Содержание к диссертации
Введение
1. Современные представления о работоспособности сварных соединений при изгибе 11
1.1. Условия работы сварных соединений с угловыми швами. Типы и виды дефектов сварных конструкций 11
1.2. Особенности разрушений соединений с трещиноподобными несплошностями 14
1.3. Основные представления о влиянии трещиноподобных несплошностей на прочность сварных соединений с угловыми швами при нагружении изгибом 17
1.4. Условия появления и виды механической неоднородности сварных соединений 33
1.5. Основные теоретические представления о работоспособности механически неоднородных стыковых сварных соединений при изгибе 35
1.5.1. Учет влияния механической неоднородности на прочность сварных соединений 35
1.5.2. Учет влияния дефектов щелевидной формы на несущую способность однородных и механически неоднородных сварных соединений 44
1.6. Цель и задачи настоящей работы 50
2. Совершенствование расчетных методов оценки вязкой прочности соединений с угловыми швами, выполненными с неполным проплавленией, при изгибе 59
2.1. Выбор методов решения поставленной вязкой задачи 52
2.2. Основные условия и допущения 54
2.3. Напряженно-деформированное состояние и работоспособность сварных соединений с угловыми швами, выполненными с неполным проплавлением, в условиях статического (квазистатического) изгиба 56
2.3.1. Соединения с центральными трещиноподобными дефектами 56
2.3.2. Сварные соединения с примыкающими трещиноподобными дефектами 74
2.3.3. Сравнительный анализ расчетных и экспериментальных оценок предельного сопротивления вязкому разрушению сварных соединений с угловыми швами 80
Выводы по главе 2 88
3. Оценка влияния трещиноподобных дефектов на хрупкую и квазихрупкую прочность соединений с лобовыми угловыми швами, работающих при изгибе 90
3.1. Выбор методов решения поставленных хрупкой и квазихрупкой задач 90
3.2. Несущая способность сварных соединений с угловыми швами при хрупком разрушении в условиях статического изгиба 94
3.2.1. Тавровые двухсторонние соединения с неполным проплавлением 96
3.2.2. Односторонние тавровые и нахлесточные соединения 107
3.3. Несущая способность сварных соединений с угловыми швами при статическом изгибе в условиях квазихрупкого разрушения 113
3.4. Анализ полученных результатов в сравнении с данными экспериментальных исследований 117
Выводы по главе 3 122
4. Разработка методов оценки работоспособности механически неоднородных стыковых соединений при изгибе в условиях вязкого разрушения 124
4.1. Выбор метода теоретического исследования, основные условия и допущения 124
4.2. Особенности напряженно-деформированного состояния и несущая способность сварных соединений, ослабленных мягкой прослойкой, при статическом изгибе 127
4.3. Напряженное состояние и несущая способность сварных соединений с непроваром в мягкой прослойке при статическом изгибе 142
Выводы по главе 4 158
Основные выводы и рекомендации 160
Список использованных источников 163
Приложения 180
- Основные представления о влиянии трещиноподобных несплошностей на прочность сварных соединений с угловыми швами при нагружении изгибом
- Соединения с центральными трещиноподобными дефектами
- Тавровые двухсторонние соединения с неполным проплавлением
- Особенности напряженно-деформированного состояния и несущая способность сварных соединений, ослабленных мягкой прослойкой, при статическом изгибе
Введение к работе
Актуальность работы. Одним из важных направлений развития сварочного производства является повышение надежности сварных конструкций и совершенствование рациональных норм их проектирования. При изготовлении сварных конструкций вероятность возникновения дефектов достаточно высока. В настоящее время установлены весьма жесткие нормы на допустимые дефекты, размеры которых, зачастую, выбраны как минимально возможные. Следствием этого является значительный объем ремонтных работ по их исправлению, целесообразность которых нельзя признать всегда обоснованной. Сказанное свидетельствует о необходимости минимизации объема ремонтных работ по выборке и исправлению дефектов, незначительно влияющих на прочность соединений. В связи с этим на передний план выходят вопросы, связанные с определением диапазонов допустимых размеров дефектов на основе расчетной оценки несущей способности сварных соединений. Кроме того, исследования кафедры сварки ЧПИ (ЮУрГУ) показали возможность повышения надежности и работоспособности соединений за счет рационального проектирования геометрии сварных швов, которое также требует расчетного обоснования. Решение этих задач непосредственно связано с необходимостью создания уточненных надежных расчетных методов для оценки прочности сварных соединений с дефектами.
