Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса и задачи исследования 8
1.1 Причины возникновения концентрации напряжений и факторы, определяющие ее величину
1.2 Виды дефектов сварных соединений 11
1.3 Влияние параметров геометрии очертания шва на концентрацию напряжений в зоне перехода от шва к основному металлу
1.4 Влияние параметров геометрии конструкции сварного узла на усталостную прочность
1.5 Методы расчета сварных соединений на прочность при переменных нагрузках
2. Теоретическое и экспериментальное изучение локального напряженного состояния сварных соединений
2.1 Локальная геометрия сварных соединений с угловыми швами
2.2 Экспериментальное изучение локального напряженного состояния сварных соединений
2.3 Изучение напряженного состояния в зоне перехода от шва к основному металлу на основе метода конечных элементов
3. Экспериментальные исследования 86
3.1 Методика и оборудование для усталостных испытаний крупногабаритных сварных узлов
3.2 Результаты исследования малоцикловой усталости сварных узлов
3.3 Результаты исследования локального и глобального -2 напряженного состояния в соединениях типа «штуцер-лист»
4. Метод оценки усталостной прочности сварных соединений с ПО угловыми швами, основанный на подобии локального напряженного состояния в экспериментальном образце и реальной конструкции
4.1 Модель оценки локального напряженного состояния в соединениях с угловыми швами, основанная на методах механики трещин
4.2 Роль структурной неоднородности металла на распределение напряжений в вершине острых надрезов
4.3 Модель оценки усталостной прочности, основанная на сопоставлении напряженного состояния в вершине углового шва на образце и конструкции
4.4 Апробация предложенной методики расчета 126
Общие выводы 139
Список литературы
- Влияние параметров геометрии очертания шва на концентрацию напряжений в зоне перехода от шва к основному металлу
- Экспериментальное изучение локального напряженного состояния сварных соединений
- Результаты исследования малоцикловой усталости сварных узлов
- Роль структурной неоднородности металла на распределение напряжений в вершине острых надрезов
Введение к работе
Актуальность проблемы
Анализ используемых в нашей стране методов расчета на усталостную прочность сварных конструкций показал, что таких методов всего два:
расчет по допускаемым напряжениям;
расчет, основанный на группировке соединений по категориям.
Область применения метода расчета по допускаемым напряжениям крайне ограничена типом и формой соединений. Невозможность точного учета формы сварного шва и конструкции в целом приводит к тому, что основные положения данного метода в ряде случаев не соответствуют условиям действительной работы конструкций. Данный метод нашел более широкое применение в расчетах деталей машин. К тому же, метод расчета по допускаемым напряжениям получил наибольшее распространение в первой половине прошлого века и на данный момент морально устарел.
Расчет, основанный на группировке сварных соединений по категориям, в нашей стране регламентируется СНиП И-23-81. В его основу положено разделение видов сварных соединений на 8 групп в значительной степени в зависимости от эффективных коэффициентов концентрации напряжений. Для каждой группы СНиП И-23-81 устанавливает расчетное сопротивление усталости.
Близкий по существу, но более дифференцированный подход широко был использован при разработке нормативных документов (НД) стран Западной Европы,
На протяжении многих лет вопросам прогнозирования усталостной прочности сварных конструкций уделяется большое внимание, как в нашей стране, так и за рубежом.
Значительный вклад в решение этой проблемы внесли Ґ.А. Николаев, В.А. Винокуров, В.П. Леонов, В.П. Когаев, В.И. Труфяков, В.И. Махненко, А.В. Ильин, М.В. Шахматов, J.D. Harrison, D. Radaj, SJ. Maddox, PJ. Haagensen и др.
В последние годы наблюдается развитие новых подходов к оценке усталостной прочности и долговечности, основанных на изучении локального напряженного состояния в зоне возможного разрушения. Развитие этих отходов особенно привлекательно для оценки усталостной прочности и долговечности сварных соединений с угловыми швами.
Очевидно, что поиск новых путей оценки долговечности сварных соединений с угловыми швами является актуальной задачей, тем более, что до сих пор в практике расчета сварных конструкций в России пользуются нормативными документами 80-х годов прошлого века.
Цель работы
Разработка метода оценки долговечности сварных соединений с угловыми швами, основанного на подобии локального напряженного состояния в экспериментальном образце и реальной конструкции.
