О производстве литья

Методы расчета на прочность сварных соединений

Расчет на прочность сварных соединений, существует два метода : по допускаемым напряжениям и по предельному состоянию.

Расчет на прочность сварных соединений  по допускаемым напряжениям сводится к сопоставлению расчетных напряжений с допускаемым: Ϭ ≤ [Ϭ]; τ ≤ [ τ ].

Допускаемые напряжения устанавливают  в зависимости от следующих факторов: свойств материалов, степени точности расчета, характера нагрузки, рода усилия (растяжение, сжатие, срез, смятие).

Допускаемое напряжение на растяжение  в машиностроительных конструкциях, работающих при статических нагрузках  [  Ϭ _р ] = Ϭ _τ/n_з,

Где  Ϭ _τ – предел текучести металла; n_з – коэффициент запаса прочности.

Коэффициент запаса прочности учитывает возможность перегрузки, отклонение от норм качества материала и монтажа, условия эксплуатации конструкции. Для деталей из стального проката, поковок и штамповок

n_з = 1,2-1,6.

Допускаемое напряжение на сжатие [Ϭ _сж ] равно или меньше допускаемого напряжения на растяжение -[ Ϭ_p], в зависимости от формы и размеров сжатого элемента [Ϭ _сж ] ≤ [ Ϭ_p].

Допускаемое напряжение на срез [ τ ]=0,6 [ Ϭ_p].

Допускаемое напряжение на смятие [Ϭ_см ]=1.5 [ Ϭ_p].

Для сварных соединений допускаемые напряжения  выбирают в зависимости от технологического процесса. Зависимости для определения  допускаемых напряжений в сварных соединениях машиностроительных конструкций из низко- и среднеуглеродистых сталей  даны в таблице.

Так, допускаемые напряжения для швов, выполненных автоматической дуговой сваркой под флюсом или электродами Э42А, при допускаемом напряжении основного металла [Ϭ] = 160 МПа,  будут иметь следующие значения : [ Ϭ ^҆_p] = 160 МПА; [Ϭ ^҆_сж ] = 160МПа; [ τ ^‘ ]= 100МПа.

Если швы сварены электродами Э42, то [ Ϭ ^҆_p] =144 МПа, [Ϭ ^҆_сж ] = 160МПа, [ τ ^‘ ]= 96МПа.

Допускаемые напряжения в сварочном соединении, которое должно работать в тяжелых условиях, например при высокой температуре, в кислотной и щелочной среде, назначают после проведения  специальных исследований, воспроизводящих условия эксплуатации.

Расчет прочности  сварных соединений по предельному состоянию позволяет раздельно учитывать нагрузки, качество материала, условия работы сварной конструкции.  Сущность этого метода заключается в следующем.  Конструкцию при работе рассматривают  не в рабочем состоянии, а в предельном, т.е.  в таком состоянии, за пределами которого дальнейшая нормальная эксплуатация  конструкции не допустима.  Сварные конструкции рассчитывают  по двум предельным состояниям: по несущей способности и по развитию чрезмерных деформаций. При расчете по несущей способности расчетное напряжение от расчетных усилий не должно превышать расчетного сопротивления металла Ϭ ≤ R.

Расчетное усилие (осевое усилие N, изгибающий момент М и др.) находят по общим правилам  сопротивления материалов и строительной механики от расчетных нагрузок Р. Расчетную нагрузку определяют  как произведение  нормативной нагрузки на коэффициент перегрузки Р=Р^нn.

Коэффициент перегрузки учитывает опасность  превышения нагрузки по сравнению с ее нормативным значением. Значения коэффициента зависят от вида нагрузки. Например, для нагрузки от собственного веса n= 1,0-1,1, для полезной нагрузки мостовых  кранов n= 1,2-1,3, для нагрузки снега n= 1,4 и т.д.

Следовательно, при расчете по первому предельному состоянию рассматривают воздействие на конструкцию не эксплуатационных (нормативных ) нагрузок, а расчетных. Расчетное сопротивление характеризует  несущую способность конструкции. Оно зависит от механических свойств металла, геометрических характеристик сечений (площади сечения F, момента сопротивления W  и др.) и условия  работы конструкции.

Расчетное сопротивление R= kR^нm, где R^н –нормативное сопротивление металла, равное наименьшему значению предела текучести Ϭ_т ; для стали ВСт3 R^н= 210МПа, k – коэффициент однородности металла, учитывающий опасность снижения сопротивления металла  по сравнению с его нормативным значением. Для обычных углеродистых сталей k = 0,9, для низколегированных и алюминиевых сплавов  k = 0,85; m — коэффициент  условий работы, который учитывает возможные отклонения от нормальных условий эксплуатации, а также особенности работы конструкции. Например, при расчете резервуаров для хранения нефтепродуктов  принимают  m=0.8, при расчете подкрановых балок с тяжелым режимом работы m = 0,9.

Значение расчетных сопротивлений для различных сталей при m =1, даны в таблице.

В отдельных случаях для материалов, не обладающих свойствами текучести, нормативное сопротивление принимают равным  пределу прочности.

Для сварочных швов расчетные сопротивления  зависят от технологического процесса сварки и методов контроля качества швов. Значения расчетных сопротивлений для сварных швов даны в таблице.

Основные формулы для расчета  по несущей способности:

При растяжении Ϭ = N/F_нт≤ R;

При изгибе Ϭ =M/W_нт≤R, ,

Где Ϭ – напряжение в элементе конструкции от расчетных нагрузок;N,M – расчетные усилия;  W_нт – расчет сопротивления нетто; R – расчетное сопротивление материала.

Метод расчета по несущей способности более совершенен по сравнению с расчетом по допускаемым напряжениям, так как при этом методе более точно учитывают факторы, влияющие на прочность соединения.

Условием расчета по развитию чрезмерных деформаций является

Δ≤Δ_пр, где Δ – деформация (прогиб), возникающая в результате внешних воздействий (определяют расчетом). Δ_пр – предельная деформация (прогиб) устанавливается нормами  в зависимости от назначения конструкции. Предельные деформации элементов  конструкции даны в таблице.

Расчет прочности основных типов сварных соединений

При расчете предполагают, что напряжение в основном шве  распределяется равномерно. Формулы расчета на прочность сварных соединений даны в таблице  примеров расчета на прочность сварных соединений разных типов, ,  как видно из примеров расчета , можно рассчитать на прочность сварные соединения, как  сварные соединения встык, расчет сварных соединений встык , расчет на прочность сварных соединений внахлестку лобовые и косые швы.

Расчет сварных соединений на выносливость

   При этом расчете допускаемые напряжения  или расчетные сопротивления основного металла и сварных соединений, работающих при повторно-переменных (усталостных) нагрузках, определяют путем  умножения  соответствующих допускаемых напряжений или расчетных  сопротивлений, принятых при статических нагрузках, на коэффициент γ, который для строительных конструкций определяют по формуле

Где a и b – коэффициенты, значения которых приведены в таблице,

β – эффективный коэффициент концентрации, зависит от типа соединения и механической обработки кромок и сварного шва, принимают по таблице;

r = Ϭmin/Ϭmax – характеристика циклов повторно-переменных напряжений; Ϭ max, Ϭ min – наибольшее и наименьшее по абсолютной величине напряжения в элементе, взятые со своими знаками (растяжение- знак плюс, сжатие – знак минус).

Верхние знаки в знаменателе формулы для определения коэффициента γ берут в случае, когда наибольшее по абсолютной величине напряжение является растягивающим; нижние знаки- когда  наибольшее по абсолютной величине напряжение является сжимающим.