.10. Контрольні питання ...............................................................................

82

2.2. Розрахунок міцності і проектування таврових з'єднань без скосу

 

крайки .......................................................................................................................

83

2.2.1. Загальна характеристика з'єднання ........................................................

83

2.2.2. Розрахунковий переріз з'єднання без скосу крайок ..............................

84

2.2.3. Розрахунок таврових з'єднань без скосу крайки під дією подовж-

 

нього (осьового) навантаження ..............................................................................

86

2.2.4. Розрахунок міцності таврових з'єднань без скосу крайки під дією

 

згинального моменту ...............................................................................................

86

2.2.5. Розрахунок таврових з'єднань без скосу крайки під дією попереч-

 

ного навантаження...................................................................................................

87

2.2.6. Розрахунок таврових з'єднань без скосу крайки під дією крутного

 

моменту.....................................................................................................................

88

2.2.7. Розрахунок таврових з'єднань без скосу крайки під час одночасної

 

дії кількох видів навантаження...............................................................................

88

2.2.8. Приклад розрахунку таврового з'єднання без скосу крайки ................

90

2.2.9. Задачі для самостійної роботи ...............................................................

92

2.2.10. Контрольні питання ...............................................................................

96

2.3. Розрахунок міцності і проектування таврових з'єднань зі скосом

 

крайки .......................................................................................................................

98

2.3.1. Загальна характеристика з'єднання ........................................................

98

2.3.2. Розрахунковий переріз з'єднання зі скосом крайок ..............................

98

2.3.3. Розрахунок зварного з'єднання у разі дії подовжнього (осьового)

 

навантаження ...........................................................................................................

99

2.3.4. Розрахунок зварного з'єднання у разі дії згинальних моментів ..........

99

2.3.5. Розрахунок зварного з'єднання у разі дії поперечного наванта-

 

ження........................................................................................................................

100

2.3.6. Розрахунок зварного з'єднання у разі дії моменту крутіння ...............

101

2.3.7. Розрахунок за одночасної дії декількох видів навантажень................

101

2.3.8. Приклад розрахунку таврового з'єднання зі скосом крайки ...............

103

2.3.9. Задачі для самостійної роботи ..............................................................

105

2.3.10. Контрольні питання ..............................................................................

109

4

2.4. Розрахунок міцності і проектування з'єднань внапусток .........................

110

2.4.1. Загальна характеристика з'єднання, його геометричні параметри.....

110

2.4.2. Розрахунковий переріз з'єднання внапусток ........................................

110

2.4.3. Розрахунок зварних з'єднань під дією осьового навантаження.........

111

2.4.4. Розрахунок зварних з'єднань під дією поперечного навантаження ..

112

2.4.5. Розрахунок зварних з'єднань під дією згинального моменту ............

113

2.4.6. Розрахунок зварних з'єднань під дією крутного моменту..................

115

2.4.7. Розрахунок зварних з'єднань у разі одночасної дії декількох видів

 

навантаження ..........................................................................................................

116

2.4.8. Приклад розрахунку з'єднання внапусток ............................................

117

2.4.9. Задачі для самостійної роботи ..............................................................

120

2.4.10. Контрольні питання .............................................................................

123

2.5. Розрахунок міцності та проектування точкових контактних з'єднань.....

124

2.5.1. Загальна характеристика з'єднання, його геометричні параметри.....

124

2.5.2. Розрахунковий переріз точкового з'єднання .........................................

125

2.5.3. Розрахунок з'єднань під дією осьового (подовжнього) наванта-

 

ження........................................................................................................................

127

2.5.4. Розрахунок зварних з'єднань під дією поперечного навантаження ..

127

2.5.5. Розрахунок точкового з'єднання у разі дії згинального моменту ......

128

2.5.6. Розрахунок з'єднання у разі одночасної дії декількох видів на-

 

вантажень ................................................................................................................

130

2.5.7. Особливості роботи і розрахунку точкових з'єднань на відрив..........

131

2.5.8. Особливості розрахунку поясних точкових з'єднань у балках ...........

132

2.5.9. Приклад розрахунку точкового з'єднання.............................................

133

2.5.10. Задачі для самостійної роботи ............................................................

134

2.5.11. Контрольні питання ..............................................................................

137

2.6. Розрахунки комбінованих вузлів .................................................................

138

2.6.1. Розрахунок міцності комбінованих зварних вузлів .............................

138

2.6.2. Комбіновані клепано-зварні вузли ........................................................

139

2.6.3. Приклад розрахунку комбінованого зварного вузла............................