Для реализации поставленной цели необходимо было решить ряд задач:
-
Провести анализ отечественных и международных методов расчета усталостной прочности идолговечности сварных конструкций и выявить тенденции и пути развития этих методов.
-
Провести анализ отечественных и международных нормативных требований к качеству сварных соединений с целью определения возможности их гармонизации.
3. Изучить геометрию зоны перехода от шва к основному
металлу, как зоны ответственной за разрушение сварных
конструкций. Определить статистический образ геометрии зоны
перехода от шва к основному металлу.
4. Разработать методы моделирования напряженного
состояния в зоне перехода от шва к основному металлу в
соединениях с угловыми швами.
-
Провести экспериментальное исследование механизма зарождения и развития разрушения в крупногабаритных элементах сварных конструкций.
-
Разработать методику прогнозирования долговечности сварных соединений с угловыми швами по критериям локального напряженного состояния.
Методы исследования
Геометрия зоны перехода от шва к основному металлу изучалась на основе металлографических исследований макрошлифов с использованием микроскопа совместно с цифровой фото камерой,
Статистическая обработка полученных данных проводилась в программном комплексе Statistica.
Экспериментальное изучение напряженного состояния
проводилось методом тензометрирования.
Математическое моделирование напряженного состояния сварных конструкций производилось методом конечных элементов в программном комплексе ANSYS.
Долговечность образцов оценивалась на основе усталостных испытаний крупногабаритных узлов сварных конструкций, позволяющих в полной мере сохранить технологическое и конструктивное подобие при усталостных испытаниях.
Научной новизной диссертационной работы является модель оценки усредненного на базе структурного элемента локального напряженного состояния в зоне перехода от углового шва к основному металлу а,„ которая с учетом известного асимптотического решения для напряженно-деформированного состояния в вершине углового выреза может быть представлена в следующем виде:
^,=^=4,,,,, - )r"dr,
где коэффициент интенсивности напряжений К' зависит от глобальной геометрии сварного соединения, а показатель степени їх от угла сопряжения поверхностей шва и основного металла;
теоретически показано, что значение параметра К4 может быть определено на основе результатов измерения или расчета MIG напряжений на поверхности сварного соединения;
экспериментально с использованием крупногабаритных узлов сварных конструкций доказано, что значение усредненного локального напряжения о,, может быть принято в качестве критерия для прогнозирования долговечности сварных конструкций с угловыми швами.
Определен статистический образ геометрии зоны перехода от шва к основному металлу для реальных сварных соединений с угловыми швами. Анализ статистического образа позволил рассмотреть распределения напряжений в зоне перехода от шва к основному металлу угловых швов с точки зрения механики разрушения. Практическая ценность и реализация результатов работы
Разработан метод оценки долговечности основанный на подобии локального напряженного состояния в зоне перехода от
шва к основному металлу в экспериментальном образце и реальной конструкции. В отличие от существующих методов оценки долговечности сварных соединений данный метод позволяет на стадии проектирования детально оценивать влияние конструктивного оформления соединения на прочность.
На основе раздельного регулирования глобального и локального напряженного состояния в зоне разрушения предложены и апробированы пути повышения долговечности сварных конструкций.
Теоретические положения разработанного метода экспериментально подтверждены результатами испытания сварных крупногабаритных узлов конструкций.
Полученные результаты использованы в учебном процессе Донского государственного технического университета при изучении дисциплины «Проектирование сварных конструкций».
На защиту выносится:
- модель оценки усредненного на базе структурного элемента
локального напряженного состояния в зоне перехода от углового
шва к основному металлу а,,;
- методика оценки долговечности сварных соединений
основанная на подобии локального напряженного состояния в
зоне перехода от шва к основному металлу в экспериментальном
образце и реальной конструкции;
- результаты экспериментальных и теоретических исследований.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на:
- заседаниях кафедры «Машины и автоматизация сварочного
производства» ДГТУ, 2006-2009.
VIII международной научно-технической конференции по динамике технологических систем, ДГТУ, г. Ростов-на-Дону, 2007.
международной научно-технической конференции в рамках Промышленного конгресса Юга России и международной специализированной выставки «Метмаш. Станкоинструмент -2007», г. Ростов-на-Дону, 2007.
10-й международной научно-практической конференции «Технологии ремонта восстановления и упрочнения машин, механизмов, оборудования, инструмента и технологической оснастки», С-Петербург., 2008.
