К поперечной вставке
Рис. 19. Нахлесточное сварное соединение с фланговыми швами
Рис. 20. Нахлесточные сварные соединения:
а с комбинированными швами; б с фланговыми и прорезными швами;
в с лобовыми швами; г макет нахлесточного соединения с лобовыми швами
Рис. 21. Стыковое сварное соединение с неснятым усилением шва
Пояснения к работе
Сварные соединения характеризуются непостоянством поперечных сечений. В местах резкого изменения поперечного сечения свариваемых элементов имеет место концентрация напряжений и неравномерный характер распределения напряжений по сечению. Концентрацию напряжений оценивают теоретическим коэффициентом концентрации К, значение которого определяют отношением макс/ном (ном среднее значение напряжений в наиболее опасном сечении, макс максимальное теоретическое значение напряжений в том же сечении в месте концентратора).
Концентрация напряжений оказывает существенное влияние на прочность сварных соединений при усталостном виде нагружения, а также при статическом нагружении конструкций из высокопрочных сталей, особенно работающих при низких температурах.
Прочность сварных соединений с концентраторами при усталостном виде нагружения может быть оценена через значения эффективного коэффициента концентрации напряжений Kэ (представляющего собой отношение предела усталости гладкого образца к пределу усталости образца с концентратором и показывающего, во сколько раз снижается усталостная прочность образца с надрезом) и через коэффициент снижения допускаемых напряжений , используемый при расчете прочности сварных соединений, работающих на усталость. Значения Кэ и могут быть найдены из следующих соотношений:
;
(56)
,
(57)
где n показатель степени, характеризующий чувствительность исследуемой стали к концентрации напряжений, например, для Ст3 n = 0,64...0,74, для стали 40Х n = 0,78...0,86;
а и b коэффициенты, значения которых для сварных соединений из углеродистой стали принимают равными а = 0,58 и b = 0,26, для соединений из легированной стали а = 0,65; b = 0,3;
r коэффициент асимметрии цикла.
Верхние знаки в знаменателе формулы (57) принимают в тех случаях, когда среднее напряжение цикла в рассматриваемом элементе положительно (преобладает растяжение), нижние знаки когда преобладает сжатие.
Если принять n = 0,7 в выражении (56) для сварных соединений из стали Ст3, и r = 0, то выражение (57) принимает вид:
.
(58)
Определение теоретического коэффициента концентрации напряжений К проводится различными способами. В настоящее время все больше используется компьютерный расчет методом конечных элементов. Пример расчетных моделей показан на рис. 22.
|
|
Рис. 22. Расчетные модели образцов с концентраторами
Расчет методом конечных элементов заключается в приложении к составленной модели объекта нагрузки произвольной величины, определении напряжений в конечных элементах, попадающих в исследуемое сечение, и вычисление коэффициента концентрации К = макс/ном.
Для более точного (детализированного) расчета плотность сетки в области концентратора должна быть повышенной, а в отдаленных от концентратора зонах может быть пониженной. Многие современные расчетные программы, например ANSYS, умеют самостоятельно подбирать плотность сетки конечных элементов в зависимости от конфигурации объекта расчета. Кроме представления результатов расчета в табличной форме, ANSYS позволяет также их визуализировать путем заполнения расчетной схемы цветовой раскраской, оттенки которой соответствуют различным величинам напряжений в металле. Пример подобного представления результатов показан на рис. 23.
Рис. 23. Визуализация результатов расчета в виде контурного поля
Необходимо отметить, что значения коэффициентов концентрации напряжений для многих видов искажений форм поперечных сечений уже вычислены. Их значения, либо графики зависимости от геометрических параметров концентратора можно найти в соответствующей справочной литературе [10].
Также существуют расчетные методы определения коэффициента концентрации К, основанные на аналитически полученных зависимостях К от геометрии концентратора напряжений. Далее они рассмотрены подробнее.