Большинство исследований в данном направлении выполнены для случая нагружения сварных соединений статическим растяжением. Методы и подходы, посвященные статическому изгибу соединений, в том числе и механически неоднородных, обладают рядом существенных недостатков, не позволяющих научно-обоснованно осуществлять рациональное проектирование и нормирование дефектов. В то же время, изгиб является одной из основных схем эксплуатационного нагружения конструкций, часто используется при технологических операциях, предшествующих операции сборки (гибка, правка и т.д.), применяется на стадии оценки механических свойств при испытании образцов, а также является предпочтительным на стадии определения ресурса пластичности сварных соединений и остаточного ресурса сварных конструкций. Поэтому разработка методов оценки работоспособности сварных соединений при статическом изгибе является актуальной проблемой.
Цель диссертации: разработка методов оценки несущей способности сварных соединений при поперечном изгибе с учетом их геометрических парамет-
3 PDF created with pdfFactory Pro trial version
ров, дефектов сварки и механической неоднородности, которые позволят осуществлять рациональное проектирование для повышения работоспособности сварных соединений и снижения (оптимизации) затрат при изготовлении сварных конструкций.
Для достижения указанной цели в настоящей работе решается ряд задач:
разработка методов оценки прочности тавровых и нахлесточных сварных соединений при статическом поперечном изгибе в условиях вязкого разрушения, а также теоретический анализ влияния геометрических параметров соединений на их работоспособность;
оценка трещиностойкости сварных соединений с угловыми швами, работающих при изгибе, с учетом размеров дефектов и геометрических параметров угловых швов;
разработка метода расчета предельного сопротивления сварных соединений с угловыми швами, нагруженных изгибом, квазихрупкому разрушению;
разработка метода оценки предельного изгибающего момента стыковых сварных соединений с мягкой прослойкой в условиях общей текучести;
- оценка влияния концентраторов (дефектов сварки) на напряженно-
деформированное состояние и величину предельного изгибающего момента ме
ханически неоднородных стыковых сварных соединений.
Научная новизна работы. Впервые методом конечных элементов (МКЭ) исследовано напряженно-деформированное состояние (НДС) сварных соединений с угловыми швами при наличии непроваров в упруго-пластической стадии нагружения поперечным изгибом. Выявлены закономерности изменения положения «опасного» сечения в зависимости от геометрических параметров тавровых и нахлесточных соединений, а также способа задания изгибающей нагрузки.
В результате применения МКЭ в сочетании с методами линейной механики разрушения (ЛМР) получены зависимости, позволяющие описать напряженное состояние вблизи вершин трещиноподобных сварочных дефектов тавровых и нахлесточных соединений при нагружении поперечным изгибом в условиях хрупкого и квазихрупкого разрушений.
Для механически неоднородных стыковых сварных соединений, работающих в условиях поперечного изгиба, с использованием известных научных наработок кафедры установлены качественные и количественные закономерности изменения напряженно-деформированного состояния и величины контактного упрочнения в зависимости от степени механической неоднородности, относи-
4 PDF created with pdfFactory Pro trial version
тельных размеров мягкой прослойки, неравномерности распределения прочностных свойств по объему прослойки и размеров щелевидного дефекта.
Разработаны основы оптимального проектирования сварных соединений с непроварами, работающих в условиях изгиба, с точки зрения повышения их несущей способности.
Практическая значимость работы. Полученные уточненные методы расчетной оценки позволяют выполнять расчеты на прочность сварных соединений как на стадиях проектирования, изготовления (ремонта), так и на стадии эксплуатации в рамках мероприятий по диагностике сварных конструкций.
Результаты работы позволяют при конструктивно-технологическом проектировании выбирать рациональную форму разделки свариваемых кромок, выполнять оптимизацию геометрии сварных швов, производить подбор сварочных материалов для обеспечения равнопрочности соединений основному металлу.
