Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса. обоснование и постановка задач исследования 6
1.1 Обзор конструкций длиннобазных вагонов-платформ 7
1.2 Обзор исследований в области сварочных процессов и методов расчета сварных соединений 20
1.3 Классификация сварных соединений и швов 28
1.4 Постановка задач исследования 31
2 Экспериментальная оценка механических характеристик металла различных зон сварного соединения 33
2.1 Исследования структуры металла различных участков сварного соединения 33
2.2 Определение механических характеристик металла различных зон сварного соединения 39
2.2.1 Определение прочностных свойств металла различных зон сварного соединения неразрушающим методом 39
2.2.2 Определение прочностных свойств металла различных зон сварного соединения разрушающим методом 45
2.2.3 Определение упругих свойств металла различных зон сварного соединения 52
2.3 Выводы по 2 главе 62
3 Разработка методики оценки сопротивления усталости сварных соединений длиннобазных вагонов-платформ 63
3.1 Общие положения методики оценки сопротивления усталости 63
3.2 Методика разработки конечно-элементных моделей 66
3.3 Разработка алгоритма определение коэффициента снижения предела выносливости и сопротивления усталости рамы 73
3.4 Выводы по 3 главе 77
4. Расчет сопротивления усталости сварных соединений и оценка сроков службы длиннобазных вагонов-платформ моделей 23-469-07 И 13-9751-01 78
4.1 Разработка макромоделей и выбор наиболее нагруженных зон рамы 78
4.2 Разработка фрагментов наиболее нагруженных зон рамы 82
4.3 Разработка моделей сварных соединений и определение общего коэффициента снижения предела выносливости 86
4.4 Оценка сопротивления усталости рам длиннобазных вагонов- платформ моделей 23-469-07 и 13-9751-01 93
4.5 Экспериментальные исследования сопротивления усталостирам длиннобазных вагонов-платформ моделей 23-469-07 и 13-9751-01 97
4.6 Выводы по 4 главе 102
Заключение 103
Список использованных источников 105
- Обзор исследований в области сварочных процессов и методов расчета сварных соединений
- Определение механических характеристик металла различных зон сварного соединения
- Разработка алгоритма определение коэффициента снижения предела выносливости и сопротивления усталости рамы
- Разработка моделей сварных соединений и определение общего коэффициента снижения предела выносливости
Введение к работе
Актуальность проблемы. В процессе эксплуатации длиннобазных вагонов-платформ с погрузочной длиной 25 м различных заводов-изготовителей для перевозки контейнеров были выявлены поперечные трещины усталостного характера в несущих балках рам, образовавшиеся в зонах сварных швов. Данный факт ставит под сомнение возможность использования принятых методов оценки сопротивления усталости в расчетах длиннобазных вагонов. Новые технические решения сварных соединений балок рам длиннобазных вагонов-платформ проверялись длительными ресурсными испытаниями на натурных вагонах.
Для сокращения сроков экспериментальной части работ по созданию конструкции длиннобазных вагонов-платформ актуальной является задача по совершенствованию методов оценки сопротивления усталости сварных соединений их рам на стадии проектирования.
Целью работы является создание уточненного метода расчета сопротивления усталости сварных соединений балок рам длиннобазных вагонов-платформ и разработка на его основе технических решений и практических рекомендаций по увеличению их долговечности.
Для достижения поставленной цели сформулированы следующие задачи:
-
Экспериментально определить механические свойства металла различных зон сварного соединения балок рам длиннобазных вагонов-платформ.
-
Предложить метод расчета сопротивления усталости сварных соединений балок рам длиннобазных вагонов-платформ с учетом геометрии сварного шва, конструктивного непровара и механических свойств материала различных зон сварного соединения.
-
Создать уточненные конечно-элементные модели различных типов сварных соединений балок рам длиннобазных вагонов-платформ с учетом геометрии сварного шва и наличия конструктивного непровара.
-
Исследовать напряженно-деформированное состояние рам длиннобазных вагонов-платформ в зоне сварных швов с учетом экспериментально определенных механических характеристик металла различных участков сварного соединения.
