книги из ГПНТБ / Кузьминов С.А. Сварочные деформации судовых корпусных конструкций

няется от точки к точке по линейному закону, то в свободном теле (статически определимой системе) не будут возникать напряжения *.

В этих случаях температурные деформации (ет) во всех точках

точек тела будет запрещена в каком-либо направлении внешней заделкой (т. е. если система статически неопределима), то в теле возникнут упругие деформации (еуп) и соответствующие им на­ пряжения а = еуп£ (Т), где Е (Т) — модуль нормальной упругости при данной температуре.

В статически определимой системе при нагреве также могут возникать упругие деформации и напряжения, но при условии, если градиент функции температурных деформаций [ат Т (х, у , г) ] по какому-либо направлению не будет постоянным, т. е. если вто­ рая производная от функции температурной деформации по какомулибо направлению не равна нулю:

При этом неравенство нулю второй производной от функции тем­ пературной деформации по одному из направлений (например, х) будет вызывать упругие деформации и напряжения только по дру­ гим двум направлениям ( риг) .

Например, при неравномерном нагреве листа по толщине воз­ никают упругие деформации и напряжения в продольном и попе­ речном направлениях; при неравномерном нагреве листа по ширине возникают упругие деформации и напряжения в поперечных сече­ ниях в продольном направлении и, наконец, при неравномерном нагреве листа по длине возникают упругие деформации и напряжения в продольных сечениях в поперечном направлении **.

В рассматриваемых случаях температурные деформации вызы­ вают действительные и упругие деформации, причем температурные деформации равны алгебраической сумме упругих и действительных деформаций в каждом направлении, и после остывания тело приоб­ ретет свои первоначальные размеры, форму и объем.

Соотношение между действительными (ед) и упругими (еуп) деформациями при нагреве зависит от жесткости внешней заделки для статически неопределимых систем и от величины второй произ­ водной от функции температурной деформации по какому-либо направлению для статически определимых систем.

* При этом предполагается отсутствие каких-либо структурных превращений, связанных с изменением объема [15].

** В последних двух случаях возникают упругие деформации и напряжения по толщине листа, однако практически эти величины несоизмеримо малы, так как толщина листа обычно значительно меньше его длины и ширины. Поэтому поле температурных напряжений в листах рассматривается как плоское.

10

Так, при абсолютно жесткой заделкб в направлении х действи­ тельные деформации в этом направлении равны нулю и, следова­ тельно, упругие деформации укорочения в этом направлении будут равны температурным деформациям.

Величины упругих температурных деформаций и соответствую­ щих им напряжений зависят от температуры нагрева, степени его концентрации и жесткости внешней заделки. Однако значение упру­ гих деформаций не может превзойти величины деформаций, соответ­

ствующей пределу текучести материала при данной температуре, т. е.

Чт (Т)

При определенных условиях нагрева и закрепления упругие деформации достигают своего предельного значения (es) и в наибо­ лее нагретых точках тела возникают пластические деформации укорочения (епл).

Следовательно, в общем случае температурные деформации бу­ дут вызывать действительные (ед), упругие (еуп) и пластические (епл) деформации. При этом, в каждой точке тела, в любой момент времени и в любом направлении, температурные деформации равны алгебраи­ ческой сумме действительных, упругих и пластических деформа­

Здесь условно принимаем: положительные температурные дефор­ мации соответствуют нагреву (повышению температуры); положи­ тельные действительные деформации соответствуют удлинению; по­ ложительные упругие деформации соответствуют напряжениям растя­ жения; положительные пластические деформации соответствуют пластическому удлинению.

При сварке конструкций будет как раз такой случай, когда величина и степень концентрации температуры нагрева таковы, что в зоне нагрева возникают пластические деформации укорочения. При этом неравномерный нагрев по площади поперечных сечений (по ширине и толщине) листа вызывает продольные пластические деформации, а неодновременный нагрев по площади продольных сечений (по длине и толщине) листа — поперечные пластические

деформации.

С течением времени в процессе распространения тепла соотноше­ ние между действительными, упругими и пластическими дефор­ мациями в каждой точке тела непрерывно изменяется.

11

Возникновение и развитие пластических деформаций можно рас­ смотреть на примере наплавки валика на лист* (рис. 1). При наплавке валика на лист большой толщины нагретый участок листа около наплавляемого валика, расширяясь, вызывает в нагреваемых волок­ нах напряжения сжатия в плоскости листа, так как соседние менее нагретые участки мешают свободному удлинению нагреваемых волокон. В данном случае температурные деформации запрещены в плоскости листа и относительно свободны из плоскости листа.

Продольному удлинению нагреваемых участков сопротивляются холодные участки под швом и с обеих сторон шва. Поперечному удлинению сопротивляются холодные участки под швом и перед источником.