ежегодных научно-технических конференциях студентов и
профессорско-преподавательского состава ДГТУ, 2006-2009.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 научных статей и докладов, в том числе одна работа опубликована в изданиях, рекомендованных ВАК.
Объём и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, содержащего 106 наименований.
Диссертация изложена на 152 страницах машинописного текста, содержит 21 таблицу, 69 рисунков.
Влияние параметров геометрии очертания шва на концентрацию напряжений в зоне перехода от шва к основному металлу
Уровень развития сварочных технологий в промышленно развитых странах показывает, что полностью исключить появление несовершенств (дефектов) в сварных швах не представляется возможным по техническим причинам или экономическим соображениям. Можно лишь ограничить размеры несовершенств до допустимого уровня путем применения физических методов контроля качества и выбраковки сварных швов с недопустимыми дефектами.
К технологическим дефектам шва относятся газовые поры, шлаковые включения и особенно трещины и непровары, подрезы. Концентрация напряжений около таких дефектов зависит от размеров, формы и их расположения по отношению к силовому потоку.
Существует ряд отечественных и международных нормативных документов (НД) регламентирующих классификацию дефектов сварных соединений и требования к качеству. Так ГОСТ 15467-79 [15] дает определение, что же такое дефект, а так же малозначительный и критический дефект - принципиально важные понятия при рассмотрении вопроса нормирования и допустимости дефектов. Классификация дефектов сварных соединений, их определения и обозначения, в том числе и обозначение принятое Международным институтом сварки (МИС), даны в ГОСТ 30242-97 [16] и ГОСТ 2601-84 [17]. ГОСТ 30242-97 все дефекты по технологическому признаку классифицирует на шесть групп: трещины, полости и поры, твердые включения, несплавления и непровары, нарушения формы шва, прочие дефекты. В стандарте указано, что «дефекты при сварке металлов плавлением образуются вследствие нарушения требований нормативных документов к сварочным материалам, подготовке, сборке и сварке соединяемых элементов, термической и механической обработке сварных соединений и конструкции в целом».
В зависимости от местонахождения дефекты делятся на наружные и внутренние. К внутренним дефектам относятся: поры, твердые включения шлака или инородного металла, непровары и внутренние трещины различного рода и размера. К наружным относятся дефекты формы шва и вышедшие на поверхность швов газовые поры, свищи, трещины и подрезы. Однако подобное разделение дефектов весьма условно, так как многие внешние дефекты оказываются следствием, а зачастую и внешним проявлением внутренних дефектов.
Возможна классификация дефектов в зависимости от причины их образования [18]. В этом случае дефекты также делятся на две группы. К первой группе относят дефекты, образование которых связано с физико-химическими явлениями, протекающими в процессе образования, формирования, кристаллизации сварочной ванны и остывания сварного соединения. Это кристаллизационные (горячие) и холодные трещины, поры, неметаллические включения, несплавления, неблагоприятная структура шва, сегрегация примесей в шве, а так же отклонение химического состава металла шва от заданного. Ко второй группе относят дефекты, появление которых обусловлено нарушением технологии сварки: непровары, подрезы, прожоги, несоблюдение размеров шва и т.д. Однако и такое разделение весьма условно, так как образование дефектов, отнесенных ко второй группе, во многом зависит от физико-химических процессов протекающих при сварке, а образование первых вызвано несоблюдением требований технологии, но оно полезно с позиции выработки методов предотвращения появления дефектов.
Использование современных методов диагностики и неразрушающих методов контроля является одним из важнейших средств получения информации о технологической наследственности сварных конструкций и качестве выполнения сварочных работ. Однако для формирования заключения о каче -12 стве того или иного сварного шва необходимо сформулировать требования к качеству сварного соединения.
Нормирование требований к качеству сварных соединений должно быть связано не только с конструкцией и условиями эксплуатации конструкции, но и с достигнутым уровнем сварочного производства, возможностями современных методов контроля, а также быть экономически обоснованным.
Эти требования регламентируются производственной и нормативной документацией, которая отражает накопленный опыт изготовления и эксплуатации сварных конструкций. Очевидно, что они могут отличаться для конструкций различного назначения, но, вероятно, нет причин к тому, чтобы при разработке частных требований не учитывать опыт, накопленный в сварочном производстве в целом.
