Расчет, проектирование и изготовление сварных конструкций. Николаев Г.А. и др. 1971 | Библиотека: книги по архитектуре и строительству

В книге изложены основные вопросы по прочности и расчету сварных соединений и конструкций, сварочным напряжениям и деформациям, технологии производства сварных конструкций и др. Приведено большое количество примеров конструктивных решений. Методика расчета сварных конструкций также иллюстрирована примерами.

Предисловие

Глава I. Вводная

Глава II. Материалы
§ 1. Сорта сталей и алюминиевых сплавов
§ 2. Сортамент

Глава III. Заготовительные операции

Глава IV. Сварные соединения и расчет их прочности при статических нагрузках
§ 1. Принципы расчета строительных конструкций по предельному состоянию
§ 2. Принципы расчета машиностроительных конструкций по допускаемым напряжениям
§ 3. Расчетные сопротивления и допускаемые напряжения при расчете прочности сварных соединений в стальных конструкциях
§ 4.

Допускаемые напряжения для сварных конструкций из алюминиевых сплавов
§ 5. Электродуговые сварные соединения
§ 6. Сварные соединения, выполненные контактной сваркой
§ 7. Соединения при специальных методах сварки
§ 8. Соединения при сварке пластмасс
§ 9. Примеры расчета
§ 10. Комбинированные клепано-сварные соединения
§ 11. Клеено-сварные соединения
§ 12. Паяные соединения
§ 13. Соединения, работающие на изгиб и сложное сопротивление
§ 14. Расчет прочности сварных соединений по рекомендации Международного института сварки (МИС)
§ 15. Условные обозначения сварных швов 106

Глава V. Концентрация напряжений в сварных соединениях и методы ее снижения
§ 1. Общие соображения
§ 2. Распределение напряжений в стыковых швах
§ 3. Распределение напряжений в лобовых швах
§ 4. Распределение напряжений во фланговых швах
§ 5. Распределение напряжений в комбинированных соединениях с лобовым и фланговыми швами

§ 6. Распределение усилий в роликовых соединениях, сваренных контактным способом
§ 7. Распределение усилий в точечных соединениях, сваренных контактным способом
§ 8. Концентрация деформаций в зоне дефектов

Глава VI. Деформации, напряжения и перемещения, вызываемые процессом сварки
§ 1. Деформации и напряжения при неравномерном нагреве и остывании
§ 2. Свойства металлов при высоких температурах. Распределение температур при сварке
§ 3. Образование деформаций, напряжений и перемещений при сварке
§ 4. Остаточные напряжения в сварных соединениях
§ 5. Деформации и перемещения в сварных соединениях н конструкциях
§ 6. Остаточные напряжения и перемещения, возникающие в элементах оболочек
§ 7. Экспериментальные методы определения сварочных деформаций, напряжений и перемещений

Глава VII. Методы снижения остаточных напряжений и деформаций в сварных конструкциях
§ 1. Общие замечания
§ 2. Уменьшение остаточных напряжений
§ 3. Способы уменьшения сварочных деформаций и перемещений
§ 4. Особенности уменьшения напряжений и перемещений при сварке элементов тонкостенных оболочек

Глава VIII. Технологическая прочность сварных соединений и методы ее повышении
§ 1. Образование в сварных соединениях горячих (кристаллизационных) трещин
§ 2. Образование в сварных соединениях холодных трещин

Глава IX. Статическая прочность сварных соединений
§ 1. Общие положения
§ 2. Прочность сварных соединении
§ 3. Повышение статической прочности

Глава X. Усталостная прочность сварных соединений и методы ее повышения
§ 1. Прочность основного металла при переменных нагрузках

§ 2. Прочность сварных соединении из стали, выполненных дуговой сваркой, при переменных нагрузках
§ 3. Усталостная прочность сварных соединений элементов больших толщин
§ 4. Усталостная прочность сварных соединений при контактной сварке
§ 5. Усталостная прочность сварных соединений из цветных сплавов, сваренных дуговой сваркой
§ 6. Методы повышения прочности сварных соединений при переменных нагрузках
§ 7. Допускаемые напряжения при работе конструкций под переменными нагрузками

