ОСНОВЫ СВАРКИ СУДОВЫХ КОНСТРУКЦИЙ

ПРИМЕРЫ РАСЧЕТА ОБЩИХ СВАРОЧНЫХ ДЕФОРМАЦИИ БАЛОЧНЫХ КОНСТРУКЦИЙ

Расчетные формулы, но которым определяются общие сварочные деформации, содержат іеометрпческне характеристики сечения балок

не

и тепловыехарактеристики нагрева свариваемых иемеїнон. Г)ти харак­терне гики рекомендує і ся пахо. діп і. и перв ю очереди и да. it-e раесмагрп- пать их как исходные данные к расчету. Для того чтобы не поширять її каждом п. і прииедеипых ниже нрнмеро» вычисление указанных характе­ристик. приведем расчетные формулы. по которым они определены.

Теомтприческне характеристики сечения палочной конструкции.

1. 11.тоиіадь сечения

f = ХЛ­АМ

2. Расстояние от осп сравнения, выбираемой произвольно тра тяжести сечения балочной конструкции

±/>л

2 _________________________

^ (17.17)

2-А

/,=і

3. Момент инерции относительно нейтральной осп

11 ( И / И

./і = X-W+ Ха ~| X h г‘м < • (17,18)

/■■=1 C--I /,=I I

.Здесь приняты следующие обоаначенпя: f, ~ площадь сежчшя /т-го элемента; г/ - расстояние от оси сравнения до цеп гра тяжести k~n> эле­мента; 'р - собственный момент инерции /г-го элемента.

По формулам (17.16)—(17.18) расчет геометрических характерис­тик сечения балочной конструкции удобно вест и в табличной форме.

Тепловые характеристики нагрева свариваемых элементов.

1. Погонная анергия сварки в зависимости от режима

>1„/А

</,,=—------ ■ (17.19)

Г

2. Погонная энергия сварки в зависимости от катета углового шва [кДж тм|:

• ручная сварка

г/и = 10/сД (17.20)

ит

автоматическая и полуавтоматическая сварка под флюсом 9„ = 3<W; (17.21)

• полуавтоматическая сварка в среде защитных газов

qa = ШК (17.22)

где k - катет шва, см,

3. Погонная энергия сварки в зависимости от площади наплавки

<?„ = 65,5F. (17.23)

где F - площадь наплавки, см2.

Прішер 1. Оценить ожидаемые общие сварочные деформации тав­ровой балки при возможных вариантах выполнения равнопрочного j поясного шва.

і Поясной шов, являющийся по отношению к осп балки продольным,

может быть выполнен как односторонним с расчетным катетом ктак и 1 двусторонним с катетом к;, условие равнопрочности k = 2kг Причем,

! двусторонний шов может быть выполнен как раздельно (второй шов

; выполняется после охлаждения первого), так и одновременно с двух

сторон (дуга в дугу). Поэтому для рассмотрения выделим три основ - 1 ных варианта выполнения поясного шва тавровой балки:

1) односторонний угловой шов с катетом k - один продольный шов;

2) двусторонний угловой шов с раздельным выполнением швов с катетами kz - два продольных шва (близкорасположенных);

3) двусторонний угловой шов с одновременным их выполнением с катетами k, - один продольный шов с удвоенным тепловложе - нием.

Для оценки ожидаемых общих сварочных деформаций тавровой бал­ки по трем вариантам выполнения поясного шва воспользуемся фор­мулами (17.1):

1 !~

Фі •

1= 1

f L ф5 L

Ч2ГІП

Из этих формул видно, что укорочение по нейтрально її оси балки ДL, угол поворота торцов балки ф и стрелка прогиба посередине дли­

ны балки //1 ~ | прямо пропорциональны суммарному объему продоль­ного укорочения, который будет различен для трех рассматриваемых вариантов. Учитывая, что погонная энергия сварки пропорциональна квадрату катета углового шва: q ~ Ak1, определим эти суммарные объе­мы укорочений для трех вариантов:

Xav, =2р L.

у, Ф Ф V 2>

Положив, что во всех вариантах выполнения поясного шва назначен один способ сварки, т. е. значение,4 для них одинаково, и взяв рекомен­дуемое значение коэффициента перекрытия пластических зон К = 1,2, полечим соотношение

Таким образом буду г соотноситься и ожидаемые общие сварочные деформации тавровой балки. Видно, что наибольшие геометрические искажения получаются для первого варианта выполнения поясного шва.