Практика нормирования требований к качеству сварных соединений, сложившаяся в России, отличается отраслевым подходом к проблеме, что с одной стороны позволяет учесть индивидуальные особенности сварочного производства, с другой стороны приводит к необоснованно большому числу нормативных документов и большому разнообразию требований к качеству однотипных сварных соединений.
В зарубежной практике используют международные стандарты EN ISO 5817:2003 «Сварка плавлением стали, никеля, титана и их сплавов (исключая лазерную сварку)» [19] и EN ISO 10042:2005 «Сварка, соединения алюминия и его сплавов дуговой сваркой, уровни качества соединений с дефектами» [20].
Оба эти стандарта для различных типов дефектов устанавливают три уровня размера дефектов: D, С и В (обычный, повышенный и высокий уровень качества) к размерам технологических несовершенств (дефектов) сварных соединений. Группа качества В соответствует высшим требованиям к сварному соединению. Таким образом, они не определяют требования к сварным соединениям конкретных конструкций, а лишь ранжируют значимость дефектов различного вида для каждого уровня качества. Понятие уровня качества относятся к оценке качества изготовления сварного шва, а не к допустимой области применения полученного изделия. Выбор группы качества зависит от целей такой оценки и назначения сварной конструкции.
Достоинством этих стандартов является системность подхода к назначению норм качества, что делает этот процесс унифицированным и более прозрачным.
Аналогичный подход использован в ГОСТ 23118-99 "Конструкции стальные строительные. Общие технические условия" [21]. Требования данного документа в достаточной степени согласуются с требованиями EN ISO 5817 практически по всем дефектам. Значительное отличие наблюдается лишь в оценке допустимых размеров подрезов, в ГОСТ 23118 она более оптимистична. А требования к переходу от усиления шва к основному металлу не регламентируются численным значением.
Были проанализированы и сопоставлены с требованиями ISO EN 5817 следующие нормативные документы: СНиП 3.03.01-87 [22], ОСТ 24.090.63-87 [23], ПБ 10-574-03 [24], ПБ 03-557-03 [25], ПБ 03-605-03 [26], ПБ 10-257-98 [27], ПБ 03-576-03 [28], ПБ 03-585-03 [29], ПБ 10-573-03 [30], ПБ 10-575-03 [31], РД 39-132-94 [32], РД 34.15.132-96 [33], РД 153-34.1-01 [34], СП 105-34-96 [35], ВСН 012-88 [36], СНиП 3.05.05-84 [37], РД 558-97 [38], РД 10-69-94 [39], РД 38.18.004 [40].
Анализ показал, что набор видов дефектов, представленный в ISO EN 5817 значительно шире, чем в отечественной нормативной документации, причем состав видов нормируемых дефектов в различных НД существенно отличается.
Экспериментальное изучение локального напряженного состояния сварных соединений
Известно, что с ростом толщины растут и локальные напряжения в зоне перехода от шва к основному металлу. Это влияние необходимо учитывать в расчете. Предлагается вести его учет используя коэффициент снижения усталостной прочности от толщины. Этот коэффициент учитывает различия между толщиной реальной конструкции и толщиной образцов, по результатам испытаний которых, построены расчетные S-N кривые усталости. Коэффициент изменяется в зависимости от рассматриваемой толщины и единодушного мнения о его значении нет. Сравнение предлагаемых различными источниками значений этого коэффициента приведено в таблице 1.5.
Помимо учета влияния толщины с использованием коэффициента снижения усталостной прочности от толщины иногда используется и S-N кривые построенные для различных толщин (см. рисунок 1.14).
Базовые S-N кривые для определения долговечности конструкции методом «горячей точки» представлены на рисунках 1.15, 1.16. Под «базовыми» кривыми понимается, что допускаемые напряжения в горячей точке получаемые на этих кривых необходимо уточнять с использованием различных корректирующих коэффициентов (коэффициента снижения усталостной прочности от толщины ft, коэффициент влияния искажения геометрии конструкции обусловленные случайными производственными факторами IQ и др.).
S-N кривые построены с 95% степенью достоверности, что соответствует 97,5% вероятности требуемой долговечности конструкции.