-
Проверить достоверность предлагаемого метода расчета сопротивления усталости сравнением теоретических и экспериментальных результатов.
Научная новизна исследований заключается в следующем:
-
Предложен уточненный метод расчета сопротивления усталости сварных соединений рам длиннобазных вагонов-платформ, отличающийся определением эффективного коэффициента концентрации напряжений с использованием конечно-элементных моделей сварных швов.
-
Созданы конечно-элементные модели различных типов сварных соединений (таврового, нахлесточного и стыкового) балок рам длиннобазных вагонов-платформ с учетом геометрии сварного шва, наличием конструктивного непровара и зоны термического влияния.
-
Экспериментально определены значения механических характеристик материала в различных зонах сварного соединения для листовой низколегированной стали марки 09Г2С.
-
Получены уточненные значения коэффициентов концентрации напряжений и общих коэффициентов снижения предела выносливости для таврового и нахлесточного сварных соединений балок рам длиннобазных вагонов-платформ.
Практическая значимость работы:
-
-
-
-
Предложенный подход к оценке общего коэффициента снижения предела выносливости может быть применен при создании конструкций с новыми типами сварных соединений.
-
Уточненный метод расчета долговечности длиннобазных вагонов-платформ позволяет оценивать их срок службы на стадии проектирования и сократить сроки и объем экспериментальных исследований.
-
Рекомендации по применению сварных соединений продольных и поперечных балок позволяют создать длиннобазные вагоны-платформы повышенной надежности.
Реализация результатов работы. Результаты проведенных экспериментальных и теоретических исследований были использованы при внесении изменений в конструкцию рамы вагона-платформы модели 13-9751-01, что позволило существенно повысить сопротивление усталости центральной части рамы.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на научно-технических конференциях: «Подвижной состав XXI века (идеи, требования, проекты)» (ПГУПС, 2007-2009 гг.), «Транспорт, наука, бизнес: проблемы и стратегия развития» (УрГУПС, 2008 г.), «Шаг в будущее (Неделя науки)» (ПГУПС, 2007-2009 гг.), на научных семинарах кафедры «Вагоны и вагонное хозяйство» ПГУПС (2006-2009 гг.).
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 8 печатных работах, из них 1 печатная работа в журнале, включенного в перечень ВАК.
Структура и объём работы. Диссертация включает в себя введение, 4 главы, заключение и изложена на 115 страницах машинописного текста, в том числе 24 таблицы и 73 рисунка. Список использованных источников насчитывает 116 наименований.
Обзор исследований в области сварочных процессов и методов расчета сварных соединений
При проектировании сварных конструкций их прочность определяется на основании расчетов, которые сводятся к определению напряжений, возникающих в элементах изделия от нагрузки.
Многочисленные исследования в области прочности сварных соединений и конструкций были проведены отечественными ученым: А.И. Акуловым, А.Е. Аснисом, В.А. Винокуровым, В.П. Вологдиным, А.Г. Григорьянцем, Б.С. Касаткиным, Ю.Ф. Кудрявцевым, С.А. Куркиным, Г.А. Николаевым, Н.О. Окербломом, Б.Е. Патоном, Е.О. Патоном, Н.Н. Прохоровым, Н.Н. Рыкалиным, Н.С. Стрелецким, Г.Б. Талыповым, И.П. Трочуном, В.И. Труфяковым и др., а также зарубежными: Г. Петерсоном, С.Дж. Мэддоксом [2, 9, 23, 24, 50, 51, 62, 89, 68, 69, 116].
Большой вклад в развитие сварочного производства в различных отраслях промышленности внес Е.О. Патон [83, 84, 85, 86]. В его работах рассмотрены процессы автоматической сварки в таких отраслях промышленности как мостостроение и судостроение. Он занимался изучением твердости различных зон сварного шва и влияния температуры нагрева на свойства околошовной зоны и основного металла.