При. иер‘2.. Оценить ожидаемые общие сварочные деформации несим­метричной двутавровой балки при возможных вариантах ее изготовления.

Длина балки 12 м, материал - малоуглеродистая сталь - — = 3. л ■ 1 (Г° см '/Дж,

" Л -7 г ('Р

сечение оалки показано на рис. 17.5, а, поясные швы - двусторонние, каж­дый угловой шов выполняется на погонной энергии с/и = 7500 Дж/см. Рассмотрим возможные варианты изготовления балки.

1- й вариант - изготовление за один технологический этап: дву­тавровая балка собирается на жестких прихватках полностью, после чего выполняются последовательно все угловые швы (рис. 17.5, б).

Другие варианты - раздельный способ изготовления за два тех­нологических зтапа.

2- й вариант - 1 - й технологический этап: стенка и нижняя полка со­бираются на жестких прихватках, далее выполняются последовательно угловые швы 1 и 2 (рис. 17.5, в); 2-й технологический этап: верхняя полка прижимается к стенке и фиксируется с помощью жестких прихваток, да­лее выполняются сварочные нагревы (швы 3 и 4)

3- й вариант - 1-й технологический этап: собирается и сваривается стенка с верхней полкой (рис. 17.5, г, швы 1 и 2); 2-й технологический этап: выставляется, фиксируется и приваривается нижняя полка (швы 7 и 4),

Предложенные три варианта сборки и сварки балки - три разные задачи, которые следует решать отдельно, при этом эффектом началь­ного напряженного состояния для последующих швов пренебрегаем, так как расчеты носят оценочный характер.

Вначале проведем расчет потребных в дальнейшем геометрических характеристик сечений балок: ось сравнения 0'-0' проводим через центр тяжести нижней полки (рис. 17.5, д-ж), расчет ведем в табличной фор­ме (табл. 17.1).

Определяем геометрические характеристики двутавровой балки [формулы (17.16)—(17.18), рис. 17.5, д:

*)=!/* =54 см-

Ы

,Jk4 682

г„, =------- = 12.6 см:

11 ■ -5 54

Л *=1

jі =XA^+XHXA Кні =

i>= I iM U=l '

= 15.376+180.3-54( 12,6)" =8606 cm*

Определяем геометрические характеристики тавровой балка (стен­ка с нижней полкой, рис. 17.5, е):

а^Ха-осм

к= I

.А-Хаа+Х^ Ха

і'=і /.-=1 U=i

= 5766 + 1802-44(8,ІЗ)2 =4120 гм1.

Определяем геометрические характеристики тавровой балки (стейка с верхней полкой, рис. 17.5. ж)

Я, = ХЛ=34см2:

/,-=2

;?2Лг" _ 682

= 20.06 см;

34

ХА

к-2

./» - X А + X ~ X А

«=2 к-'2 .(•= 2

= 15376 + 1801-34(20,06)' =3495 см1.

Далее определяем объемы укорочении соответственно от всех сварных швов. В балке их четыре, длина каждого равна длине бачки, по отношению к оси балки они являются продольными, причем их следует разделить на две пары близкорасположенных продольных швов. Суммарный объем про­дольного укорочения от пары близкорасположенных швов (значение ко­эффициента перекрытия пластических зон берем рекомендуемое К = 1,2) будет равен [формула (17.13)]

■j

£ АС, = Д = Д1’( = д \ К„ = р, —«/„/„Л. =

,=1 " " <‘Р

= -0,335 -0.85 -3.5 10“н -7500 -1200-1,2 = -10,76 см1.

Здесь = —0,335/CjJC0,85; К~ 1; Ка= 1 (см. подразд. 16.2); / = L = 1200'см.

id

Теперь проведем расчетную оценку ожидаемых общих сварочных деформаций балки по трем вариантам ее изготовления.

1- й вариант.

Последовательность выполнения сварных швов показана на рис. 17.5. 6, координаты центров тяжестей объемов продольных укорочений: г =-12,1 см; г =17,9 см (см. рис. 17.3. д).

Укорочение но центральной оси

1 < 2( — 10.76)

az,,=-2>v; =-0,40 см.

h ,=i

Угол поворота одного конца двутавра относительно другого

=~Г^АУ' Z' =

JГ ; = 1

_ (-10.76)(-12,1)+ (-10.76)-17.9 _ , _з

8606

Стрелка прогиба посередине длины балки

Ч2І 8 8

2-й вариант.

