Сварные конструкции. Расчет и проектирование

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ЛАБОРАТОРНОГО ПРАКТИКУМА И ПРИМЕРЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЭВМ

При изучении курса «Расчет и проектирование сварных конструкций» предусматривается проведение ряда лабора­торных работ, конкретное содержание которых может быть несколько различным в разных вузах. По своему назначе­нию работы могут быть разделены на три направления:

Л. Концентрация напряжений в сварных соединениях. Б. Работа элементов сварных конструкций.

В. Сварочные деформации и напряжения.

Ниже дан примерный перечень работ по этим направле­ниям.

A. 1. Распределение усилий и напряжений в сварных соединениях.

2. Концентрация напряжений в сварных соединениях. Б. 3. Рабочие напряжения в сварных балках.

4. Распределение сил в элементах сварных ферм.

5. Рабочие напряжения в сварных сосудах под давле­нием.

6. Устойчивость стоек со сплошными и составными по­перечными сечениями.

B. 7. Собственные (внутренние) временные и остаточные напряжения.

о. Определение усадочной силы и прогиба при наплавке валика на кромку полосы или при сварке продольными швами балки таврового сечения.

9. Определение поперечной усадки и угловой деформа­ции при наплавке валика на пластину или при сварке соединения втаар.

10. Изгиб балок от продольных и поперечных швов.

11. Деформации сварной пластины с течением времени. В работе 1 можно использовать модель нахлесточного

соединения с 5-ю рядами сварных точек (рис. П.1, а). Мо­дель изготовлена из листового металла толщиной 4. . .6 мм, имеет профрезерованные пазы, имитирующие зазор между пластинами. С двух сторон для исключения влияния изгиба на среднем стержне наклеены датчики сопротивления. Разность показаний датчиков / н 2 позволяет определить силу, передаваемую первой точкой, 2 и 3 — силу, пере­даваемую второй точкой, и т. д. По результатам измерения получают пять значений сил, распределение которых вдоль

•)

образца напоминает цепную линию. Распределение напря­жений можно изучать и в нахлесточных соединениях с угло­выми швами на двух образцах (рис. II. 1, б, в), в одном из которых имеются только фланговые швы, а в других — фланговые и лобовые. Цифрами 1, 2, 3 показаны датчики, наклеенные с двух сторон. Наличие лобового шва дает суще­ственное выравнивание эпюры напряжении по сравнению со случаем, когда лобового шва нет.

В работе 2 концентрация напряжений может изучаться на самых различных видах сварных соединений (рис. П. І, г...з). Все они изготовлены из пластин и имеют наклеенные с двух сторон датчики, показанные короткими линиями В образцах на рис. П.1, г, д хорошо обнаруживается кон центрацня напряжений в стыковом соединении с непрова ром, а также в зоне / перехода к усилению шва. На моде лях рис. П.1, е, ж можно сделать разные катеты Д7 и К2 что сказывается на концентрации напряжений в зоне пере хода ко шву.

Значительная концентрация напряжений возникает вблизи непровара (рнс. П.1,ж), а также в нахлесточном

соединении (рис. П.1, з). В последнем случае она зависит от нагруженностн шва: при наличии сил Pi шов является ра­бочим, при наличии только силы Р, — связующим. Изме­рение напряжений в моделях (рис. П.1, г. . .з) может про­водиться с использованием метода фотоупругости или элект­ромагнитного метода.

В работах 3 и 4 измерения напряжений предназначе­ны для иллюстрации закономерностей, вытекающих из

положений строительной механики. Изменение напряжений Лег на длине / в поясе двутавровой сварной балки (рис. П.2, а), нагруженной сосредоточенной силой, позво­ляет определить касательные силы в поясных швах по формуле До-Лп/(2р/(7), где А„ — площадь поперечного пояса. Нагружение фермы в сварных узлах /, 2, 3, 4 силой Р (рис. П.1, 6) и измерение напряжений в стержнях позво­ляет построить линии влияния и сопоставить нх с расчет­ными линиями влияния. Несмотря на то что сварные узлы фермы не являются шарнирами, соответствие между расчет­ными и экспериментальными в средней части стержней данными получается хорошее. Одновременно можно заре­гистрировать заметную неравномерность напряжений по сечению стержня вблизи присоединения его к косинке.