Предложенные формулы позволяют осуществлять научно-обоснованное нормирование щелевидных сварочных дефектов (типа «непровар» и «подрез»).
Предложенные расчетные методики применимы для оценки механических свойств при испытании сварных образцов.
В приложении к диссертации приведены документы, подтверждающие использование полученных результатов работы на ряде предприятий промышленного комплекса.
Апробация работы.
Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на ежегодных научных конференциях ЮУрГУ (2007-2011 гг.); на конференции XXVI-ой российской школы по проблемам науки и технологии (2006 г., г. Миасс); на ежегодных научно-технических конференциях «Наука-Образование-Производство» НТИ (ф) ГОУ ВПО УГТУ-УПИ (2004 г., 2007 г., г. Н-Тагил).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, списка используемых литературных источников и приложений. Работа изложена на 179 страницах основного текста, содержит 73 рисунка, 11 таблиц и 5 страниц приложений. Список литературы содержит 156 наименований.
5 PDF created with pdfFactory Pro trial version
Основные представления о влиянии трещиноподобных несплошностей на прочность сварных соединений с угловыми швами при нагружении изгибом
Трещиноподобные несплошности часто относят к числу недопустимых. Это объясняется тем, что такие дефекты могут существенно влиять на работоспособность сварных соединений. Как показывает опыт, а также анализ заключений экспертиз промышленной безопасности кранов с отработанным нормативным сроком эксплуатации, выполненных различными диагностическими организациями, трещины в основном возникают в области сварных швов и основной причиной их появления, как правило, являются непровары и подрезы в сварных узлах с угловыми швами.
Изучению влияния щелевидных дефектов на прочность сварных соединений при различных схемах нагружения, как уже говорилось во введении, посвящены многочисленные работы отечественных и зарубежных исследователей. В частности, в работах известных ученых Г.А. Николаева, В.А. Винокурова, С.А. Куркина, И.И. Макарова и др. [39, 47-49] приведены экспериментальные данные, свидетельствующие о том, что в условиях статического нагружения при нормальных температурах прочность сварных соединений, близких к однородным, с щелевидными дефектами в корне шва изменяется пропорционально уменьшению площади поперечного сечения. Сварные соединения в данном случае принято называть нечувствительными к дефектам. Под чувствительностью при это понимается степень снижения прочностных характеристик дефектных сварных соединений по сравнению с бездефектными той же площадью поперечного сечения [43]. В случае, когда q 0, соединение считается нечувствительным к дефекту, если же q О, то имеет место значительное снижение прочности при влиянии дефекта по сравнению с прочностью, определяемой нетто-сечением, а соединение считается чувствительным к плоскостному (трещиноподобному) дефекту.
Однако чувствительность сварных соединений к тем или иным дефектам сварки определяется не только соотношением механических характеристик металла. Немаловажными факторами здесь являются острота дефектов, местоположение в соединении, температура эксплуатации и др.
Существующие в инженерной практике методики расчета на статическую прочность сварных соединений с угловыми швами, выполненных с неполным проплавлением и нагруженных изгибом, в основном основаны на предположении, что соединяемые детали являются абсолютно жесткими телами, а швы имеют высокую пластичность. Эти методики преимущественно содержат в себе следующие основные элементы:
- определение расчетной схемы;
- выбор опасного сечения;
- расчет номинальных напряжений в опасном сечении шва Одг, тт, TV;
- расчет эквивалентных напряжений в опасном сечении аэкв;
- выбор значений допускаемых напряжений [а] или расчетных
сопротивлений [RP] для заданного сварного соединения;
- проверка выполнения условия прочности:
В частности, расчет сварных соединений с угловыми швами на действие момента в плоскости, перпендикулярной плоскости расположения швов регламентируется в СНиП П-23-81 [50] (рис. 1.2.). Согласно данному методу расчет ведется по двум сечениям: 1 - сечение по металлу шва (совпадает с минимальным сечением шва); 2 — сечение по металлу границы сплавления. Условия прочности для сечений выглядят следующим образом: 1) по металлу шва; 2) по металлу границы сплавления.