В работах Н.Н. Рыкалина [92, 93] рассмотрены условия протекания физических и химических процессов, развивающихся в металле под действием тепла сварочной дуги. Им была обоснована, развита и подтверждена экспериментами теория процессов распространения тепла в изделиях при дуговой электросварке. Представлены количественные характеристики и методика расчета процессов нагрева и охлаждения основного металла и показана их зависимость от режимов сварки, формы и размеров свариваемых деталей и свойств металла. Им была разработана теория распространения тепла в линейных, плоских и пространственных изделиях.
В работах Н.О. Окерблома [74, 75, 76, 77, 78] разработана теория и методы расчета для определения сварочных деформаций конструкций. Им были изучены причины возникновения сварочных напряжений и влияние их на работоспособность сварных конструкций.
Применение знаний о протекании сварочных процессов и размерах сварных швов позволили проводить уточненные расчеты с использованием метода конечных элементов. Г.А. Николаевым была разработана теория сварочных деформаций и напряжений, базирующаяся на новейших достижениях изотермической теории пластичности, методе конечных элементов и широком использовании компьютерной техники [22, 23].
Метод Г.А.Николаева [23, 67, 68, 103] построен на следующих допущениях: выполнимость гипотезы плоских сечений, линейность напряженного состояния; схематизированная зависимость предела текучести относительной упругой деформации на уровне предела текучести от температуры; модель идеально упругопластического тела, независимость теплофизических свойств металла от температуры в широком интервале температур; равномерность распределения температур, деформаций и напряжений по толщине пластины.
Целью метода является определение остаточных упругих деформаций в поперечном сечении стыкового сварного соединения. В расчете рассматриваются продольные деформации в поперечном сечении на двух стадиях — нагрева и в остаточном состоянии после охлаждения.
По методу Г.А. Николаева продольные волокна вблизи боковых кромок соединения являются растянутыми, а волокна, расположенные в более высоконагретой зоне за точкой пересечения линий st и ff" J - сжатыми. В некоторой точке с на удалении Ь„ от оси шва упругие деформации сжатия достигают уровня предела текучести &г и остаются таковыми до точки Ь. Далее упругие деформации сжатия уменьшаются по линейному закону.
Остаточные упругие деформации равны: Предложенный метод позволяет определить все параметры для построения эпюры остаточных продольных упругих деформаций в поперечном сечении сварного шва. В расчетном методе И.П. Трочуна [103] принимаются все допущения, что и в расчетном методе Г.А. Николаева, и дополнительно предполагается, что по ширине пластической зоны 2ЬП остаточные напряжения распределены равномерно и равны пределу текучести металла. Условие равновесия внутренних продольных усилий в поперечном сечении соединения имеет вид: где Fnjl — площадь поперечного сечения пластической зоны; Стр - продольные напряжения вне пластической зоны; F — площадь поперечного сечения соединения. Расчетные параметры ар и єр напряженно-деформированного состояния представлены в виде: Данные зависимости дают возможность определения продольных напряжений и деформаций вне пластической зоны сварного соединения. В настоящее время расчет на прочность вагонных конструкций производят в соответствии с «Нормами для расчета и проектирования вагонов железных дорог МПС колеи 1520 мм (несамоходных)» [70]. В основу расчета конструкций и соединений положены допускаемые напряжения, которые устанавливаются в зависимости: — от свойств материала (при улучшении механических свойств допускаемые напряжения повышаются)
Определение механических характеристик металла различных зон сварного соединения
Наиболее распространенным испытанием образцов для определения механических свойств материала является испытание на статическое растяжение, позволяющее определить прочность материала и его склонность к упругим и пластическим деформациям. В процессе испытаний на специальных разрывных машинах растягивают стандартный образец. При этом замеряю силу сопротивления материала созданной деформации [3,7]. По результатам испытаний на растяжение строится диаграмма растяжения (рис. 2.14) [46]. Параметрами деформирования являются предел пропорциональности (точка 1), предел упругости (точка 2), предел текучести (точка 3), временное сопротивление (точка 4) и истинное сопротивление разрыву (точка 5). а)б) Для испытаний на статическое растяжение было изготовлено 3 вида цилиндрических образцов: образцы металла сварного шва, образцы металла околошовной зоны сварного соединения (зоны термического влияния) и образцы стали марки 09Г2С. Форма и размеры образцов соответствуют ГОСТ 6996-66 [41]. Процесс изготовления образцов состоял из нескольких этапов. На первом этапе была произведена сварка двух пластин стали марки 09Г2С сварным швом С17 по ГОСТ 14771-76 [28].