140

2.6.4. Контрольні питання ................................................................................

142

2.7. Особливості розрахунків міцності зварних з'єднань за Європейськими

 

нормами (EN) ..........................................................................................................

142

2.7.1. Німецький стандарт DIN 18800 на розрахунки міцності і проекту-

 

вання сталевих конструкцій. Особливості розрахунку зварних з'єднань..........

142

2.7.2. Приклад розрахунку ...............................................................................

146

2.7.3. Задачі для самостійної роботи ...............................................................

148

2.7.4. Контрольні питання ................................................................................

148

2.8. Особливості проектування зварних з'єднань корпусу судна за Прави-

 

лами Регістру судноплавства .................................................................................

149

2.8.1. Загальні принципи проектування ..........................................................

149

2.8.2. Обмеження на зварні з'єднання .............................................................

150

2.8.3. Приклад проектування зварного з'єднання секції корпуса судна.......

151

2.8.4. Задачі для самостійної роботи ...............................................................

152

2.8.5. Контрольні питання ................................................................................

155

5

РОЗДІЛ 3. МІЦНІСТЬ ЗВАРНИХ З'ЄДНАНЬ У РІЗНОМАНІТНИХ УМОВАХ

НАВАНТАЖУВАННЯ ...........................................................................................

156

3.1. Механічні випробування металу шва і зварних з'єднань..........................

156

3.1.1. Механічні властивості матеріалів та їх характеристики .....................

156

3.1.2. Механічні випробування зварних з'єднань ...........................................

158

3.1.3. Методи випробувань за ГОСТ 6996–66 ................................................

159

3.1.4. Випробування основного металу на розтяг за нормальної темпе-

 

ратури.......................................................................................................................

167

3.1.5. Контрольні питання ................................................................................

168

3.2. Концентрація напружень у зварних з'єднаннях .........................................

170

3.2.1. Загальне поняття про концентрацію напружень ..................................

170

3.2.2. Теоретичний коефіцієнт концентрації ..................................................

171

3.2.3. Концентрація напружень у зварних з'єднаннях ...................................

172

3.2.4. Вплив концентрації напружень на міцність .........................................

175

3.2.5. Контрольні питання ................................................................................

176

3.3. Міцність при циклічному навантаженні ....................................................

177

3.3.1. Руйнування при циклічному навантаженні ..........................................

177

3.3.2. Фактори, що впливають на циклічну міцність. Границя витрива-

 

лості .........................................................................................................................

177

3.3.3. Ефективний коефіцієнт концентрації....................................................

181

3.3.4. Діаграма граничних напружень .............................................................

182

3.3.5. Урахування циклічного характеру навантаження у розрахунках

 

міцності....................................................................................................................

184

3.3.6. Заходи підвищення втомної міцності зварних конструкцій ...............

184

3.3.7. Приклад розрахунку міцності під дією циклічного навантаження....

185

3.3.8. Задачі для самостійної роботи ...............................................................

187

3.3.9. Контрольні питання ................................................................................

189

3.4. Загальні поняття механіки руйнування ......................................................

190

3.4.1. Зміст і призначення механіки руйнування ...........................................

190

3.4.2. Коефіцієнт інтенсивності напружень, його визначення для дефек-

 

тів зварних з'єднань ................................................................................................

192

3.4.3. Критичний коефіцієнт інтенсивності (в'язкість руйнування), мето-

 

ди його визначення .................................................................................................

194

3.4.4. Інші критерії крихкого руйнування.......................................................

196

3.4.5. Контрольні питання ................................................................................

197

3.5. Вплив температури на механічні властивості основного металу і звар-

 

них з'єднань .............................................................................................................

198

3.5.1. Вплив зниженої температури на механічні властивості основного

 

металу і зварних з'єднань. Холодноламкість .......................................................

198

3.5.2. Вплив підвищеної температури на механічні властивості основ-

 

ного металу і зварних з'єднань ..............................................................................

201

3.5.3. Випробування металу на розтяг за підвищеної температури .............

203

3.5.4. Випробування металу на тривалу міцність ..........................................

203

3.5.5. Випробування металу на повзучість .....................................................

204

3.5.6. Контрольні питання ................................................................................

206

6

СПИСОК РЕКОМЕНДОВАНИХ ДЖЕРЕЛ ...................................................

207

ДОДАТКИ ..........................................................................................................

208

1Д. Основні типи і конструктивні елементи зварних з'єднань за стан-

 

дартами ....................................................................................................................

