Задание к контрольной работе
Задача 1. Полоса сечением 200 х 10 мм приварена к листу фланговыми и косыми швами с к = 10 мм и лобовым к = 8 мм. Определить допускаемое усилие, если допускаемое напряжение [’] = 100 МПа; []р = 200 МПа, сварка ручная = 0,7.
Задача 2. Уголок 100 х 100 х 10 имеет площадь сечения А = 19,2 см2. Допускаемое напряжение материала уголка []р = 200 МПа, допускаемое напряжение среза шва [’] = 100 МПа.. Спроектировать сварное соединение равнопрочное уголку = 0,8.
Задача 3. Определить напряжения в швах при N = 200 кН. Сварка ручная =0,7. Швеллер № 18 прикреплен к листу лобовыми и фланговыми швами; катет лобового шва к = 8, катет флангового шва к = 10.
Задача 4. Определить напряжения в швах при N = 250 кН. Сварка автономная однопроходная = 0,8. Швеллер № 22 прикреплен к листу лобовыми и фланговыми швами; катет лобового шва к = 8, катет флангового шва к = 10.
Задача 5. Провести проверочный расчет стыкового шва. Марка стали ВСт3кп2; N = 280 кН; М = 35 кНМ; сечение 200 х 10; сварка механизированная в углекислом газе.
Задача 6. Определить продольную силу N, которую сможет выдержать тяга. Размер поперечного сечения 200 х 20 мм; сталь ВСт3Гпс5, сварка ручная с полным проваром.
Задача 7. На стыковое соединение листов действует момент М = 80 кНМ и поперечная сила Q = 250 кН. Сечение листов 300 х 200 мм; сварка механизированная в углекислом газе. Сталь 09Г2. Провести проверочный расчет соединения.
Задача 8. Рассчитать нахлесточное соединение с фланговыми швами, к которому приложена сила N = 300 кН, сечение основных листов 300 х 20 мм, накладок 140 х 8 мм. Сталь 09Г2с; сварка электродами Э50А, коэффициент условий работы
Задача 9. Рассчитать комбинированное сварное соединение листов в стык с накладками, нагруженное растягивающей силой (рис. ).
Данные для расчета: растягивающее усилие Q = 75000 кГ, статическое; ширина листов b = 500 мм; толщина листов s = 10 мм; материал листов – Ст. 2.
Рис.
Сварка выполняется тонкообмазными электродами Э34.
Расчет такого соединения сводится к определению размеров накладок и швов, приваривающих накладки к листам.
1. Определяем усилие, которое может воспринимать стыковой шов.
При сварке электродом Э34 допускаемое напряжение растяжения равно []р = 960 кГ/см2 (табл. 1 и 3, гл. 111),
2. Определяем усилие, подлежащее восприятию накладками
3. Определяем ширину накладки с одной стороны.
Учитывая, что накладки располагаются с двух сторон полос, примем толщину накладок sн = 0,5 см = 5 мм. Допускаемое напряжение для накладок примем равным напряжению в стыковом шве []’р, как это рекомендуется для соединений с двусторонними накладками.
Тогда:
4. Определяем суммарную длину швов приварки накладок.
Допускаемое напряжение среза для сварных швов, выполненных электродами Э34, равно:
Принимаем высоту катета шва равной толщине накладки, получаем длину швов:
5. Определяем суммарную длину фланговых швов:
Общее число фланговых швов будет равно 4 (по 2 с каждой стороны). Длина одного шва:
6. Определяем размеры накладок.
Продольный размер:
Увеличивая продольный и поперечный размеры накладок для учета непровара и кратеров, примем размеры накладок равными:
Задача 10. Сконструировать сварной узел, состоящий из стойки и полосы, прикрепленной вертикальными и горизонтальными швами (рис.66). Соединение должно быть равнопрочным полосе при изгибе.
Данные
для расчета: размеры полосы 150 х 20 мм;
катет шва К=20 мм; нагрузка пульсирующая;
характеристика цикла
;
сварка электродом Э42.
Рис.
Целью расчета является определение только длины горизонтальных швов, так как длина вертикального шва равна ширине полосы и, следовательно, задана по условию.
Расчет может выполняться темя способами: по принципу независимости действия сил, по осевому моменту инерции и по полярному моменту инерции. Учитывая простую конфигурацию швов и предполагая, что получение большой длины горизонтальных швов вследствие значительного размера вертикального шва мало вероятно, принимаем для расчета первый способ, как обеспечивающий наибольшую простоту расчета.
1. Определяем допускаемое напряжение для сварных швов. Согласно табл. 3, гл. III, допускаемое напряжение среза при сварке электродом Э42 при постоянной нагрузке равно:
где []из – допускаемое напряжение в основном металле.