Работа 5 позволяет в сварном цилиндрическом сосуде со стыковыми / и нахлесточными 2 соединениями (рис. П.2, в) определить при подаче в него гидравлического давления соотношение 1 : 2 для продольного и окружного напряже­ний, значительное отклонение от расчетных напряжений вблизи нахлесточного соединения 2, наличие существенных напряжений изгиба в зоне 3 перехода к днищу и сжимающих напряжений в окружном направлении, что в тонкостенных сосудах может вызвать потерю устойчивости.

В работе 6 исследуется центрально-нагруженная стойка, состоящая нз двух алюминиевых уголков (рис. П.2, г). При отсутствии скреплений уголки теряют устойчивость при одном значении силы Р. Посіє установки струбцин, скрепляющих уголки в сечениях /, 2 и 3, значение крити­ческой силы заметно возрастает и изменяется направление отклонения стержней с линии а на линию в. Данный опыт указывает на необходимость скрепления стержней сварны­ми накладками или прокладками. Посіедняя лабораторная работа может быть дополнена расчетом на ЭВМ устойчиво­сти, составленной из двух швеллеров стоики. В диалоговом режиме проводится многократный подбор швеллеров и расстояния между ними для того, чтобы удовлетворить сра­зу нескольким требованиям. Расчет при этом проводит ЭВМ по заложенной в ней программе и указывает студенту уровень имеющегося несоответствия между фактическим и допускаемым напряжениями. Такая «игра» позволяет вы­работать представление о реальной значимости отдельных факторов и рациональности расположения швеллеров при разном виде нагрузок. Программа 1, прилагаемая ниже, позволяет организовать такой расчет, например на ЭВМ СМ-4 и ей подобных.

Работы 7. ..11 могут быть организованы следующим образом.

В работе 7 можно использовать прямоугольную пластину толщиной 4. . .6 мм с прорезями (рнс. П. З, а), которые предназначены для предотвращения нагрева участков В во время ввода теплоты или наплавки валика на участке А. Целесообразно сечение участка А и суммарное сечение двух участков В иметь одинаковыми. Деформации на участке В можно измерять механическими деформометрами или датчи­ками. В одном из опытов нагревателем С вызывают расши­рение участка А и появление растягивающих напряжений в участках В. После полного остывания остаточных напря­жений нет. В другом опыте на участок А наплавляют ва­лик (в продольном или поперечном направлении), что вызы­вает в зонах В остаточные напряжения сжатия. Пластины могут использоваться многократно.

В работе 8 (рис. ГІ. З, б) измеряют деформометром длину базы CD (окаю 100 мм) на полосе 1 и индикаторной гаюв - кой ее начальный прогиб.

Затем наплавляют по линии АВ валик и после полного остывания измерения повторяют. По укорочению и прогибу определяют усадочную силу и эксцентриситет ее приложе­ния. При сварке балки таврового профиля из двух полос можно ограничиться измерением только прогиба.

Работа 9 может выполняться на пластине (рис. П. З, в). Измерения баз проводятся с двух сторон съемным деформо - метром, затем наплавляют валик или приваривают полоску небольшой ширины. Полусумма измеренных деформаций позволяет получить среднюю усадку, а полуразность — угловой изгиб р.

Рис. П. З. Образцы, используемые для определения сварочных напряжений и деформаций

Работа 10 в первой своей части дублирует вторую часть работы 8, выбор варианта зависит от конкретных условий. Вторая часть работы 10 предусматривает определение про­гиба балки от поперечной усадки поперечного шва (рис. П. З, г) и использование формулы (6.44).

В работе 11 (рнс. П. З, д) используется пластина из за­каливающейся стали, на кромку которой наплавляется валик. После полного остывания распад остаточного аусте - нита вызывает деформирование полосы, что регистриру­ется индикаторной головкой во времени.