Если жесткость сопротивляющихся (холодных) участков пре­ восходит жесткость нагреваемых участков, то эти напряжения

вучастках около шва достигают предела текучести сжатия в про­ дольном и поперечном направлениях, и материал течет, получая пластические деформации укорочения в плоскости листа. При этом

вкаждой точке листа в продольном и поперечном направлениях справедливо равенство (4).

Зона продольных и поперечных пластических деформаций со временем непрерывно увеличивается вследствие распространения тепла и в определенный момент времени достигает своего предель­ ного значения.

Возникшие пластические деформации укорочения в плоскости листа вызывают его утолщение.

При остывании вначале снимаются напряжения сжатия в нагре­ тых волокнах, затем последующее остывание вызывает в зоне пла­ стических деформаций напряжения растяжения в плоскости листа,

которые достигают предела текучести растяжения, и материал по­ лучает обратные пластические деформации удлинения, компен­ сируя часть пластических деформаций укорочения, полученных при нагреве.

Упрочнение материала за пределом текучести мало влияет на величину остаточных пластических деформаций. Некоторое увели­ чение еуп в формуле (4) уменьшит пластические деформации при нагреве, но вместе с этим при остывании соответственно уменьшатся обратные пластические деформации.

После полного остывания благодаря оставшимся пластическим деформациям укорочения в плоскости листа около шва будут раз­ виваться в продольном и поперечном направлениях действительные и упругие деформации, причем в каждой точке справедливо ра­ венство

®ПЛ ®уп"

* В данной работе рассматриваются только температурные деформации и на­ пряжения. Напряжения и деформации, вызываемые структурными превращениями, в работе не рассматриваются, так как они не оказывают существенного влияния на деформацию сварных конструкций, изготовляемых из судокорпусных материалов

[7], [58], [69].

11>

В этом случае в листе обычно возникает плосконапряженное состояние 158].

При наплавке валика на тонкий лист температурные деформа­ ции запрещены только в продольном направлении, а в поперечном направлении * и из плоскости листа они относительно свободны, т. е. продольные деформации возникают и развиваются так же, как и при наплавке валика на лист большой толщины.

Поперечные пластические деформации возникают мгновенно за сварочной дугой. По величине они равны температурным, так как упругие и действительные поперечные деформации в этот момент равны нулю. При распространении тепла в поперечном направлении будут возникать действительные поперечные деформации удлине­ ния нагреваемых участков и соответствующее укорочение охлаждае­ мых участков и, если пренебречь теплоотдачей с поверхности, то суммарное удлинение нагреваемых участков поперечных волокон будет равно суммарному укорочению охлаждаемых участков без изменения величины пластических деформаций.

Теплоотдача с поверхности листа после приобретения швом упругих свойств вызывает поперечное укорочение листа (см. § 13). И если отношение скорости сварки к температуроотдаче относительно велико (см. § 17), то при остывании поперечные напряжения будут малы и обратные пластические поперечные деформации удлинения не возникнут. При этом остаточные поперечные укорочения, равные сумме поперечных пластических деформаций укорочения, получен­ ных в момент нагрева, несколько изменятся за счет продольных пла­ стических деформаций, которые будут происходить после приобре­ тения швом упругих свойств (см. § 14).

При наплавке валика на тонкий лист поперечные пластические деформации образуются сразу же за источником и поэтому они не влияют на развитие продольных пластических деформаций, в то время как продольные пластические деформации, возникающие после приобретения швом упругих свойств, будут несколько изменять остаточные поперечные деформации. Для удобства расчетов продоль­ ные и поперечные остаточные деформации можно определять раз­ дельно с учетом влияния продольных пластических деформаций на поперечное укорочение сварных соединений.

Для определения сварочных деформаций и напряженного со­ стояния конструкций необходимо знать величину и зону остаточных продольных и поперечных пластических деформаций.

Как будет показано ниже, размеры зоны остаточных пластиче­ ских деформаций, их величина и соотношение между действитель­ ными и упругими деформациями зависят от механических и теплофи­ зических свойств свариваемого материала, размеров элементов кон­ струкции и их конфигурации, положения сварного соединения в пространстве, а также режимов и условий сварки и, наконец, условий последующего охлаждения.

* Поперечные смещения в сторону шва будут свободны, пока металл валика не приобретет при остывании упругие свойства, т. е. пока температура шва больше Т0.

14

§ 2

Классификация сварочных деформаций судокорпусных конструкций

Остаточные продольные и поперечные укорочения сварных сое­ динений вызывают общие и местные деформации сварных конструк­ ций.

Общие деформации — это укорочение и изгиб конструкции в про­ дольном или поперечном направлениях, как жесткой балки.