Учитывая пульсирующий характер нагрузки:
где - коэффициент понижения допускаемого напряжения (табл. 4, гл. IV)
Тогда:
2. Определяем момент сопротивления полосы:
3. Определяем изгибающий момент, воспринимаемый полосой:
4. Определяем момент, воспринимаемый вертикальным швом, при заданной высоте катета шва:
5. Определяем момент, воспринимаемый горизонтальными швами:
6. Определяем усилие, приходящееся на один горизонтальный шов из условия равенства моментов:
Откуда:
7. Определяем требуемую длину горизонтального шва:
С учетом непровара и кратеров принимаем длину горизонтальных швов:
а = 60 мм.
Задача 11. К колонне приварен швеллер № 8, нагруженный на конце силой, направленной перпендикулярно к его оси (рис. ). Проверить прочность сварного соединения.
Данные для расчета: нагрузка Q = 450 кГ; длина швеллера L=550 мм; длина горизонтальных швов а = 120 мм; катет швов К = 5 мм; материал швеллера и колонны – Ст. 3; сварка выполнена электродами Э42; нагрузка статическая.
Задача 12. Уголок приварен к балке лобовым и фланговыми швами (рис. ) под углом = 280. Определить длину сварных швов по обушку l1 и перу l2.
Рис. |
Данные для расчета: нагрузка Q=18000 кГ; размер уголка 80 х 80 х 8; материал конструкции – Ст. 3; сварка выполнена электродами Э34; нагрузка статическая.
Ответ:
При допускаемом
напряжении для основного материала
|
и
без учета непровара и кратеров швы
будут иметь размеры l1
265 мм; l2
115 мм.
Задача 13. Консольная балка, выполненная из углового профиля, приварена к колонне и нагружена на конце силой Q (рис. ). Проверить прочность сварного соединения.
Данные для расчета: нагрузка Q = 1000 кГ; длина балки L = 600 мм; размер уголка 100 х 100 х 10 мм; длина горизонтальных швов а = 100 мм; катет шва К=10 мм; материал конструкции - Ст. 3; сварка выполнена электродом Э34; нагрузка статическая.
Рис.
Ответ:
Наибольшее
расчетное напряжение при расчете по
способу полярного момента инерции будет
иметь место на открытых концах
горизонтальных швов и равно:
.
Соединение будет прочным.
Задача 14. Проверить прочность сварных швов, соединяющих диск зубчатого колеса со ступицей. Швы валиковые (рис. ).
Данные для расчета: окружное усилие Р = 1000 кГ; диаметр начальной окружности D = 360 мм; диаметр ступицы dс = 120 мм; катет шва К = 5 мм; материал диска и ступицы – Ст. 3; сварка выполнена электродами Э42. Выполнение задачи сводится к определению напряжения, возникающего в сварных швах, и сравнению его с допускаемым напряжениям.
|
Рис.
|
1. Определяем крутящий момент, действующий на валу колеса:
2. Определяем величину напряжения в швах. Ввиду неравномерного распределения нагрузки по длине швов в расчет вводим 1/3 опасного сечения; тогда максимальное напряжение в швах будет:
Величина допускаемого напряжения при материале свариваемых деталей Ст. 3 и сварке электродами Э42 согласно данным табл. 1 и 3 гл. III равна:
Таким образом, швы работают с большим запасом прочности.
Уменьшение катета шва невозможно по техническим соображениям, поэтому можно сократить длину шва, осуществляя сварку участками. В данном случае это может привести к потере точности и появлению мест концентрации напряжений, а потому не применяется.
Задача 15. Две полосы из стали Ст3 соединены стыковым швом и нагружены силами Р (рис. ).
Принимая
,
определить допускаемое значение силы
Р для следующих вариантов выполнения
шва: а) ручная сварка электродами Э34; б)
то же, электродами Э42; в) сварка
автоматическая под слоем флюса. Для
каждого из указанных вариантов определить
процент использования основного металла
конструкции.
Рис. |
Ответ: а) 230 кН, 60%; б) 345,5 кН, 90%; в) 384 кН, 100%.
|
Выполнить то же, что и в задаче 15, для случая, когда полосы работают на сжатие.
Полосы
из стали Ст2 сварены встык (см. рис. )
вручную электродами Э42. Осевая сила
изменяется в пределах от
до
.
Определить допускаемое значение
.
Решение:
Основное
(при статическом нагружении) допускаемое
напряжение для свариваемых полос
.
Допускаемое напряжение для шва при переменной нагрузке:
где
Условие прочности сварного шва:
откуда
Задача 16. Полоса сечением 160 х 10 мм из стали Ст3, нагруженная растягивающей силой Р, приварена к косынке двумя фланговыми швами (рис. ).