Так как в лабораторных работах не может быть получен из-за ограниченного времени большой массив эксперимен­тальных данных, целесообразно дополнять их расчетами на ЭВМ и строить зависимости деформаций от каких-либо па­раметров для более наглядного представления имеющихся закономерностей. Например, программа 2, реализованная на ЭВМ СМ-4, предназначена для вычисления прогиба тав­
ровой балки, сечение которой дано на рис. П. З, е. Варьи­руемые величины приведены в таблице.

Т а б л и а а

Для величин, которые сохраняются неизменными, ми­нимальное и максимальное значения указываются одинако­выми. Программа допускает возможность две величины сделать варьируемыми. Число точек на интервате варьиро­вания указывается значениями № 1 и 2. Их произведение не должно превышать40. Аналогичным образом может быть построен расчет для определения прогибов балки от попе­речных швов, в том числе при значительном числе попереч­ных ребер.

Наука о создании сварных конструкций охватывает принципиальные вопросы рационального проектирования генеральных систем и схем машин, аппаратов, конструкций строительных, которые в основном разрабатываются спе­циалистами отраслей.

Крайне большое значение имеет при проектировании конструкций использование накопленного опыта, приме­нение типизированных конструкций, обеспечивающих про­грессивную технику.

Создание сварных конструкций требует рационального выбора металла, обеспечивающего металлоемкость проекти­руемых объектов, и технологичности сварочных процессов.

На очередь дня встают вопросы использования материа­лов с самыми разнообразными свойствами: сталей, высо­копрочных, коррозионно-устойчивых, теплоустойчивых, хладнопрочных и т. д.; цветных сплавов; керамики; ком­позитов; полимеров.

При проектировании сварных соединений необходимо учитывать технологическую прочность соединяемых мате­риалов — сопротивляемость образованию трещин при сварке, эксплуатационную прочность, в особенности чув­ствительность к концентраторам напряжений при перемен­ных нагружениях, вязкость, сопротивление удару.

Острой задачей является использование покрытий с целью сохранения конструкций от отрицательного влияния внешней среды и ослабления отрицательного влияния ло­кальных поверхностей концентраторов.

При проектировании сварных конструкций необходимо правильно назначать технологические процессы сварки, выходить за пределы традиционных дуговой и контактной сварки, использовать методы соединения электронным лучом, лазером, диффузией, ультразвуком и т. д., широко применять голографические методы исследования, а также натурные испытания элементов проектируемых конструк­ций.

Несмотря на большое количество работ, посвященных изучению напряженного состояния сварной конструкции как в отношении напряжений, вызванных внешними сн - лами, так и к самим сварочным процессам, многие вопросы этой категории остаются еще не вполне решенными.

Разрабатываются и будут продолжать разрабатываться вопросы устранения отрицательного влияния сварочных напряжений в отношении охрупчивания объектов, переме­щений, испытываемых объектами, деформированием в течение времени, вредным влиянием напряжений на проч­ность, особенно при переменных нагрузках.

В создании новой прогрессивной техники необходимо предусматривать широкое применение электронно-вычис­лительных машин для целей более глубокого изучения на­пряженно-деформированного состояния, предразрушеннй, расширенного применения физических методов контроля, а также автоматизированного проектирования конструк­ций.

Специалист в отрасли проектирования сварных конст­рукций должен опираться на спецналиста-сварщика для решения вопросов о рациональном применении металлурги­ческих, технологических процессов и расчетов прочности сварных конструкций. Инженеры-сварщики должны изу­чать условия работы проектируемых конструкций с разных сторон.

В гармонии и комплексном решении общенаучных, об­щетехнических и отраслевых вопросов будет развиваться прогрессивное создание сварных объектов.

Во втором томе учебника будут рассмотрены вопросы контроля качества сварных соединений и материалов, а также комплекс технологических мероприятий, обеспечи­вающих экономичное производство сварных конструкций на базе автоматизированных и механизированных линий и роботизации.

образованию в нем горячих трещин.