Рассмотренный подход, как и многие другие [51-53] основаны на результатах анализа разрушений сварных соединений с угловыми швами. Как правило, тавровые соединения разрушаются либо по металлу шва от вершины непровара, либо по основному металлу в зоне расположения линий сплавления [40] (рис. 1.З.). Первый тип разрушения согласно работе [60] имеет место, когда отношение величины катета к к толщине стенки присоединяемого ребра В менее 1.2.
Рассмотрим тавровое соединение, нагруженное изгибающим моментом М (рис. 1.4.). В качестве расчетного (опасного) в большинстве инженерных расчетов принято сечение /?/ по металлу шва, совпадающее с высотой шва без учета проплавлення, где ответственными за разрушения являются касательные напряжения. Характерный размер этого сечения
В немецком стандарте DIN 4100 расчетное сечение h2 проходит через половину глубины проплавлення стенки соединения параллельно hi. Размер рассматриваемого сечения определяется следующим выражением.
Наиболее консервативную оценку можно получить, если расчеты выполнять по сечению Из от вершины непровара, расположенному параллельно высоте шва. Размер этого сечения можно определить следующим способом.
Для определения эквивалентных напряжений по известным номинальным напряжениям существуют следующие выражения:
1. По теории максимальных касательных напряжений (III теория прочности)
2. По теории наибольшей удельной потенциальной энергии формоизменения
3. По стандарту ISO/R617
4. Согласно немецкому стандарту DIN 4100
5. По рекомендациям подкомиссии XV-А Международного института сварки
Последние рекомендации могут применяться для статически нагруженных сварных соединений из углеродистых и низколегированных сталей с минимальным пределом прочности менее бООМПа, отношением предела текучести к пределу прочности не более 0.8МПа и минимальным относительным удлинением при разрушении не менее 0.12, выполненных сваркой покрытыми электродами, в среде защитных газов или под флюсом.
При нагружении нахлесточных соединений растягивающими усилиями (рис. 1.5) угловые швы наряду с напряжениями среза подвергаются действию изгибающего момента, обусловленного эксцентриситетом приложения нагрузок.
В зависимости от схемы нагружения и геометрии соединения значение изгибающего момента может изменяться в широких пределах. Например, в работе [16] экспериментально показано, что при растяжении двухстороннего нахлесточного соединения изгибающим моментом можно пренебречь, а при нагружении этого же соединения сжимающими усилиями действие изгибающего момента значительно усиливается.
Для других схем нагружения нахлесточных соединений распределения напряжений будут определяться несколько отличными от (1.22) соотношениями. Однако останавливаться на этом подробно в рамках настоящей работы является нецелесообразным.
Из соотношения (1.22), учитывая условие равновесия нетрудно найти Pi и Р2. Очевидно, что расчет изгибающего момента М и соответствующих напряжений в каждом шве соединения будет выполняться по формулам (1.19), (1.20) и (1.21).
В МВТУ им. Н.Э. Баумана разработан метод расчета на прочность сварных соединений с угловыми швами, который позволяет учесть направление вектора нагрузки на каждом из участков шва. Данный метод хорошо описан в работах В.А. Винокурова и С.А. Куркина [39, 55, 56 и др.] и может быть применен при расчете комбинированных угловых швов при изгибе. Суть его заключается в том, что в зависимости от направления передаваемой швом нагрузки его прочность на срез будет различна. Такое положение указывает на наличие неучтенного запаса прочности комбинированных угловых швов, рассчитываемых нормативными методами.
Соединения с центральными трещиноподобными дефектами
Изучение особенностей НДС, влияния геометрических параметров лобовых швов на распределение напряжений в соединениях и на их несущую способность осуществлялось при постоянной площади поперечного сечения наплавленного металла [80]. Исследования проводились для случая, когда металл шва и основной металл обладают одинаковыми механическими свойствами. В качестве теоретического метода качественного исследования использовали метод конечно-элементного моделирования (МКЭ), реализованный в программном- пакете ANSYS. Металл сварных соединений принимали однородным, изотропным и идеально упругопластическим, подчиняющимся условию пластичности Губера-Мизеса.