Определить требуемую длину lф фланговых швов, если сварка выполнена вручную электродами Э50, катет шва равен толщине полосы. Соединение должно быть равнопрочно привариваемой полосе. Уменьшится ли объем направленного металла, если применить швы с катетом k = 8 мм вместо k = 10 мм? |
Рис. |
Какова минимально допустимая величина катета швов kmin, если предельная длина фланговых швов lфmax = 50 k?
Ответ:
lф = 190 мм; объем направленного металла при k = 8 мм примерно на 20% меньше, чем при k = 10 мм; kmin 6,2 мм.
Задача 17. Определить из условия равнопрочности сварных швов и основного металла конструкции требуемые длины lф1 и lф2 фланговых швов для прикрепления растянутого раскоса (рис. ) фермы к косынке. Материал уголков – сталь 15ХСНД, сварка автоматическая; k = 6 мм.
Ответ: lф1 = 250 мм; lф2 = 94 мм.
|
Рис. |
Задача 18. Сжатый раскос фермы, состоящий из двух неравнобоких уголков 120 х 80 х 10 мм (рис. ), приварен к косынке лобовым и фланговыми швами.
Исходя из равнопрочности уголка на сжатие и швов на срез, определить требуемые длины lф1 и lф2 фланговых швов, имеющих катет k = 10 мм; материал уголков – сталь Ст3, сварка выполнена вручную электродами Э34; свободная длина раскоса 2,3 м; концы раскоса можно считать закрепленными шарнирно.
|
Рис. |
Указание. При определении допускаемой нагрузки на сжатие раскоса учесть коэффициент понижения основного допускаемого напряжения с учетом опасности продольного изгиба.
Задача 19. Определить требуемый номер швеллера (рис. ) для растянутого раскоса фермы, если материал швеллеров – сталь Ст3. Определить требуемые длины фланговых швов для прикрепления раскоса к косынке (учесть наличие лобовых швов). Сварка автоматическая под слоем флюса: принять k = 7 мм.
Ответ:
№ 16 (по ГОСТ 8240 – 72); lф = 200 мм.
Рис.
Задача 20. Сжатый раскос фермы имеет свободную длину 3 м, его концы считать закрепленными шарнирно. Продольная сила, возникающая при нагружении фермы в поперечном сечении раскоса, N = 20 кН. Подобрать сечение раскоса из двух равнобоких уголков и определить длину фланговых швов, которыми он приварен к косынке (рис. ). Материал раскоса – сталь Ст3. Сварка электродами Э42 вручную.
Рис. |
Рис. |
Решение:
Определяем требуемую площадь сечения раскоса с учетом понижения допускаемого напряжения:
для
стали Ст3
.
Коэффициент продольного изгиба зависит от гибкости стержня (раскоса), которая пока неизвестна. Поэтому в начале расчета надо задаться коэффициентом ориентировочно. Принимаем = 0,5; при этом:
Требуемая площадь сечения одного уголка:
Принимаем уголки 100 х 100 х 8 мм по ГОСТ 8509-72 (F1 = 15,6 см2) и проверяем гибкость стержня:
где
= 1 – коэффициент приведения длины;
imin – минимальный радиус инерции сечения.
Очевидно, что минимальный главный центральный момент инерции сечения раскоса будет относительно оси х (рис. )1
При = 98 табл = 0,618.
Так как табл оказалось больше принятого предварительно, производим перерасчет, принимая новое значение равным среднему арифметическому между предварительно выбранным и полученным:
Требуемая площадь сечения уголка:
Принимаем уголок 90 х 90 х 8 мм; F1 = 13,9 см2; iх = 2,76 см.
Гибкость:
Этой гибкости соответствует табл = 0,528. Так как это значение меньше предварительного принятого, то напряжения в стержне будут выше допускаемых:
Допускаемое напряжение:
Превышение рабочих напряжений над допускаемыми составляет примерно 6,4%, поэтому надо принять уголки несколько большего сечения или с большим радиусом инерции. Принимаем уголки 100 х 100 х 6,5, для которых F1 = 12,8 см2; iх = 3,09 см, тогда:
допускаемое напряжение:
расчетное напряжение:
что меньше допускаемого на 2,4%.
Суммарная длина фланговых швов для прикрепления уголка:
Принимаем катет шва k = 8 мм. Допускаемое напряжение для сварного шва на срез:
Задача 21. Полоса приварена к косынке двумя фланговыми и прорезным швами (рис. ) и нагружена растягивающей силой Р.
Материал полосы – сталь Ст3. Сварка выполнена электродами Э34 вручную. Определить длину фланговых швов lф и длину прорези lпр, если катет шва k=8 мм, ширина прорези dпр = 20 мм и сварное соединение должно быть равнопрочно растягиваемой полосе.
Рис. |
Рис. |
Решение:
Допускаемая нагрузка на растяжение для полосы:
Где
стали Ст3 принято
.
