Расчет сварных соединений при переменных режимах нагружения

В машиностроительных конструкциях большая часть отказов связана с усталостными повреждениями. Размеры швов выбирают из условия равнопрочности Оме и Ме шва при статическом нагружении. Но при действии переменных нагрузок прочность св. соединения понижена.

Это вызвано факторами:

- концентрацией напряжений, обусловленной изменением геометрической формы, дефектами сварки, изменением химического состава и структуры основного металла в околошовной зоне, совместными деформациями швов и соединяемых элементов;

- технологией сварочного процесса (тип и значение св. тока, контроль качества, наличие поверхностного упрочнения);

- наличием и качеством предварительной обработки поверхности св. соединения;

- остаточными напряжениями в св. изделии (в следствии неравномерности нагрева и появления объемных структурных превращений);

- характеристиками переменного нагружения (ассиметрия цикла, число циклов нагружения).

Один из основных показателей прочности св. соединений при переменной нагрузке К_σ – эффективный коэффициент концентрации напряжений т. е. отношение предела выносливости целого образца к пределу выносливости сварного. Наибольшее сопротивление усталости характеризует стыковые соединения К_σ = 1,2…1,6(особенно при снятых усилениях). Значительно понижена при переменных нагрузках прочность соединений, выполненных угловыми швами: для лобовых шво К_σ =1,6…3,2; для фланговых К_σ = 3,4…4,4; для тавровых соединений К_σ = 2,5…4,0.

Эффективным средством повышения прочности св. соединений при переменных нагрузках (более чем в 1,5 раза) является поверхностное пластическое деформирование (наклеп). Имеет значение предварительная подготовка кромок шва. (Так прочность таврового соединения со скосом кромок в 1,5 раз выше, чем без скоса. Для снятия термических остаточных напряжений применяют термообработку (отжиг).

Из диограммы предельных напряжений (Сопротивление материалов) следует зависимость для вычисления предела выносливости:

σ_R = 2σ_-1c/[1+ψ_σ – R(1-ψ_σ)]

где ψ_σ - коэффициент чувствительности св. соединений к ассиметрии цикла

Значение σ_-1c предела выносливости св. деталей намного меньше значений σ_-1 предела выносливости Оме: σ_-1c = σ_-1/K_c

где К_с – коэффициент, понижения предела выносливости св. деталей, учитывающих влияние факторов на сопротивление усталости

Например: K_c = K_σK₁K₂/(K_dK_F)

где К_σ - эффективный коэффициент концентрации напряжений;

К₁ – коэффициент, учитывающий влияние неоднородности металла св. деталей (К₁ = 1,1 – для деталей из проката, поковки, штамповки;

К₁ = 1,2…1,3 – для литых деталей)

К₂ – коэффициент, учитывающий влияние габаритных размеров (К₂ = 1 – при размерах до 250мм; К₂ = 1,0…1,2 при размерах 250…1000мм)

К_d - коэффициент, учитывающий влияние длины l сварного шва (для фланговых швов нахлесточного соединения при l = 40…200мм имеем

К_d = 0,8…0,85

К_F - коэффициет, учитывающий качество поверхности св. соединения

(К_F = 0,8…0,9)

Расчет на сопротивление усталости проводим в форме проверочного путем определения коэффициента S_σ безопасности по нормальным (или S_τ- касательным) напряжениям и сравнивая его с допускаемыми значениями [S]_σ (или [S]_τ) S_σ = σ_RK_N/σ_max≥ [S]_σ

где σ_max = (σ_m σ_a)- максимальное напряжение цикла;

σ_m - среднее напряжение;

σ_a - амплитуда напряжений;

K_N - коэффициент долговечности;

N - число циклов нагружения;

m = 12/K_σ - показатель степени в уравнении кривой усталости.

Значение коэффициента [S]_σ безопасности принимают в зависимости от ожидаемого качества изготовления, ответственности конструкции и эксплуатации подобных конструкций [S]_σ = 1,4…2,5

Дата добавления: 2015-07-08