Теоретические модели таврового сварного соединения с различными схемами нагружения изгибом показаны на рис. 2.2.
Выбор модели с той или иной расчетной схемой статического изгибного нагружения обусловлен следующими факторами:
1. При нагружении модели чистым изгибом (рис. 2.2 а) значительно упрощается задача создания математической модели на основе результатов анализа напряженно-деформированного состояния.
2. Модель с поперечным изгибом (рис. 2.2 б) более точно отражает поведение соединения в реальной сварной конструкции и более просто реализуется в ПК ANSYS. Однако при поперечном изгибе в тавровом соединении возникают напряжения от поперечной срезающей силы, что усложняет картину распределения напряжении в сварном шве.
В процессе конечно-элементной разбивки и последующего анализа НДС рассматриваемых случаев было выявлено, что работоспособность соединений при обоих типах нагружения находится практически на одном уровне при условии, что плечо приложения силы при поперечном изгибе значительно превышает толщину свариваемых пластин. Поэтому в качестве базовой при исследовании принималась схема с поперечным изгибом, смоделированным поперечной силой на плече, в б раз превышающем толщину свариваемых деталей.
Для оценки влияния геометрии лобовых швов на НДС при статическом изгибе использовались несколько серий моделей с определенными значениями глубины проплавлення. Для каждой серии, характеризуемой некоторой постоянной величиной провара, угол J3 наклона лобовой грани швов изменяли от 30 до 75. В частности, на рис. 2.3 показаны результаты построения картин распределения аэк( в растянутых зонах моделей, имитирующих тавровые соединения, выполненные ручной дуговой сваркой (проплавление отсутствует). Сжатые зоны загружены аналогично, но имеет место смена знака напряжений. Из рисунка следует, что загруженность в поперечных сечениях швов неравномерна. Основное влияние на распределение эквивалентных напряжений здесь оказывают так называемые источники пластического течения металла. Основными источниками, в данном случае, являются вершины непровара и верхние зоны перехода от шва к основному металлу. При значениях углов /2=30 и 45 (рис. 2.3 а, б) загруженность верхней зоны сплавления максимальна. По мере увеличения угла при сохранении постоянного объема наплавленного металла происходит перераспределение напряжений вдоль образующей шва с частичной разгрузкой зоны сплавления. Для сравнения, при нагружении этих же моделей растягивающей силой было выявлено, что при значении углов /3=60+70 напряжения в зонах сплавления полностью перераспределяются вдоль образующей лобового шва. Это хорошо согласуется с результатами работ [29]. Очевидно, что при изгибе загруженность в упругих и упруго-пластических сечениях соединений имеет свои особенности, которые обуславливают повышенную чувствительность к поверхностным дефектам.
Изменения геометрии швов при изгибе не могли не сказаться на положении так называемого «опасного» сечения OD (рис. 2.2 б), т.е. сечения, где предельное состояние будет достигнуто раньше, чем в других. Расположение предполагаемого сечения разрушения сварного соединения определяется источниками пластического течения. Увеличение нагрузки при достаточной пластичности металла шва, благодаря более интенсивной работе соседних участков приводит к распространению течения металла в некотором направлении. Учитывая, что при статическом изгибе основных источников пластичности два, в отличие от случая растяжения (при растяжении основным источником течения все-таки является непровар), формирование «опасного» сечения происходит в результате пересечения зон текучести от этих очагов. При дальнейшем увеличении изгибающей нагрузки происходит выравнивание эпюры напряжений в образовавшемся сечении и последующее вязкое разрушение. Для более полного изучения механизма образования «опасного» сечения при различных значениях угла наклона образующей шва картины НДС для каждой исследуемой модели строились при плавно изменяющихся значениях изгибающего момента от нуля до предельного значения. В частности, на рис. 2.4 показана кинетика развития пластического течения при изгибе таврового соединения с углом /=60.
При таком механизме развития напряженного состояния существует большая вероятность разрушения соединения по некоторой кривой (если говорить о плоских моделях). Однако, учитывая незначительность кривизны линии предполагаемого разрушения, с целью упрощения математической модели можно условно принять, что «опасное» сечение прямолинейно.