Так, продольное укорочение швов при приварке пояска к стенке вызывает продольное укорочение и изгиб тавровой балки. При этом

изгиб возникает как в плоскости стенки, так и в плоскости пояска. Величина продольного изгиба балки в какой-либо плоскости пропор­ циональна моменту объема продольного укорочения относительно центральной оси, перпендикулярной плоскости изгиба, и обратно пропорциональна моменту инерции площади поперечного сечения относительно той же центральной оси. Продольное укорочение балки пропорционально объему продольного укорочения швов приварки пояска к стенке и обратно пропорционально площади поперечного сечения балки. Величина общих деформаций (укорочение и изгиб) более сложных конструкций (рис. 2), имеющих несколько продоль­ ных и поперечных сварных соединений, определяется геометрическим суммированием деформаций от продольного и поперечного укоро­ чения отдельных сварных соединений.

Так, деформация днищевых секций в плоскости флор опреде­ ляется поперечным укорочением продольных и вертикальных швов (пазовых швов обшивки и настила второго дна, швов приварки про-

15

дольного набора к обшивке, настилу и поперечному набору) и про­ дольным укорочением поперечных швов (стыковых швов обшивки и настила, швов приварки поперечного набора к обшивке и настилу). Деформация днищевых секций в плоскости стрингеров определяется поперечным укорочением поперечных и вертикальных швов (стыко­ вых швов обшивки и настила второго дна, швов приварки попереч­ ного набора к обшивке, настилу и продольному набору) и продоль­ ным укорочением продольных швов (пазовых швов обшивки и на­ стила, швов приварки продольного набора к обшивке и настилу).

Аналогично определяются общие деформации целого корпуса судна от сварки монтажных соединений и приварки всякого рода насыщения после стыкова­

ния секций.

Метод определения об­ щих деформаций и схема расчета приводятся в гла­ ве V.

Местные деформации

конструкции — это изме­ нения формы отдельных ее элементов, являющиеся следствием неравномерно­ го укорочения сварных соединений по сечению конструкции.

Основные виды местных сварочных деформаций: бухтиноватость (волнистость) полотнища вследствие потери его

устойчивости от сжатия, вызываемого продольным укорочением стыковых сварных соединений (рис. 3);

бухтиноватость (волнистость) полотнища обшивки вследствие потери устойчивости его от сжатия, вызываемого продольным уко­ рочением швов приварки набора (рис. 4, б);

волнистость части полотнища, вызываемая неодинаковым попе­ речным укорочением сварных соединений по длине или ширине кон­ струкции. Например, волнистость кромок при недоваренных кон­ цах набора, при наборе, не доходящем до кромок (рис. 4, а);

ребристость полотнища, вызываемая неравномерным поперечным укорочением полотнища по его толщине при приварке набора

(рис. 4, в); «домики» по стыкам и пазам свариваемых элементов, вызываемые

неравномерным по толщине сварного соединения поперечным укоро­ чением, т. е. угловыми деформациями стыковых соединений (рис. 3,5); «домики» по криволинейным стыкам или пазам обшивки, вызы­

ваемые продольным укорочением сварных соединений (рис. 5); «домики» по концам стыков или пазов обшивки (полотнища),

вызываемые неравномерным по длине шва поперечным укороче­ нием этих соединений (рис. 6);

перекос в виде искажений углов наклона набора к полотнищу или углов между пояском и стенкой набора, вызываемый несиммет*

16

7 Ш /

Рис. 4. Деформации полотнища от приварки набора: а — от поперечного укороче­ ния в случае приварки набора не на всю длину полотнища; б — от продольного уко­ рочения сварных соединений; в — ребристость полотнища.

В — ширина полотнища; S — часть длины полотнища без набора; d = S — длина полу­ волны; f — стрелка прогиба свободной кромки полотнища; /р — стрелка прогиба полот­

нища между набором.

I ‘-'О-тохни ескоо

' :"5'г' - С:‘ -

Э*рь--.Л ,.н '

Рис. 5. «Домики» по сты­ ковым соединениям дни­ щевой секции.

1 — стык листов вертикаль­ ного киля; 2 — стык листов стрингера; 3 — стык листов наружной обшивки; fB —

стрелка прогиба стыка лис­ тов вертикального киля; /н стрелка прогиба стыка

листов наружной обшивки*

Рис. 6. «Домики» по концам стыков (пазов) полотнища.

f — стрелка прогиба стыка по­ лотнища у кромки.

угловых деформаций сварного пазового соединения.

1 — положение обшивки до сварки паза; 2—положение обшивки после сварки паза; р —угловая деформа­ ция паза.

19

Рис. 12. Радиальные деформации обечайки от сварки кольце­ вых швов.