1. Расчет таврового соединения нагруженного комбинацией сил и моментов.

Все внешние нагрузки приводим к центру масс: момент М; растягивающая сила ; сдвигающая сила . При определении напряжений используем принцип независимости действия сил и последующим суммированием напряжений от каждого фактора.

Соединения со швами глубокого проплавления.

Расчет на прочность основного металла в зоне термического влияния. Наиболее опасна точка 1 (нормальные – изгиба σ_И и растяжения σ_Р и касательные τ_Q напряжения).

Эквивалентное напряжение: σ_{P =}

где σ_И = М/W; W = δ b²/6 - момент сопротивления;

σ_P = P/(δ b);

τ_Q = Q/(δ b).

Угловой шов менее прочен. Касательные напряжения в биссектральной плоскости возникают от всех силовых факторов. Наиболее опасна точка 1.

Касательные напряжения при наличии двух швов:

- от момента М τ_М= М/W ; W = 2ab²/6

- от силы Р τ_P = P/(2ab)

- от силы Q τ_Q = Q/(2ab)

Полное напряжение τ в точке 1 определяем геометрическим суммированием с учетом, что вектор τ_M составляет с векторами τ_Q и τ_Р угол 90⁰:

τ =

Выбор допускаемых напряжений для расчета сварных соединений

Допускаемые напряжения для сварных швов при статической нагрузке задают в долях от допускаемого напряжения основного металл на растяжение [σ]_Р = σ_Т/S

Где σ_T - предел текучести основного металла;

S - коэффициент запаса (S = 1,35…1,6 - для низкоуглеродистой стали;

S = 1,5…1,7 - для легированной стали).

Допускаемые напряжения для сварных соединений полученных электродуговой сваркой: Таблица

Напряжения	Автоматическая и механизированная сварка	Э42А Э50А	Э42 Э50
Растяжения [σ]/Р	[σ]Р	[σ]Р	[σ]Р
Сжатия [σ]/сж	[σ]Р	[σ]Р	[σ]Р
Среза [τ]/ср	0,8[σ]Р	0,65[σ]Р	0,6[σ]Р

Расчет сварных соединений при переменных режимах нагружения

В машиностроительных конструкциях большая часть отказов связана с усталостными повреждениями. Размеры швов выбирают из условия равнопрочности Оме и Ме шва при статическом нагружении. Но при действии переменных нагрузок прочность св. соединения понижена.

Это вызвано факторами:

- концентрацией напряжений, обусловленной изменением геометрической формы, дефектами сварки, изменением химического состава и структуры основного металла в околошовной зоне, совместными деформациями швов и соединяемых элементов;

- технологией сварочного процесса (тип и значение св. тока, контроль качества, наличие поверхностного упрочнения);

- наличием и качеством предварительной обработки поверхности св. соединения;

- остаточными напряжениями в св. изделии (в следствии неравномерности нагрева и появления объемных структурных превращений);

- характеристиками переменного нагружения (ассиметрия цикла, число циклов нагружения).

Один из основных показателей прочности св. соединений при переменной нагрузке К_σ – эффективный коэффициент концентрации напряжений т. е. отношение предела выносливости целого образца к пределу выносливости сварного. Наибольшее сопротивление усталости характеризует стыковые соединения К_σ = 1,2…1,6(особенно при снятых усилениях). Значительно понижена при переменных нагрузках прочность соединений, выполненных угловыми швами: для лобовых шво К_σ =1,6…3,2; для фланговых К_σ = 3,4…4,4 ; для тавровых соединений К_σ = 2,5…4,0.

Эффективным средством повышения прочности св. соединений при переменных нагрузках (более чем в 1,5 раза) является поверхностное пластическое деформирование (наклеп). Имеет значение предварительная подготовка кромок шва. (Так прочность таврового соединения со скосом кромок в 1,5 раз выше, чем без скоса. Для снятия термических остаточных напряжений применяют термообработку (отжиг).

Из диограммы предельных напряжений (Сопротивление материалов) следует зависимость для вычисления предела выносливости:

σ_R = 2σ_-1c/[1+ψ_σ – R(1-ψ_σ)]

где ψ_σ - коэффициент чувствительности св. соединений к ассиметрии цикла

Значение σ_-1c предела выносливости св. деталей намного меньше значений σ_-1 предела выносливости Оме: σ_-1c = σ_-1/K_c

где К_с – коэффициент, понижения предела выносливости св. деталей, учитывающих влияние факторов на сопротивление усталости

Например: K_c = K_σK₁K₂/(K_dK_F)

где К_σ - эффективный коэффициент концентрации напряжений;

К₁ – коэффициент, учитывающий влияние неоднородности металла св. деталей (К₁ = 1,1 – для деталей из проката, поковки, штамповки;

К₁ = 1,2…1,3 – для литых деталей)

К₂ – коэффициент, учитывающий влияние габаритных размеров (К₂ = 1 – при размерах до 250мм; К₂ = 1,0…1,2 при размерах 250…1000мм)

К_d - коэффициент, учитывающий влияние длины l сварного шва (для фланговых швов нахлесточного соединения при l = 40…200мм имеем

К_d = 0,8…0,85

К_F - коэффициет, учитывающий качество поверхности св. соединения

(К_F = 0,8…0,9)

Расчет на сопротивление усталости проводим в форме проверочного путем определения коэффициента S_σ безопасности по нормальным (или S_τ- касательным ) напряжениям и сравнивая его с допускаемыми значениями [S]_σ (или [S]_τ ) S_σ = σ_RK_N/σ_max≥ [S]_σ

где σ_max = (σ_m σ_a)- максимальное напряжение цикла;

σ_m - среднее напряжение;

σ_a - амплитуда напряжений;

K_N - коэффициент долговечности;

N - число циклов нагружения;

m = 12/K_σ- показатель степени в уравнении кривой усталости.