Из анализа полученных результатов следует, что увеличение угла J3 влечет за собой увеличение угла а наклона «опасного» сечения (рис. 2.2). При вязком разрушении касательные напряжения максимальны. Но уЭкв определяется не только касательными, но и нормальными напряжениями. С увеличением угла а роль нормальных напряжений в уравновешивании внешней нагрузки возрастает. Это подтверждают результаты исследования распределения касательных напряжений в рассматриваемых моделях, г.е. чем больше угол а, тем больше оказывается нагрузка, при которой касательные напряжения достигают предельных значений, характеризующих общую текучесть в сечении. Поэтому величина допускаемой нагрузки должна расти с увеличением угла Д Но это возможно до определенного момента. Дело в том, что предельное состояние в шве определяется также площадью «опасного» сечения. При возрастании J3 после достижения некоторого оптимального значения площадь сечения предполагаемого разрушения уменьшается настолько, что изгибная нагрузка, требуемая для достижения предельного усилия среза, начинает падать. Это подтверждают результаты расчета средних значений эквивалентных напряжений в опасных сечениях, представляющих собой отношение площади эпюры стже в данном сечении к площади (длине) сечения (результаты приведены в таблице 2.1).
Полученные в таблице значения относятся только к рассматриваемым моделям. Однако они показывают общий характер изменения напряженного состояния тавровых соединений при изменении угла наклона лобовой грани.
Тавровые двухсторонние соединения с неполным проплавлением
Определение зависимостей КИН от параметров соединений осуществлялось по численным значениям, полученным МКЭ (ПК «ANSYS») на моделях в условиях плоской деформации. Теоретическая модель соединения с непроваром с нанесенной конечно-элементной сеткой, используемая для вычислений, показана на
Выбор размеров конечных элементов как вблизи трещины, так и за ее пределами, осуществлялся предварительно на основе сравнительного анализа численных результатов, полученных по известным зависимостям ЛМР (подтвержденных экспериментальными данными) и коэффициентов, вычисленных для соответствующих схем с помощью МКЭ. Приемлемая точность вычислений (относительная погрешность менее 8%) получена на моделях с размерами элементов от 0.1мм (вблизи трещины) до 2мм (около свободной поверхности) при толщине пластин 20.. .40мм. Некоторые результаты анализа представлены на рис. 3.3.
Для оценки влияния параметров тавровых соединений (к, Д В, I) на хрупкую прочность при статическом изгибе также как и для пластической задачи использовались несколько серий моделей с определенными значениями глубины проплавлення (//В =0.1..Л). Для каждой серии, характеризуемой некоторой постоянной величиной провара, угол Д наклона лобовой грани швов изменяли от 30 до 75. Дополнительно, в ходе теоретического анализа варьировали параметр к2/В от 0.375 до 0.5.
Численные результаты были получены в ходе решения линейно упругой задачи (материал соединения: Е = 2-Ю5МТТа, v = 0.3), в рамках которой для различных вариантов комбинации параметров соединений фиксировались относительные перемещения берегов трещины (их, vy) при воздействии чистого изгибающего момента постоянной величины. По полученным значениям перемещений автоматически вычислялись коэффициенты интенсивности напряжений с помощью известных соотношений [112].
Как показал анализ полученных результатов, локальные напряжения в вершине непровара таврового (крестового) соединения определяются совместным действием Ki и Кц. Однако, в отличие от случая растяжения подобных соединений, где влияние Ки незначительно [74, 67] (аналогичные результаты были получены и в ходе текущего исследования), при изгибе наблюдается варьирование данного коэффициента в достаточно широких пределах. На рис. 3.4. показаны графические зависимости параметра смешанности напряженного состояния Л = —— от длины непровара / и угла Д полученные МКЭ для изгибаемых тавровых кі сварных соединений. Для сравнения здесь же показана кривая зависимости для пластины с центральным надрезом (кривая 6).