1- й технологический этап (см. рис. 17.5, «),г =-7,95 см (см. рис. 17.5,е):

. Т І^ЛІ' —10,76 л о / /

44~~= см:

TOC o "1-5" h z 1 2 (—10.76)(—7,95) ,

ФГ = — УлН г,----------------------------------------------- ii - = 1,93-10 :

1 Л. 7Ts ' 4426

, (L) Фу£ 1,93-10'2-1200 on„

/. — =—— =---------------------------- = 2,90 cm.

1V 2 J 8 8

2- й технологический этап, г =17,9 см:

‘зі

а т 1 v ас -10,76 f оf

AL(h =7-2, с =-0-20 см;

TOC o "1-5" h z F{ „з з4

1 і (-10.76)-17.9 ,

ф =—— VдV г = -1--------------- ’ = -2,24-10 :

./), ^ «006

/L) ф, і ( 2.24■ ІО'”)-1200

ЧгГТ' 8---------------------------- =“3",6“-

Просуммируем деформации, полученные на технологических этапах:

ДА>=ДА>, +АЦ), =-0,244-0,20 = -0,444 см;

Фг =ф,; +ф,.. = 1,93 -10"2 +|-2,24 ■ 10”2) = —3,1 • 10-3;

/г(|) = д(|) + Л,(|) = 2.90 + (-3-36) = -0.46см-

3- й вариант.

1- й технологический этап (см. рис. 17.5, г), г( =10,44 см (см, рис. 17.5,лг): и

A I ^ У Т' —10,76 „

AL. =—> Л1, =---------------- =---- -0.316 см;

F 1 чі

г. і /=і

1 2 (-10,76)10,44

Ф г, =1------ —1 = -3,2-10 :

TOC o "1-5" h z ' Л.£ 3493

,L) Ф, І (-:і2-КГ>).12»0

4ir~r=—і— “■

2- й технологический этап, г = -12,1 см:

' ’И

т ^ V лі; —10,76 0

ДІ0 =—2^^ Kv =—:------------ = -0,20 см;

^1 (=3 ^4

1 * -10,76) -12,1)

ФУ =—УДУ, г,, = 4 - = 1,51-10 ;

J) Д '' '■ 8606

:ns^=UH£M200=

-л 2 і 8 8

Просуммируем деформации, полученные на технологических эта­пах:

ЛД, =47^ + ДТ,, =-0,316-0,20 =-0,316см;

Ф, =ф, +фь = —3,2 -10-2 +1.51-10"2 = —1,69 • 10-2:

Уг (|) = Д [I] + /, [|] = "4.8 + 2,26 = -2,54 см.

Для наглядности представим полученные результаты в итоговой таб­лице (табл. 17.2).

Таблица 17.2

тг>;>

Анализируя полученные результаты, видим, что 3-й вариант изго­товления балки, дающий наибольшие изшбные деформации, является нерациональным. Наименьшие плибные деформации обеспечивает

2- і і вариант, но, с точки зрения технологичности, более приемлем 1-й вариант изготовления: пзгнбные деформации несколько больше, чем во

2- м, но трудоемкость изготовления балки меньше (меньше подготови­тельных работ). При сопоставлении 2-го н 3-го вариантов напрашива­ется аналогия с изготовлением сложных конструкций из крупных уз­лов (блоков, секции), например: нижняя широкая полка - объемная днищевая секция, стенка - бортовые секции, верхняя узкая полка - па­лубная секция. Результаты расчетов позволяют дать некоторые реко­мендации:

- следует начинать формирование сложной конструкции с наибо­лее металлоемкого узла;

- формирование конструкции вести так, чтобы последующие мон­тажные швы располагались как можно ближе к главным осям форми­рующейся конструкции (в 3-м варианте изготовления балки эти реко­мендации нарушены).

Пример 3. Определить общие деформации балки фундамента, обус­ловленные продольными и поперечными швами. Геометрические харак­теристики сечения балки (рис. 17.6):F=68cm-: J} =12070 см i-,J/ = 903 см1. Длина балки 6 м. Материал - ншкоуглеродистая сталь. Погонная энер­гия сварки всех швов 14000 Дж/см. Балка предварительно полностью собрана на жестких прихватках.