208

2Д. Наближені формули для розрахунку геометричних характеристик

 

тонкостінних перерізів (а << b, h) .........................................................................

215

3Д. Значення коефіцієнтів міцності зварних швів за Правилами Регістру

 

судноплавства..........................................................................................................

216

4Д. Характеристики механічних властивостей конструкційних сталей......

219

5Д. Рекомендовані розміри зразків для випробувань на розтяг ...................

219

ВСТУП

Дисципліна "Міцність зварних з'єднань" є частиною циклу підготовки фахівців зварювального виробництва "Механіка зварних з'єднань і конструкцій", до якого входять також дисципліни "Напруження і деформації при зварюванні" та "Проектування зварних конструкцій". Цей цикл відноситься до області науки "Механіка споруд" і займається вивченням принципів й методів розрахунку і випробувань зварних з'єднань, конструкцій та їх вузлів на міцність, жорсткість і стійкість.

Під міцністю конструкції або окремих її елементів і вузлів розуміють здатність витримувати експлуатаційні навантаження без недопустимих незворотних змін у матеріалі (поява пластичних деформацій, тріщин і т.п.); під жорсткістю – витримувати навантаження без недопустимих пружних деформацій і переміщень конструкції, наприклад, прогин балки понад норму; під стійкістю – здатність зберігати стійку форму деформації (прямолінійність осі балки під час стиску без вигину, площинність пластини і т.п.).

Часто поняття міцність, жорсткість і стійкість конструкцій поєднують одним поняттям – процездатності.

Зварювання, як технологічний процес отдержання нерознімних з'єднань, має дуже багато переваг. Однак, наскільки повно вони будуть реалізовані в конструкції багато в чому залежить від того, які технічні рішення приймаються під час проектування, тобто на початковій стадії створення конструкції.

У процесі проектування для забезпечення працездатності необхідно вирішувати три основні проблеми: проблему зовнішніх навантажень (вплив на конструкцію); проблему внутрішніх сил пружності (утворення напружень) і проблему руйнування (небезпечних або граничних напружень). Зазначені проблеми визначають здатність конструкції і окремих її елементів чинити опір навантаженню.

Визначення працездатності конструкції звичайно зводиться до порівняння навантаження (зовнішнього впливу) з опором (внутрішньою протидією) матеріалу. Очевидно, працездатність забезпечена доти, поки вплив не перевершує здатність до опору. Величина опору, з одного боку, залежить від властивостей матеріалу (міцності й жорсткості), з іншого боку, від форми і розмірів (геометрії) конструкції та окремих її елементів і вузлів. Під час розрахунку процездатності обов'язково враховується можливе відхилення зазначених параметрів, тому при порівнянні навантаження й опору вводиться так званий коефіцієнт запасу (коефіцієнт надійності).

Мета вивчення циклу дисциплін "Механіка зварних з'єднань і конструкцій" – пізнання фізичних основ і змісту методів розрахунку й оцінки міцності зварних з'єднань та вузлів і основних принципів проектування найбільш розповсюджених типів зварних конструкцій.

Задача дисципліни "Міцність зварних з'єднань" – ознайомити майбутніх фахівців з інженерними методами і схемами розрахунку міцності зварних з'єднань, особливостями роботи зварних з'єднань у різноманітних умовах експлуатації, основними характеристиками механічних властивостей зварних з'єднань і методами їх визначення.

8

У результаті вивчення студент повинен уміти правильно вибрати розрахунковий метод для оцінки міцності і проектування зварних з'єднань різних типів, виконувати всі необхідні розрахунки та доводити їх до чисельного результату, розробляти методику механічних випробувань зварних з'єднань і металу шва, виконувати аналіз результатів випробувань, користуватися державними стандартами, довідниками, нормативними документами, технічною літературою для розв'язування задач з розрахунку, проектування і оцінки роботоздатності зварних з'єднань, мати уявлення про міжнародні норми проектування зварних з'єднань і конструкцій.

Даний підручник укладено відповідно до програми дисципліни "Міцність зварних з'єднань" і з урахуванням багаторічного досвіду викладання автором циклу дисциплін "Механіка зварних з'єднань і конструкцій" у Миколаївському кораблебудівному інституті (МКІ), Українському державному морському технічному університеті (УДМТУ), нині Національному університеті кораблебудування (НУК).