Расчет сварного соединения выполняем по принципу независимости работы швов, т.е. принимаем, что каждый из швов передает на косынку усилие, пропорциональное его расчетной площади. На рис. показана эпюра продольных сил для полосы. Превышение длины фланговых швов над длиной прорези определяем из условия: в сечении 2 – 2 напряжения в полосе с учетом ослабления ее прорезью должны быть равны допускаемым. Допускаемая продольная сила в сечении 2–2:
следовательно, на участке 2 – 3 фланговые швы должны передать на косынку усилие:
Усилие N передают участки фланговых швов длиной lф – lпр. Определяем эту длину из условия прочности швов на срез:
где принято:
На участке 1 – 2 усилие передается прорезным швом и участками фланговых швов длиной lпр.
Окончательно получаем длину прорези lпр = 139 мм, длину фланговых швов lф = 139+43 = 182 мм.
Задача 22. Швеллер А, нагруженный растягивающей силой Р=350 кН, приварен к швеллеру Б двумя фланговыми швами и прорезным швом (рис. ). Материал швеллера – сталь Ст2. Сварка выполнена электродами Э42 вручную.
Определить номер швеллера, длины фланговых швов lф и длину прорези lпр; катет фланговых швов принять k = 6 мм, а ширину прорези dпр = 2 k. Построить эпюру продольных сил для швеллера А. Швеллер Б выбрать по условию размещения сварных швов.
Ответ:
Швеллер А - № 20а; швеллер Б - № 22; lпр = 198 мм; lф = 211 мм.
Рис. |
Рис. |
Задача 23. Два листа соединены стыковым швом, усиленным двусторонними накладками (рис. ). Определить размеры накладок lн, ан, н.
Материал листов и накладок – сталь Ст3. Сварка выполнена вручную электродами Э34.
Указание. Допускаемое напряжение на растяжение для накладок принять пониженное – такое же, как для стыкового шва: [’]р. Толщиной накладок следует задаться н. 0,5. Катет валиковых швов принять k = н. По конструктивным соображениям ан, должно быть не менее 0,5b; lн 0,75 ан.
|
Ответ: lн = 88 мм; ан = 225 мм; н = 6 мм, принято lн = 170 мм.
|
Задача 24. Стальная труба приварена к неподвижным весьма жестким деталям с одной стороны валиковым швом с катетом k = 8 мм, с другой – втавр с подготовкой кромок (рис. ).
Определить напряжения в сварных швах при понижении температуры трубы на 250С. Коэффициент линейного расширения = 12,510-6; Е = 2,0105 Н/мм2.
Рис. |
Рис. |
Ответ:
В соединении с подготовкой кромок ’р = 62,5 Н/мм2; в соединении валиковым швом ’ср = 78,5 Н/мм2.
Задача 25. На рис. показан один из узлов фермы настенного поворотного крана. Стержни испытывают переменные по величине усилия, величины которых указаны на чертеже.
Определить длину фланговых швов для каждого стержня, если сварка выполнена вручную электродами З42 и катет швов k = 6 мм.
Рис.
Задача 26. На рис. показано поперечное сечение сварной двухтавровой балки.
Определить расчетные напряжения в поясных швах (швы прикрепления стенки к полке) с катетом k = 8 мм, если наибольшая поперечная сила Q = 500кН.
|
Ответ: 27 Н/мм2.
|
Задача 27. Сварное однодисковое зубчатое колесо (рис. ) передает мощность N = 155 кВт при n = 145 об/мин. Материал диска 2 и ребер 3 – сталь Ст3. Материал ступицы 1 и обода 4 – сталь 35. Сварка выполнена вручную электродами Э42.
Проверить прочность швов, соединяющих диск с ободом и диск со ступицей. Катет швов k = 6 мм; Dст = 200 мм; d = 747 мм; В = 180 мм; Dо = 675 мм; dв=130 мм.
Рис.
Решение:
Допускаемое напряжение на срез сварных швов выбираем исходя из основного допускаемого напряжения на растяжение для стали Ст3:
Швы у обода проверяем на срез:
где
Р – окружное усилие;
Lш = 30k – условная длина сварных швов, воспринимающих усилие.
Момент, передаваемый колесом:
где
Окружное усилие:
После подстановки числовых данных получаем:
Швы у ступицы рассчитываем на совместное действие кручения и среза; при этом условно принимаем, что в передаче усилия участвует 1/3 периметра швов.
Напряжение среза (соответствующее поперечной силе Q = Р):
где
Dст + k – средний диаметр обварки.
Подставив значения входящих в формулу величин, получим:
Напряжение, соответствующее крутящему моменту (Мк = М):
Полярный момент сопротивления для тонкостенного кольца с достаточной точностью определяем как произведение площадки кольца на его средний радиус. В результате подстановки числовых значений получаем:
В точке А направления напряжений Q и М совпадают:
