ОСНОВЫ ТЕОРИИ ПРОЧНОСТИ СВАРНЫХ КОНСТРУКЦИЙ
РАСЧЕТ ПРОЧНОСТИ ДЛЯ КОНСТРУКТИВНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ
Задача состоит в том, чтобы определить расчетные напряжения у концентратора сварного соединения вне зависимости от радиуса сопряжения основного металла с наплавленным металлом. Одним из первых было предложение проф. В. А. Винокурова из МВТУ. Поскольку радиус сопряжения наплавленного металла с основным у угловых швов меньше 1 мм, он предложил за конструктивные принимать реальные напряжения, усредненные на площадке шириной 1 мм, центр которой находится на расстоянии 1 мм от места сопряжения.
При определении конструктивных напряжений oconst1 у угловых швов Винокуров предложил либо вычислять их методом конечных элементов с усреднением на базе 1 мм, либо измерять экспериментально, наклеивая на расстоянии 1 мм от концентратора тензодатчик с базой 1 мм. Чтобы найти разрушающее значение oconst1, можно изготовить образец со сварным соединением заданного типа, наклеить на него тензодатчик с базой 1 мм на расстоянии 1 мм от шва, замерить конструктивные напряжения. Потом, испытав серию таких образцов на усталость, установить допускаемое значение конструктивных напряжений: [oconst1]. Конструкция
надежна, если Оconstr < [®constr].
Аналогично немецкий исследователь Е. Хайбах в 1968 г. предложил для экспериментального определения конструктивных напряжений в крестовом сварном соединении клеить тензодатчик с базой 3 мм на расстоянии 2,5 мм от места шва, где наибольшие действительные напряжения. Для толщин менее 5 мм он рекомендовал клеить тензодатчик с базой 1 мм на расстоянии 1,5 мм от опасной точки. Измеренную этим датчиком деформацию назвали конструктивной деформацией (structural strain). При оценке прочности сопоставляли ее величину в конструкции и в разрушенном при усталости образце.
С появлением инфракрасной техники и тепловизоров появилось понятие напряжения в горячей точке ohs (hot spot stress). Напряжения в узлах ферм из круглых труб достаточно сложно рассчитать теоретически. Поэтому грузили ферму циклической нагрузкой и, наблюдая ее в тепловизор, отмечали «горячие точки», в которых температура при нагрузке поднималась на десятые доли градуса.
В отмеченных точках (на рис. 6.101 на двух из них показаны линии измерений L1 и L2) на трубу пояса с толщиной t1 и трубу
|
|
|
Линии замеров |
|
Рис. 6.101 Схема расположения тензодатчикові для линии L:: аг = а2 = 0,4^; bi = ^2» ^2 = ^2’ Для линии L2: аг = а.2 = 0,4^2^ bi = t2; &2 = t2. |
|
|
|
|
|
Рис. 6.102 Применение метода напряжения в горячей точке к узлам без труб: |
|
(а) тавровое соединение; (б) соединение внахлестку; (в) надставка. |
|
в |
0,4 W |
. w |
|
dt d2 |
||
|
W |
||
|
решетки фермы с толщиной t2 наклеивали тензодатчики согласно схеме в нижней части рис. 6.101. Расстояние центров тензодатчиков от концентратора стандартизовано. Цифрами в подрисуночной надписи указаны места наклейки датчиков на узел фермы из круглых труб по рекомендации ECSC (European Coal and Steel Community). На рисунке прерывистой линией показана линейная экстраполяция показаний датчиков d1 и d2 на горячую точку на стенке трубы пояса фермы. Напряжения ohs в каждой из четырех горячих точек изображенного на рисунке узла из круглых труб находятся путем линейной экстраполяции показаний двух датчиков. В верхней правой части рисунка показана идея применения этой методики к узлу фермы из гнутых труб прямоугольного сечения. На рис. 6.102 даны схемы применения метода определения напряжений в горячей точке в тавровом (а), нахлесточном (б) |
сварном соединении и в месте перехода от основного листа шириной W к надставке (в).
|
Рис. 6.103 Допустимый размах напряжения горячей точки [Aohs] для соединений стальных труб с толщиной стенки 16 мм |
|
Американского общества сварщі |
Предлагаемый на рис. 6.1026 метод определения конструктивных напряжений для сварного соединения внахлестку предполагает квадратичную экстраполяцию измеренных датчиками напряжений в трех точках на место сопряжения основного металла с наплавленным. Найденный таким образом размах напряжения в горячей точке Aohs сравнивают с допускаемым значением размаха этих напряжений [Aahs]. Диаграмма допускаемого размаха напряжений в горячей точке по нормам иков — American Welding Society (AWS) Structural Welding Code, 1994 — показана на рис. 6.103.
Нижняя кривая дана для швов с обычным качеством поверхности, верхняя кривая — для швов с обработанным переходом от основного металла к наплавленному. С этой целью может быть использовано оплавление перехода неплавящимся электродом в аргоне или заглаживание концентратора путем его наклепа специальным ультразвуковым инструментом. Но в большинстве расчетных норм качество поверхности в месте перехода от металла шва к основному металлу не учитывается.
По описанной выше схеме расчета прочности при усталости тензодатчики нужно наклеивать на каждый узел сварной конструкции. Это рационально только при экспериментальных исследованиях. Поэтому обычно в нормах рекомендовано расчетные напряжения в горячих точках Aahs вычислять методом конечных элементов, но без учета радиуса кривизны в переходе от основного металла к наплавленному металлу. Для этого при расчетах используют либо конечные элементы в виде малых участков пластин, либо в виде малых участков оболочек, у которых предусмотрено только линейное распределение напряжений по толщине листа.
В случаях, когда толщина t реальной конструкции отличается от толщины образцов, на которых была получена нормативная кривая типа рис. 6.103, полученный допустимый размах напряжений умножают на коэффициент yt:
Yt =
где n — показатель степени, различный по разным нормам. По Eurocode 3 для t0 = 25 мм он равен 0,25.
Но обычно фермы рассчитываются методом конечных элементов по плоской схеме, включающей только стержневые элементы. Результатом такого расчета являются только значения растягивающего Tx, сдвигающего Ty усилий и момента M в каждом стержне i в каждом его узле j. Чтобы от этого результата перейти к Aohs, нужно для каждого узла фермы составлять пространственную модель из пластинчатых и оболочечных элементов. Это достаточно большая работа. Чтобы ее не повторять при разработке расчетных норм для каждого типового узла фермы, для каждого стержня этого узла и для каждой горячей точки k на этом стержне, методом конечных элементов рассчитывают коэффициент концентрации напряжений в горячей точке Ksh:
O sh, i, j, k Ksh, n, i, j ~ ~~ .
On, i, j, k
Однако каждый стержень в каждой горячей точке подвергается растяжению (сжатию) с аксиальными номинальными напряжениями ona и изгибу с максимальными номинальными напряжениями от изгиба (bending) anb. Так как напряжения от среза обычно невелики, то при разработке расчетных норм для каждой горячей точки методом конечных элементов определяют два коэффициента концентрации напряжений в горячей точке: при растяжении Ksha и при изгибе Kshb. Расчетный размах напряжений в горячей точке вычисляют по формуле
|
Ks |
|
A®sh, i, j, k A®na, i, j, k |
Ksha, i, j, k + A®nb, i, j, k
L shb, i, j, k*
|
tiv |
L, |
|
|
* <: |
.R -< .... (~^........ |
|
Рис. 6.104 Выкружка в стенке балки |
У стальных мостов различных типов видов горячих точек меньше. Поэтому для каждого вида горячей точки можно в нормах дать формулу для приближенного расчета концентрации напряжений. Например, для сварных мостов в Японии для горячих точек у выкружек с радиусом R и толщиной пояса tf при R/tf < 3,0 (рис. 6.104) в стенке бaлки толщиной tw, нагруженной средними касательными напряжениями от поперечного изгиба xb, и поясом, нагруженным
|
Рис. 6.105 Коэффициенты концентрации оп для углов корпуса судна |
номинальными напряжениями от изгиба аь, рекомендована формула для расчета концентрации нормальных номинальных напряжений в горячей точке, полученная в результате обработки численных расчетов:
ч-0,54 f Л0,23
ч
|
К,, = 1 +1,6 I ч |
-2'9'1 ч I -t. '•
На рис. 6.105 приведены эскизы различного конструктивного оформления острых углов корпуса судна, для которых при диагональном растяжении (показано стрелками) методом конечных элементов японскими исследователями вычислены коэффициенты концентрации Khs номинальных напряжений ап в горячей точке указанного на рисунках сечения.