В [6] представлено сопоставление базовых S-N кривых из различных НД (рисунок 1.16) для расчета трубных соединений. Диаграмма включает проектные кривые из IIW, Eurocode3 [92], AWS [87] и API [88]. Варианты AWS-X1 и API-X применяются для улучшенных сварных швов, например, после механической обработки или переплавке в среде аргона зоны перехода от шва к основному металлу. Кривые за исключением вариантов Eurocode3 были получены для соединения труб с круглым сечением. В Eurocode3 кривая класса «114» предназначена для труб круглого сечения, а «90» - для труб прямоугольного сечения. Кривые предназначены для стыковых сварных со -46 единений с толщиной стенки t = 16мм. Допускается использовать данные кривые при любой характеристика цикла R работы конструкции.
При использовании вышеуказанных базовых S-N кривых, необходимо помнить о факте, что различные кривые, возможно, были получены для соединений с различными методиками оценки напряжений в горячей точки, различными корректирующими коэффициентами и т.п. Поэтому, для достаточной надежности оценки важно, чтобы соответствующие расчетные кривые использовались совместно с соответствующими методиками расчета методом «горячей точки».
Подход по напряжению в горячей точке, воплощен в ряде зарубежных НД: DNV [91], Eurocode3 [92], DEn guideline [89], AWS design code [87], и API recommenddation [88]. Однако в этих руководящих документах существует ряд отличий относительно методики определения напряжения горячей точки, положения точек замера, учета толщины реальной конструкции и отклонений геометрии, формул для определения напряжения горячей точки и допустимых напряжений горячей точки.
Достоинством данного метода является возможность на стадии проектирования прогнозировать долговечность сварных конструкций, имеющих однотипные конфигурации сварных швов, вне зависимости от того в каких зонах сварных конструкций располагаются швы.
К недостаткам метода можно отнести необходимость построения S—N кривых усталости для типовых конфигураций сварных соединений узлов из различных типов материалов, что требует большого объема экспериментальных исследований.
Имеющимеся расхождения в количестве и местоположении точек замера указывают на недостаточную обоснованность их выбора. Особое внимание обращает на себя то, что ни в одном из источников не учитывается влияние значения радиуса перехода от шва к основному металлу г -основного фактора определяющего напряжения микрогеометрии зоны перехода, на расстояние до точек замера. Указанные недостатки были выявлены еще в рамках работы [101], а в работах [83 - 85] проведены первые шаги по апробации метода расчета по напряжениям в «горячей точке».
Результаты исследования малоцикловой усталости сварных узлов
Все методики прогнозирования долговечности конструкций основаны на сопоставлении данных полученных при усталостных испытаниях контрольных образцов (S-N кривые) и реальной конструкции. Разрабатываемый метод предлагается вести по этому же пути. Для получения экспериментальных данных необходимых для построения S-N кривой были проведены испытания сварных узлов.
При разработке методики получения исходных данных для построения S-N кривых следует принимать тот факт, что технологические факторы сварочных процессов нельзя смоделировать в полном объеме на образцах малых размеров. Более полную и достоверную информацию можно получить при испытании узлов сварных конструкций.
С целью поучения такой кривой на кафедре «МиАСП» ДГТУ в течение ряда лет проводились испытания на усталостную прочность крупногабаритных сварных узлов моделирующих стыковые соединения листов и соединений типа «штуцер-лист». Параллельно проводились исследования характера распределения напряжений в данных конструкциях.
В различных изделиях машиностроения (барабанах котлов, сосудах давления, газгольдерах и др.) широко встречаются соединения труб, патрубков, штуцеров с корпусом изделия. Такие конструкции, условно назовём их «штуцер-лист» (рисунок 3.1), часто нагружаются гидростатическим давлением, при этом в стенках соединения возникает двухосный изгиб. В случае малой частоты нагружения и высокого уровня повторно-действующих напряжений, в таких конструкциях, можно рассматривать процессы их разрушения с позиций малоцикловой усталости.
При проектировании указанных изделий оценке их прочности необходимо уделять повышенное внимание, т.к. они нередко становятся источником разрушения. Характерный пример такого разрушения приведен на рисунке 3.1.1, где показан случай разрушения нефтепровода, обусловленный малоцикловой усталостью трубопровода в районе соединения вантуза с трубой с усилением трубы воротником [82].
Стыковые соединения обечаек данных конструкций реже являются источниками разрушений, но значительная протяженность таких швов в конструкциях требует отдельного внимания.