Значение коэффициента [S]_σ безопасности принимают в зависимости от ожидаемого качества изготовления, ответственности конструкции и эксплуатации подобных конструкций [S]_σ = 1,4…2,5

Расчет на прочность.

Все расчеты на прочность приближенные, для их корректирования используется опыт эксплуатации и результаты экспериментов.

Соединение встык рассчитывают на растяжение или сжатие. Условие прочности выражено неравенством: σ =

где N = F - нормальная сила в поперечном сечении детали; h - толщина свариваемой детали (утолщение в зоне сварки не учитывается); l - длина шва.

Косые швы, где в сечении действуют и нормальные σ_B = σ cos²α,

σ = N/A и касательные τ_a = 0,5σsin2α, напряжения, рассчитывают по эквивалентному напряжению: σ_экв =

Если детали, сваренные встык, работают на изгиб, на изгиб с растяжением (сжатием), то рассчитываются:

где предполагается равнопрочность сварного шва и деталей.

При назначении допускаемого напряжения для некоторых материалов вводится коэффициент для учета ослабления в зоне сварного шва:

Лобовые и фланговые швы деталей, соединенных в нахлестку, при растяжении рассчитываются на срез:

За расчетную площадь принимается наименьшая площадь сечения шва

А = 0,7kl , поперечная сила Q = F. Если в соединении несколько швов, длина принимается, как сумма l = l_л +2l_ф . Если на шов действует сила, линия действия которой не проходит через центр жесткости соединения, то расчет ведем на кручение:

Полярный момент инерции находим как сумму осевых моментов инерции:

I₀ = I_z + I_X

При сварке косынки и стержня несимметричного (неравнополочного) уголкового профиля, нагруженных силой, проходящей через центр тяжести сечения стержня. Для каждого шва находят силы с учетом эксцентрицицета приложения силы:F₁ = F₂ =

Тавровые соединения, нагруженные постоянными силами, свариваются без подготовки кромок, при циклическом изменении напряжений кромки разделываются. Катет угловых швов k ≤ 1,2h h - меньшая толщина деталей. Силы, приложенные к соединению, приводятся к центру тяжести соединения. Главный вектор F_c и главный момент M_c раскладываются по осям х и у, определяются моменты инерции сечения шва относительно осей х, у:

I_x = 0,7 , I_y =

и точки, наиболее удаленные от центральных осей:

y_max = , x_max =

По значениям находят полярный момент инерции и определяют условное касательное напряжение: , в точке наиболее удаленной от центра сечения сварного шва, определяемой ρ_max.

Детали с плоскими поверхностями при общей толщине иногда соединяются точечной сваркой. Шаг сварных точек, как и шаг заклепок t ≤ 3d , диаметр расплавленного цилиндра 1,2h + 4< d< 1,5 h + 5мм, расстояние до края детали а ≥ 2d в направлении действия внешней силы, а в поперечном направлении а ≥1,5d

Расчет ведется по касательным напряжениям в сечении расплавленного цилиндра: , где n - число сварных точек, m - число плоскостей среза, F - сила , действующая на соединение. Практически нагрузка по «точкам» неравномерна. Эту неравномерность учитываем снижением допускаемого напряжения на 10-20%. Число сварных «точек» не должно быть больше 4 (n ≤ 4).

При постоянных силах и постоянном положении швов относительно линии действия силы для стыковых для стыковых швов допускаемые напряжения такие же, как и для соединяемых деталей: , S_T = 1,6…2,5

Для точечной сварки [σ] = (0,2…0,3) [σ_r ], [τ]=(0,3…0,5)[σ]

При циклическом изменении напряжений в следствии концентрации напряжений у швов с необработанной поверхностью, (у валиковых швов - α_σ – 2,3…3,66) из-за остаточных напряжений в зоне шва, различия твердости основного материала и шва, дефектов сварки виде непроваров, трещин, подрезов, пор и др. дефектов пределы выносливости шва при симметричном цикле σ_-1= (15…20)МПа, когда вдали от шва σ_-1= (200…300) МПа. Остаточные напряжения складываются с напряжениями симметричного цикла и делают его асимметричным с σ_m = σ_ост увеличивают влияние масштабного фактора.

Для повышения долговечности ищутся оптимальные конструктивные формы, с малой концентрацией напряжений. Выбор форм осуществляется исследованием напряжений методом конечных элементов, измерением деформаций. Поверхность швов обрабатывается механическими или точечным нагревом, наклепом. За счет обработки швов их предел выносливости σ_-1 может быть увеличен в 2,0…2,8 раза.