Основные размеры свариваемых элементов приведены на рисунке 2.15 и в таблице 2.2. На втором этапе были вырезаны цилиндрические образцы из трех зон сварного соединения, как показано на рисунке 2.15. Диаметр рабочего сечения образца составил 6 мм, диаметр головок образцов составил 10 мм. Всего было изготовлено по 3 образца для каждой испытываемой зоны сварного соединения. Общий вид образцов представлен на рисунке 2.16. Испытания на статическое растяжение образцов проводились на кафедре «Прочность материалов и конструкций» ПГУПС в испытательной лаборатории «Механическая лаборатория имени профессора Н.А. Белелюбского». При проведении испытаний использовалась испытательная машина ИР-100 зав. №69. Общий вид оборудования приведен на рис. 2.17. Для проведения испытаний на статическое растяжение рабочая зона образцов закреплялась зажимами (рис. 2.18). Работа машины заключалась в нагружении закрепленного в захватах образца испытательной нагрузкой. Машина испытательная PIP-100 предназначена для статических испытаний образцов металлов и сплавов на растяжение по ГОСТ 1497-84 [35] при нормальной температуре (20 ±10)С Машина оснащена компьютерной системой измерения и позволяет вести процесс испытания в полуавтоматическом режиме, а также автоматически производить обработку испытания и выдачу их в виде протокола и диаграммы; Машина обеспечивает деформирование образцов до разрушения, поддержание скорости нагружения, запись диаграмм в координатах: нагрузка-перемещение, нагрузка-деформация, нагрузка-время, деформация-время, перемещение-время. Испытательная машина соответствует ГОСТ 28840-90 [30]. В ходе испытаний для каждого образца была получена диаграмма растяжения. Диаграммы каждой из зон сварного соединения имеют существенные отличия. Начальные участки диаграмм всех образцов являются линейными - это зона упругих деформаций.
Разработка алгоритма определение коэффициента снижения предела выносливости и сопротивления усталости рамы
Теоретический коэффициент концентрации напряжений для сварного шва, учитывающий влияние геометрии сварного шва, конструктивного непровара, а также свойств различных зон сварного соединения рассчитывается как отношение максимальных локальных напряжений, определенных на третьем этапе расчета во фрагменте сварного шва, к средним напряжениям, полученных на втором этапе расчета во фрагменте элемента конструкции по формуле: где с - максимальные локальные напряжения зоны сварного шва, лок определенные на третьем этапе расчета fj. - средние напряжения сварного соединения, полученные на втором этапе расчета. В соответствии с «Нормами...» по существующей зависимости определяется эффективный коэффициент, учитывающий чувствительность материала к концентрации напряжений: где q - коэффициент чувствительности материала к концентрации напряжений, для низколегированных сталей, равен 0,7. На основе эффективного коэффициента концентрации напряжений определяется общий коэффициент снижения предела выносливости в соответствии с «Нормами...»: где Ка — эффективный коэффициент концентрации напряжений; Ки - коэффициент неоднородности материала; Ку - коэффициент влияния упрочняющей поверхностной обработки; Км - коэффициент влияния размеров детали; Кпов - коэффициент влияния качества поверхности детали.