Важнейшим требованием к проведению испытаний - сохранение технологического подобия образца и изделия. При выборе типа образца для испытаний (формы, размеров) необходимо учитывать влияние масштабного фактора, действие которого приобретает особое значение при испытании сварных соединений, когда с переходом от реальной конструкции к испытательному образцу может совершенно измениться технология его изготовления, величина остаточных напряжений, жесткость отдельных его участков и т.п. [3]. Для сохранения характера протекания процесса зарождения и развития разрушения аналогичным реальному требуется, чтобы размеры образца в плоскости превосходили его толщину по меньшей мере на порядок [72], а толщина образцов соответствовала толщинам реальных конструкций. Однако экономические соображения требуют выбора минимально необходимых размеров испытуемых образцов.
Исходя из вышесказанного и анализа различных схем испытаний листового металла в условиях двухосного напряженного состояния, была выбрана схема нагружения гидростатическим давлением образца в виде диска, опираемого по контуру.
Для испытаний листового металла и сварных соединений в условиях малоциклового нагружения при двухосном изгибе в коррозионной среде на кафедре «МиАСП» ДГТУ спроектированы и изготовлены установки УДИ-25 и УДИ-26, описанных в работах [73, 74]. Конструкция установок и размеры образцов (диаметр 550 мм и 980 мм соответственно) позволяют в полной мере проводить исследования технологических факторов на долговечность сварных соединений из листового металла толщиной 15-30 мм и 30 — 40 мм соответственно с пределом текучести до 1500 МПа в условиях двухосного изгиба. Поскольку испытания одного образца довольно длительны, то конструкция установок предусматривает возможность одновременного, независимого друг от друга испытания пяти образцов, для чего каждый образец закрепляется в отдельный силовой блок. Конструкция одного блока установки показана на рисунок 3.2.
Установка обеспечивает повторно-статическое отнулевое нагружение образцов с частотой до 10 циклов/мин. Нагружение производили при нескольких уровнях максимальных рабочих напряжений.
Установка состоит из основания 1, гидравлического прижима 3 и запорного устройства, которое неподвижно закреплена на основании 1. Запорное устройство выполнено в виде гладкостенного стакана 2 с кольцевым пазом в его верхней внутренней части. Внутри паза размещены по периметру без зазора восемь кольцевых секторов 5, каждый из которых имеет в поперечном сечении форму уголка со скошенным обушком. Благодаря этому скосу кольцевые секторы и верхняя плита могут сопрягаться по конусной поверхности, что обеспечивает более равномерное распределение нагрузки по стенке стакана 2. Верхняя часть запорного устройства закрыта кожухом 6, предотвращающим случайный выброс масла при разрушении образца 4.
Установка работает следующим образом. Образец 4 устанавливается на гидроприжим 3, сверху на него устанавливают матрицу 8. Затем в паз стакана 2 закладывают поочередно съемные кольцевые секторы 5, прижимая их плотно друг к другу так, чтобы обеспечить минимально возможные зазоры между ними. Установку накрывают защитным кожухом 6. После этого включают насосную станцию и подают давление в полость «А», образуемую дном стакана 2 и гидроприжимом 3. Под действием давления гидроприжим перемещается вверх, прижимает образец 4 к верхней плите - матрице 8, а матрицу к кольцевым секторам 5. Секторы 5, упираясь в опорную поверхность стакана 2, препятствуют перемещению матрицы 8 и тем самым осуществляют закрепление образца 4 в установке. Затем поток жидкости направляют в полость «Б» под образцом 4. Под действием давления образец, опирающийся на кромку отверстия в верхней плите - матрице 8, прогибается и на его внешней стороне возникает двухосное поле напряжений растяжения. Устройство установки позволяет осуществлять статическое, либо повторно-статическое, а также мягкое или жесткое нагружение образца. После окончания испытания на образец устанавливают гидродомкрат 7, который своими лапами упирается в выступы на кольцевых секторах 5. При подключении домкрата 7 к гидросистеме установки его поршень надавливает
Роль структурной неоднородности металла на распределение напряжений в вершине острых надрезов
Полученный статистический образ зоны перехода от шва к основному металлу, а так же результаты аналогичных работ других авторов [4, 65 - 71], показывает высокую вероятность (до 0,15) появления участков швов с радиусом перехода от шва к основному металлу близкого к нулю г = 0 - 0,3 мм. Именно эти участки с максимальной концентрацией напряжений и будут ответственны за разрушение сварной конструкции. А для конструкций сельхозмашиностроения, строительных конструкций и др. данный факт усугубляется наличием трещиноподобного дефекта - подреза длиной 20-30 % [65] от общей протяженности швов. Указанные факты позволили рассмотреть характер распределения напряжений в зоне перехода от шва к основному металлу угловых швов с точки зрения механики разрушения, но, в отличие от обычно используемых в расчетах моделей трещиноподобных дефектов с параллельными кромками, зона потенциального места усталостного разрушения в сварных конструкциях с угловыми швами представляет собой вырез с углом раскрытия кромок Ч1 (рисунок 4.1) значительно превышающем ноль градусов.