Наиболее вероятной причиной значительного влияния Кц на напряженное состояние в области трещины (непровара) являются особенности распределения силовых потоков в зоне сварных швов при упругом изгибе (рис. 3.5). Не последнюю роль в таком распределении играет полка соединения, которая создает условия для рассеивания силовых линий. Доказательством последнему может послужить сравнительный анализ кривых 5 и 6 на рис. 3.4. Как следует из рассмотрения данных зависимостей, при чистом изгибе пластины с надрезом любой длины (кривая 6) величина Кп практически отсутствует (ее появление здесь можно объяснить погрешностью вычислений и изменением формы в процессе деформирования). При появлении полки (кривая 5) влияние данного коэффициента значительно возрастает в зависимости от длины надреза. При этом величина К[ остается практически неизменной. Стоит заметить, что относительные размеры полки оказывают непосредственное воздействие на соотношение —— = Я. Как показывают наблюдения, при уменьшении ее геометрических параметров относительно размеров ребра ниже определенных значений в области непровара происходит стеснение силовых потоков, что влечет за собой снижение показателя, смешанности напряженного состояния. Однако, для реальных сварных соединений данное замечание практически не применимо, поэтому в рамках настоящей работы этот вопрос не получил дальнейшей проработки.
Наличие двух коэффициентов интенсивности напряжений может несколько усложнить искомое решение. Во избежание этого использовали частный случай теории обобщенного нормального отрыва, разработанной А.Е. Андрейкиным [113].
В итоге полученные МКЭ для тавровых соединений результаты можно представить в виде графических зависимостей, показанных на рис. 3.6.
Для аппроксимации данных численных результатов в виде математической зависимости использовали идеализированное представление таврового (крестового) соединения по схеме пластины эквивалентной ширины с центральным надрезом. Сущность этого метода заключается в подборе для рассматриваемых соединений с произвольным сочетанием параметров Д /, к2 и В эквивалентных по напряженному состоянию пластин с трещинами, что позволит на основе известной базовой зависимости вывести искомую. Согласно [64, 104] для изгибаемой пластины с надрезом в средней части.
Особенности напряженно-деформированного состояния и несущая способность сварных соединений, ослабленных мягкой прослойкой, при статическом изгибе
Для соединений, ослабленных мягкими прослойками, работающих в условиях статического изгиба, характерна неоднородность поля приложенных напряжений по их поперечному сечению, вызывающая некоторые особенности в контактном упрочнении мягкого металла по сравнению со случаем их статического растяжения. В связи с этим, для разработки алгоритма расчета рассматриваемых соединений на статическую прочность при изгибе необходимо знать особенности их напряженно-деформированного состояния для данного случая нагружения.
Для решения поставленной задачи в настоящей работе был выполнен качественный анализ предельного состояния соединений при данном типе нагружения (рис. 4.3.) [151]. В качестве метода исследования применяли метод конечных элементов (ПК ANSYS), базирующийся на теории пластического течения. Для построения конечно-элементных сеток согласно рекомендациям [146] использовали прямоугольные четырехузловые элементы со сторонами, варьирующимися в пределах от ОЛВ (вдали от контактных границ прослойки) до 0.015 (в области сварного шва).
При анализе принимали, что наплавленный (мягкий - М) и основной (твердый - Т) материалы являются идеально упруго-пластическими. При этом за уровни напряжений, отвечающие участку идеальной пластичности, принимали значения временных сопротивлений материалов (crff и ттв ).
С целью выявления особенностей напряженно-деформированного состояния (НДС) рассматриваемых соединений численные модели нагружали до околопредельного состояния по схеме чистого статического изгиба. На рис. 4.4 представлены наиболее характерные для рассматриваемых нагруженных соединений результаты численно-графических построений полей пластических перемещений.
Анализ полученных НДС показал, что механизм контактного упрочнения при растяжении (сжатии) и изгибе схожи. Однако был выявлен ряд особенностей, не позволяющих использовать уже известные расчетные зависимости [74, 137] для оценки несущей способности неоднородных соединений, нагруженных изгибом.
В отличие от растяжения при изгибе наблюдаются две линии ветвления пластического течения мягкой прослойки. Они расположены симметрично относительно оси Y в зоне растяжения и в зоне сжатия. На рис. 4.4 (а, б, в) эти линии представлены соответственно точками О] и Ог на оси X. По аналогии с растяжением местоположения данных точек совпадают с точками максимальных значений напряжений сгх пах, о\!пах и определяют место смены знака касательных напряжений т , действующих на контактных поверхностях прослойки.