Влиянием начатьного напряженного состояния пренебрегаем. Ко­эффициент перекрытия пластических зон двусторонних продольных швов К = 1,2. Характеристики швов приведены в табл. 17.3: 1-4 про­дольные - швы: 5-7 поперечные швы (от приварки шести ребер жест­кости двусторонними угловыми швами).

1. Определяем объемы продольного укорочения сварных соедине­ний от поясных швов 1-4 (две пары близкорасположенных швов) по формуле (17.13):

ер

= -0,335 • 0,85 ■ 3,5 • 1 (К6 ■ 14000 ■ 600 • 1.2 = -10 см ;.

Здесь р, = -0,.'335А'7-А Кп; Кг = 0,85: К = 1; А’п = 1; — = 3,5 ■ 104’ см'/Дяс

ер

/ = L - 600 см.

и:

2. Вычисляем объемы поперечного укорочения сварных соединении от швов 5-7 по формуле (17.14):

— <7., Т ;

' ф

• 5-и шов:

часть погонной энергии сварки, идущая на нагрев нижней полки:

Ч« =с! пп - ?„ =14000 ■ = 10500 Дж/см;

2л„+.у, 2-1,2 + 0.»

коэффициент поперечного укорочения сварного соединения

ц Vi = -1,25[о, 25 + 0,75/Спр (0,1 + 0,9*р)] =

= -1,25[0.25+ 0,75-0,56(0,1+ 0,9-0,16)] = -0,44,

где Кп= 0,56 определен і із графика (см. рис. 16.6, а) для = 7300 Дж/см

Лп

2/„,

/С = 0,16 определен из графика (см. рис. 16.6, 6) для у =--------------- =--- 13,3:

■sm

д Vy = -0,44 ■ 3,5 • 10~6 • 10500 - 8 = -0,13 см

• 6-й шов:

часть погонной энергии сварки, идущая на нагрев стенки:

q = q = q —2Л_. = 14000------------------------ =--- 10000 Дж/см;

Ч'к *ni n2st+sp 2-1 + 0,8

коэффициент поперечного укорочения сварного соединения

ц „ ( = -1,25[о, 25 + 0.757Cltp(0,1 + 0,9 Кр)] = = -1,25[0,25 + 0,75 - 0,88(0,1 + 0,9 - 0,66)] = -0.88,

гдеК'іі(і = 0,88определенцзграфика(см. рис.16.6,д)для -~-= 10000 Дж/см!: 158

Kt = 0,66 определен из графика (см. рис. 16.6, б) для у = -21_ = 29:

А У(/ = -0.88 - 3,5-10~6 • 10000 • 29 - -0,89 см

• 7-й шов:

часть погонной энергии сварки, идущая на нагрев верхней полки:

q = q = q —?-U-— = 14000------------------ 2= 10500 Дж/см;

Ч": ч„м 2s(1 + 5р 2 1,2 + 0,8

коэффициент поперечного укорочения сварного соединения

о = -1,25[о, 25 + 0,75Япр (ОД + 0,9Яр)] =

= -1,25[0,25 + 0,75 • 0,56(0,1 + 0,9 • 0,03)] = -0,38,

где К t = 0,56 определен из графика (см. рис. 16.6, а) для (~L = 7300 Дж/см *;

"Р ^

К = 0,03 определен из графика (см. рис. 16.6, 6) для у =----------------- =- 5:

д ^ = -0.38 • 3,5 • 10'6 • 10500 • 3 = -0,04 2 см

3. Определяем общие сварочные деформации балки по формулам (17.15):

• укорочение по центральной оси

= ——1(-1 ())(-] .'і. 1) + (-10) • 18.9+ 12070' ' > і

+12(-0ЛЗ)( -13.7)+ 12(-0.89)-2.9 + + 12(-0ЛМ2) -19.5| = -6.1 ■ ИГ’:

• угол поворота концов балки в горизонтальной плоскости

П

J7^ ; = 1

12(-0.13) ■ 6 + 12( -0.042) ■ 3,5] = -1,23-10”2:

• прогибы посередине длины балки в вертикальной и горизонталь­ной плоскостях

Анализируя полученные результаты, видим, что балка фундамента пос­ле изготоаления получила изгибные деформации в двух плоскостях, поэто­му рассмотренный вариант изготовления балки наиболее технологичен.