Зона потенциального места усталостного разрушения конструкций с угловыми швами - вырез с углом раскрытия кромок Ч? -ПО Известно [96, 103, 104], что распределение напряжений в окрестности вершины углового выреза описывается уравнением: ay=Kr aS{(p){AA) где ау — напряжения вблизи вершины углового выреза; К - коэффициент интенсивности напряжений; г — линейная координата по лучу, вдоль которого определяют распределение напряжений в вершине углового выреза; Ф — угловая координата луча, вдоль которого определяют распределение напряжений в вершине углового выреза. а — показатель особенности, сингулярности напряженного состояния в окрестности вершины углового выреза; S((p) - функция зависящая от угла ф наклона рассматриваемого луча. Следует обратить внимание, что показатель особенности а в вершине выреза с ростом угла раскрытия выреза Ч уменьшается от 0,5, для обычно рассматриваемой в линейной механике разрушения трещины с параллельными кромками 0F=0), до нуля при гладкой границе области (Ч тс). Значение особенности ос можно определить из уравнения [96, 103, 104]: sin X1" а)] = ±(! a)sin 2V (4-2) или более удобного в использовании решения данного уравнения, представленного в [97]: Уравнение (4.1) описывает характер изменения напряжений ау в окрестности вершины концентратора, величина которых в самой вершине стремится к бесконечности. Эта зависимость дает хорошую аппроксимацию напряжений суу в области перед вершиной концентратора, причем эта область мала по сравнению с размерами сечения [95].
Характер стремления напряжений ау к бесконечности в вершине выреза (особенность) определяется показателем степени а при г. Причем в отличие от трещины с параллельными краями значение а зависит от угла сопряжения углового шва с основным металлом Р (угла раскрытия выреза).
Таким образом, пользуясь методами механики трещин, можно установить распределение напряжений в зоне перехода от шва к основному металлу в сварных соединениях с угловыми швами, предполагая при этом, что значение радиуса перехода в этой зоне близко к нулю.
В отличие от получивших в настоящее время широкое распространение методов линейной механики разрушения, практическая реализация расчетов, основанных на уравнении (4.1), имеет определенные трудности, т.к. коэффициент К в уравнении (4.1) имеет размерность, зависящую от показателя степени при г и, следовательно, его величина будет различной для различных углов сопряжения VF.
В диссертационной работе для определения значения коэффициент К использовали численные модели МКЭ.
С этой целью применительно к сварным соединениям с угловыми швами уравнение (4.1) удобно представить в следующем виде: CJHOM - номинальные направления, обусловленные действием приложенных к сварному соединению нагрузок; Кед- значение К в уравнении (4.1) при т„ои = 1; Параметр К зависит от геометрии сварного соединения, микрогеометрии зоны перехода от шва к основному металлу, и является постоянной величиной для конкретной геометрии сварной конструкции и условий ее нагружения (растяжение, изгиб, направление действующей силы).
Значение функции S(q ) зависит от угла ф наклона радиус-вектора, вдоль которого исследуется распределение напряжений.
Как видно из уравнения (4.4) для конструкций с заданным углом У сопряжения поверхностей в зоне перехода от шва к основному металлу коэффициент К является константой, зависящей от остальных геометрических параметров сварной конструкции, что позволяет выразить его значение как: ном (4.6)
Суть предлагаемого метода оценки значения К состоит в следующем. Для конкретной сварной конструкции с угловыми швами путем расчета с помощью МКЭ или измерения на экспериментальных моделях определяют зависимость jy=f(r). Значения К вблизи зоны перехода от шва к основному металлу должны иметь одинаковую величину и, следовательно, полученные результаты расчета в координатах К =F(r) можно аппроксимировать прямой линией с углом наклона равным нулю.