В данном случае коэффициент неоднородности материала следует принимать равным К =\, так как неоднородность уже учтена в эффективном коэффициенте концентрации напряжений Ка путем учета различных механических свойств металла шва и околошовной зоны. С помощью полученного коэффициента снижения предела выносливости рассчитывается предел выносливости &а,ы конструкции в зонах сварных соединений балок рамы платформы в соответствии с « Нормами...». Далее по определенному пределу выносливости производится расчет сопротивления усталости по коэффициенту запаса: Алгоритм расчета сопротивления усталости приведен на рис. 3.6. Для анализа основных отличий предложенной методики от существующей методики расчета, составлен алгоритм оценки сопротивления усталости в соответствии с «Нормами...» (рис. 3.7).
Основным отличием разработанного алгоритма расчета является то, что эффективный коэффициент концентрации напряжений и общий коэффициент снижения предела выносливости получается путем уточненного расчета, а не выбирается из таблиц. После определения всех параметров конструктивных элементов производится расчет сопротивления усталости вагона-платформы и определяется коэффициент запаса. Ответственные сварные соединения рекомендуется рассчитывать по предложенной методике для получения уточненного общего коэффициента снижения предела выносливости. Полученный коэффициент запаса сопротивления усталости сравнивается с допускаемым. При удовлетворительном решении задачи разрабатывается конструкторская документация и изготавливается опытный образец. В случае несоответствия результатов расчета с допускаемыми производится пересмотр конструктивных элементов рамы.
Разработка моделей сварных соединений и определение общего коэффициента снижения предела выносливости
Следующий этап заключался в построении фрагментов сварных соединений, с моделированием геометрических размеров швов и конструктивных непроваров, которые возникают в процессе сварки. На этом этапе оценивалось влияние неоднородности металла различных зон сварного соединения на точность расчета срока службы вагона.
В моделях третьего этапа были рассмотрены тавровые, нахлесточные и стыковые сварные соединения. Для таврового сварного соединения рассмотрено два варианта исполнения сварных швов: с односторонним и двухсторонним проваром. Конечно-элементные модели третьего этапа расчетов приведены на рис.
Для стыкового сварного соединения граничные условия переносились с модели вагона-платформы первого этапа расчета. Рассмотрение распределения эквивалентных напряжений во фрагменте конструкции с наличием стыкового сварного соединения не проводилось, так как выполнение данного шва производится с зачисткой металла шва заподлицо с основным металлом, что способствует устранению возможных концентраторов напряжений.
Основные характеристики разработанных конечно-элементных моделей фрагментов сварных соединений представлены в таблице 4.6.
При расчете напряжений в моделях третьего этапа оценивалось влияние неоднородности механических свойств металла в различных зонах сварных соединений. Сначала была проведена оценка распределения напряжений в зоне сварных швов без учета различий в механических свойствах основного металла, металла шва и околошовной зоны, то есть величины модуля Юнга и коэффициента Пуассона для металла шва и околошовной зоны принимались такими же, как и у основного металла в соответствии с рекомендациями «Норм...».
Затем проводился расчет, при котором каждой из зон сварного соединения задавались характеристики металла, полученные в результате проведения испытаний. Распределение эквивалентных напряжений в зоне сварных швов без учета неоднородности металла различных зон сварного соединения представлено на рис. 4.9. Распределение эквивалентных напряжений в зоне сварных швов с учетом неоднородности металла различных зон сварного соединения представлено нарис. 4.10. По результатам расчетов были определены очаги локальной концентрации напряжений в сварных швах. Для таврового сварного соединения как при одностороннем так и при двухстороннем проваре шва очагами локальной концентрации напряжений является точка в корне шва у непровара и точка в основании шва. Для нахлесточного сварного соединения Теоретический коэффициент концентрации напряжений для сварного шва рассчитывался как отношение максимальных локальных напряжений в сварном шве, определенных на третьем этапе расчета, к средним напряжениям второго этапа расчетов. На основании теоретического коэффициента концентрации напряжений определялся эффективный коэффициент концентрации напряжений в соответствии с «Нормами...». Значения эффективного коэффициента концентрации напряжений для двух вариантов расчета приведены в таблице 4.8.
Похожие диссертации на Совершенствование методов расчета сопротивления усталости сварных соединений РАМ длиннобазных вагонов-платформ
-
-
-
