21.4.2.1 Усталостная прочность

Процедуры проверки сварных соединений, подверженных усталостной нагрузке (на основе предела прочности или предела текучести материала) могут привести к ошибкам, которые сделают эти соединения небезопасными. Поэтому для проверки таких соединений используется усталостная прочность. Ниже приводится описание проверки сварных соединений, подверженных усталостной нагрузке, реализованной в программе.

• задание предела выносливости. На первом этапе расчета определяется предел выносливости для постоянной прочности _e или _e для указанного типа, подбора, вида нагрузки и материала сварного соединения

• задание границ усталости. Границы усталости _f или _f рассчитываются для заданной долговечности соединения из диапазона (N < 10⁶ циклов). Расчет продолжается с учетом этих границ усталости

• расчет параметров заданной усталостной нагрузки. Средние значения для заданных верхнего и нижнего циклов нагрузок рассчитываются по следующим формулам. Этот расчет выполняется для всех нагрузок или

• эффект динамических нагрузок. При выполнении расчета можно учитывать влияние динамических нагрузок. Коэффициент динамической нагрузки в формуле позволяет рассчитать максимальную величину нагрузки F_max = F_m +  F_a или M_max = M_m +  M_a

• расчет передаточного напряжения в сварном соединении. Усредненный цикл нагрузки _m или _m и верхнее напряжение цикла _h или _h рассчитываются для указанного среднего цикла нагрузок F_m, M_m и максимальной расчетной нагрузки F_max, M_max по формулам, используемым при статических расчетах. Эти нагрузки используются для расчета амплитуды цикла по следующей формуле: _a = _h - _m или _a = _h - _m

• з адание усталостной прочности соединения. Для рассчитанного напряжения и известного предела выносливости итоговая прочность соединения, испытывающего усталостную нагрузку, можно легко определить по выбранной кривой усталости. На рисунке 21.10 показано определение усталостной прочности для нормального напряжения и напряжения среза

• проверка соединения. На последнем этапе вычисляется коэффициент запаса прочности соединения n_C = s_A/s_a. Коэффициент сравнивается с требуемым запасом прочности. Для подходящего сварного соединения условие n_f  n_C может быть удовлетворено.

21.4.2.2 Пределы выносливости сварных соединений

• скорректированный предел выносливости при постоянной прочности _e или _e сварного соединения определяется типом, материалом и приложенной нагрузкой по формуле: _e='_ek_ak_bk_ck_dk_ek_f [МПа], где '_e, '_e-основной предел выносливости пробного бруска из выбранного материала [МПа], k_a-коэффициент поверхности, k_b-коэффициент размера, k_c-коэффициент надежности, k_d-фактический температурный коэффициент, k_e-измененный коэффициент концентрации напряжений, k_f-коэффициент других воздействий

• основной предел выносливости '_e. Если результаты испытаний материалов сварного соединения недоступны и точное значение основного предела выносливости неизвестно, то можно оценить это значение по следующим эмпирическим формулам: '_e  0.5 S_U - для знакопеременного изгиба, '_e  0.4 S_U - для знакопеременного растягивания-давления, '_e  0.28 S_U - для знакопеременного кручения (среза)

• коэффициент поверхности k_a. Существует следующая зависимость между пределом выносливости и качеством поверхности: усталостная прочность детали, к которой приложена усталостная нагрузка, увеличивается с увеличением качества поверхности. Эта зависимость проявляется сильнее для материалов высокого качества. Эффект влияния качества поверхности на предел выносливости в соответствии с прочностью материала и для разных типов механической обработки поверхностей можно показать с помощью графиков

• коэффициент размера , причем k_b0.6

Размер не оказывает эффекта на усталостную прочность сварных соединений под нагрузкой знакопеременного растягивания-давления, поэтому для такой нагрузки коэффициент размера k_b = 1.

Если на соединение оказывается нагрузка знакопеременного изгиба (среза), то размер соединения оказывает существенное влияние на величину усталостной прочности. С увеличением размера соединения величина усталостной прочности уменьшается.

Точная величина отношения размера соединения к величине усталостной прочности может быть получена только после проведения испытаний указанного сварного соединения. Это практически невозможно. Поэтому производятся упрощенные вычисления. Они основываются на величинах усталостной прочности, полученных при испытании пробных брусков различного диаметра. Вычисления позволяют оценить приблизительное значение коэффициента k_b. Делается предположение о том, что виртуальный сравнимый диаметр пробного бруска соответствует сечению сварного шва.

• коэффициент надежности k_c. Этот коэффициент выражает влияние требуемой надежности соединения в работе на значение усталостной прочности. Значение коэффициента находится в интервале <0.5 ... 1>. Значение коэффициента уменьшается при повышении требований к надежности. Значение k_c = 1 соответствует надежности в 50 процентов. Она соответствует 50% вероятности разрушения сварного соединения под воздействием усталостной нагрузки.

В машиностроительном проектировании обычно используют детали с надежностью 95 процентов. Следует использовать большую надежность в тех случаях, когда разрушение соединения угрожает жизни людей или может привести к большим финансовым потерям.

• Фактический температурный коэффициент k_d. Влияние температуры на предел выносливости существенно зависит от свойств использованного материала. Используемые конструкционные стали работают в диапазоне температур от -20 до 200°C. Предел выносливости для этих сталей слабо зависит от температуры. Поэтому при расчетах можно использовать значение k_d = 1.

Обеспечение прочности при воздействии высоких температур является очень сложной проблемой, так как разрушению соединения способствуют сдвиг, усталость и химические свойства материала. Эта проблема требует теоретического изучения. Для правильного определения коэффициента k_d следует использовать результаты экспериментов.

• Измененный коэффициент концентрации напряжений k_e. Усталостная нагрузка соединения вызывает в нем высокую концентрацию напряжений. Это является следствием эффекта надреза сварного соединения. Концентрация напряжения ослабляет усталостную прочность соединения. Измененный коэффициент концентрации напряжений определяется по формуле k_e = 1/K, где K — коэффициент снижения усталостной прочности, зависящий от типа сварного шва, его формы, качества сварки и приложенной нагрузки. Рекомендованные значения коэффициента концентрации напряжений для различных сварных швов и нагрузок: стыковой шов, изгиб и растяжение-1.2; стыковой сварной шов, кручение (срез)-1.8; T-образное соединение с двусторонним стыковым сварным швом-2.0; угловой сварной шов, нагрузка направлена перпендикулярно-1.5; угловой сварной шов, нагрузка направлена параллельно оси шва-2.7.

Учитывая концентрацию напряжений на определенном участке, наиболее опасными участками сварного соединения являются переходы от основного материала к материалу сварки. Поэтому для сварных швов, подвергающихся усталостной нагрузке, важное значение имеет подбор сварного шва и точное соответствие переходных граней. Некачественная сварка также существенно сокращает срок эксплуатации сварного соединения. При выборе величины коэффициента концентрации напряжений следует учитывать правильность подбора сварного шва.

• коэффициент других воздействий k_f. Учитывает все прочие воздействия, которые могут увеличить или уменьшить усталостную прочность сварного соединения (например, влияние коррозии).