На участках, прилегающих к свободным поверхностям соединения (выше т. О! в зоне растяжения и ниже т. 02 в зоне сжатия) напряженное состояние зависит как от степени механической неоднородности Кв, так и от относительной толщины мягкой прослойки Х- Здесь в соединениях с тонкой прослойкой при высокой степени механической неоднородности (Дд 4 и «О-З) наблюдается.локализация пластических деформаций в объеме мягкого металла (рис. 4.4 а). Предельное состояние таких соединений в рассматриваемых зонах характеризуется высоким уровнем гидростатических (в объеме прослойки) и касательных (на контактных границах прослойки) напряжений. Последние являются результатом сдерживания пластической деформации мягкой прослойки соседними у частками? твердого металла, продолжающего работать упруго.
Увеличение толщины прослойки до значений х 0-4...0.5 ведет к снижению влияния параметра Кв, а следовательно и к уменьшению уровня напряженного состояния в областях, прилегающих к боковым поверхностям соединений (рис. 4.4 б). При х 0-5 влияние Кв практически отсутствует и несущая способность соединения определяется прочностью мягкого металла. Это объясняется появлением свободы пластического деформирования в результате снижения уровня его сдерживания твердым металлом.
Наиболее сложное напряженное состояние в указанных областях наблюдается при значениях Кв 4 и «0.3 (рис. 4.4 в). Здесь наблюдается интенсивное вовлечение в пластическую деформацию твердого (основного) металла, что смягчает НДС в указанных зонах. При этом максимальный размер очага пластической деформации Н, как показали расчеты МКЭ, зависит от относительных параметров соединения Кв и х и изменяется в пределах (0,5... 1,0) . Этот случай вызывает наибольший интерес, т.к. характеризуется контактным упрочнением в условиях его неполной реализации. Результаты теоретического анализа данного случая, как показывают исследования поведения соединений с мягкой прослойкой при растяжении (сжатии), могут быть справедливы для всего диапазона размеров х независимо от значений Кв.
С целью систематизации результатов вычислений МКЭ и определения степени влияния параметров Кв и х на прочность соединений в указанном диапазоне, для МКЭ-моделей строили эпюры, напряжений ru, вдоль, контактных границ ме таллов, а также стх и сту для центрального сечения «мягкой» прослойки. В-процессе, построений, выявлена повышенная чувствительность прочностных характеристик соединений к параметрам мягкой,прослойки (Кви,х)- Дальнейший.анализ показал, что характер распределения напряжений, а также картины пластических перемещений, полученные МКЭ для КБ 4 и «0.3 практически полностью совпадают с результатами, полученными ранее методом муаровых полос с применением метода линий скольжения (МЛС) в работе [147]. На рис. 4.5 в качестве примера представлена картина пластических перемещений и эпюры напряжений т (вдоль контактной границы), сгх и а (по центральному сечению мягкой4 прослойки), полученные в настоящей работе для нагруженных соединений с Кв—1 и 2=0.175, в сравнении с данными работы [147], полученными с применением метода муаровых полос при испытании образцов-моделей с аналогичной- мягкой прослойкой при статическом изгибе.
При построении сеток линий скольжения для- соединений, работающих в условиях неполной реализации контактного упрочнения {Кв 4 и ;jf«0.3)j в работе [147] учитывались ранее установленные закономерности механического поведения линий в условиях статического растяжения, а также особенности их преломления при переходе через контактную границу. Эти особенности по аналогии со случаем статического растяжения [137] определяются условием неразрывности касательных напряжений (4.1) для соединений с тонкой прослойкой.
Сетки линий скольжения, расположенные между точками разветвления пластического сечения т. Оі и т. 02, локализуются в объеме мягкой прослойки, т.е. в данных областях отсутствует вовлечение твердого металла в пластическую деформацию. Поэтому линии скольжения в данной области представлены семейством циклоид с радиусом производящего круга г = h/ 2 .