Посібник складається з трьох розділів. У першому розділі наводяться загальні поняття, пов'язані з розрахунками зварних з'єднань, основні вимоги стандартів, деякі відомості з курсу "Опір матеріалів". В другому розділі – схеми розрахунків і проектування зварних з'єднань різних типів у разі дії статичного навантаження. Третій розділ присвячений методам механічних випробувань, особливостям роботи зварних з'єднань у специфічних умовах навантаження: при навантаженні, що циклічно змінюється; за наявності тріщиноподібних дефектів; в умовах зниженої та підвищеної температур. В усіх розділах наводяться приклади розв'язків конкретних задач, пов'язаних з оцінкою міцності й проектуванням зварних з'єднань, задачі для самостійного вирішення та контрольні питання.

Посібник призначений для студентів, що навчаються за напрямом 0923 "Зварювання", також може бути використаний дипломниками під час підготовки дипломних проектів і студентами інших спеціальностей, що вивчають дисципліни, пов'язані зі зварюванням.

Автор висловлює велику подяку своїм колегам по кафедрі і, особливо, завідувачу кафедрою зварювального виробництва НУК докторові технічних наук, професорові В.Ф. Квасницькому і професорові кафедри, кандидатові технічних наук С.В. Драгану за ідею підготовки цього видання, за їх постійну допомогу, увагу і підтримку.

Автор вдячний науковому редакторові академіку НАН України, докторові технічних наук, професорові В.І. Махненко і рецензентам докторам технічних наук, професорам Кочанову Ю.П. і Прохоренко В.М. за увагу, з якою вони поставилися до рукопису, за їх зауваження, що були враховані під час остаточної підготовки до друку.

Велика подяка співробітникам кафедри зварювального виробництва НУК за технічну допомогу у підготовці рукопису до друку і кандидатові технічних наук, доцентові кафедри Бугаєнку Б.В. за редагування українського перекладу.

Автор сподівається, що вихід у світ підручника заповнить нестачу навчальної літератури і буде сприяти підвищенню якості підготовки фахівців-зварників для вітчизняної промисловості.

9

РОЗДІЛ 1. ЗАГАЛЬНІ ПОЛОЖЕННЯ МЕХАНІКИ ЗВАРНИХ З'ЄДНАНЬ

1.1.Основні поняття, терміни та визначення

1.1.1.Зварювання та зварні з'єднання

Основні поняття, терміни та визначення, що використовуються в зварювальному виробництві та споріднених процесах встановлюються державними стандартами України ДСТУ 3761.1–98...ДСТУ 3761.5–98. Зварювання та споріднені процеси. Терміни та визначення (відповідає міжнародному стандарту ISO 581:1980).

В стандартах наведені основні терміни українською мовою і відповідні їм російською, німецькою, англійською та французькою мовами.

Терміни, що регламентовані в стандартах, обов'язкові для використання в усіх видах документації, науково-технічній, навчальній та довідковій літературах. Не дозволяється вживати терміни-синоніми, що наведені в круглих дужках з позначкою "нд".

Нижче наведені деякі основні терміни, що використовуються у посібнику, з їх перекладом на російську та англійську мови. В дужках наведені допустимі та недопустимі синоніми, а також загальноприйняті літерні позначення, що використовуються в посібнику.

Зварювання та споріднені процеси (сварка и родственные процессы, welding and allied processes) (згідно з ДСТУ 3761.1–98... ДСТУ 3761.5–98. Зварювання та споріднені процеси. Терміни та визначення).

Зварювання (зварювати)

Технологічний процес одержування (одержан-

ru: сварка

ня) нерознімного з’єднання між заготовками за

en: welding

допомогою нагрівання (місцевого чи загально-

 

го) та плавлення чи (і) пластичного деформу-

 

вання стисканням заготовок у місцях з’єдну-

 

вання

 

 

Зварний виріб, (нд зварювальний

Заготовки (дві і більше), що з’єднані зварюван-

виріб)

ням

ru: сварное изделие

 

Зварювальні матеріали,

Матеріали, що використовують у процесі зва-

(нд зварні матеріали)

рювання, крім матеріалу заготовок

ru: сварочные материалы

 

Ручне зварювання

Зварювання, під час якого робочий інструмент

ru: ручная сварка

та (чи) зварювальні матеріали переміщають

en: manual welding

вручну

Механізоване зварювання

Зварювання, що виконують із застосуванням

ru: механизированная сварка

машин та механізмів, якими керує людина

en: mechanized welding

 

Автоматичне зварювання

Зварювання, під час якого всі елементи проце-

ru: автоматическая сварка

су виконують машини та механізми за даною

en: automatic welding

програмою без участі людини

10