Глава XI. Хрупкие разрушения сварных соединений
§ 1. Общие положения
§ 2. Причины хрупких разрушений сварных конструкций
§ 3. Прочность сварных соединении при ударе
§ 4. Предупреждение хрупких разрушений

Глава XII. Конструктивная прочность сварных изделий
§ 1. Понятие о конструктивной прочности
§ 2. Влияние схемы напряженного состояния

§ 3. Влияние концентраторов напряжении
§ 4. Влияние пониженной температуры
§ 5. Влияние пластической деформации и деформационного старения
§ 6. Пути повышения конструктивной прочности

Глава XIII. Общие принципы рационального проектирования и изготовления сварных конструкций
§ 1. Рациональное проектирование и изготовление конструкций
§ 2. Выбор материалов для сварных конструкции
§ 3. Рациональное построение технологических процессов изготовления сварных конструкции
§ 4. Сборочно-сварочные операции и проектирование приспособлений

Глава XIV. Балки
§ 1. Общие сведения о балках
§ 2. Схема расчета балок
§ 3. Определение расчетных усилии в балках метолом линий влияния
§ 4. Расчет жесткости и прочности
§ 5. Общая устойчивость
§ 6. Местная устойчивость

§ 7. Ребра жесткости
§ 8. Работа на кручение
§ 9. Расчет с учетом пластических деформации
§ 10. Сварные соединения
§ 11. Стыки
§ 12. Применение штампованных и гнутых профилей
§ 13. Применение алюминиевых сплавов
§ 14. Опорные части
§ 15. Результаты испытании
§ 16. Примеры сварных конструкций
§ 17. Пример расчета и конструирования балки

Глава XV. Стойки
§ 1. Типы поперечных сечений
§ 2. Устойчивость стоек со сплошными поперечными сечениями
§ 3. Прочность и устойчивость стоек с составными поперечными сечениями
§ 4. Соединительные элементы
§ 5. Стыки
§ 6. Базы и оголовки
§ 7. Примеры стоек

Глава XVI. Изготовление конструкций балочного типа
§ 1. Изготовление балок двутаврового сечения

§ 2. Пример проектирования оснастки поточной линии сборки и сварки двутавровых балок
§ 3. Изготовление конструктивных элементов двутаврового сечения
§ 4. Изготовление балок коробчатого сечения
§ 5. Приемы выполнения стыков балок

Глава XVII. Сварные рамы
§ 1. Типы соединений элементов рамы
§ 2. Соединения балок в рамах с дополнительными усилениями
§ 3. Соединения балок со стойками
§ 4. Точечные соединения рам, работающих на изгиб
§ 5. Сварные рамы и станины
§ 6. Рамы под двигатели
§ 7. Изготовление рам

Глава XVIII. Решетчатые конструкции (фермы)
§ 1. Типы ферм
§ 2. Определение нагрузок и усилии стержней
§ 3. Линии влияния усилии стержней
§ 4. Поперечные сечения стержней
§ 5. Сечения сжатых и растянутых поясов, раскосов и стоек

§ 6. Узлы ферм
§ 7. Специальные конструкции ферм
§ 8. Стыковые соединения поясов
§ 9. Сварные легкие прутковые фермы
§ 10. Применение алюминиевых сплавов в сварных конструкциях ферм
§ 11. Пример расчета алюминиевой фермы
§ 12. Пример расчета стальной фермы
§ 13. Применение пайки
§ 14. Пример расчета кранового моста
§ 15. Изготовление решетчатых конструкций

Глава XIX. Листовые конструкции (расчет и проектирование)
§ 1. Вертикальные цилиндрические резервуары
§ 2. Покрытии цилиндрических резервуаров
§ 3. Резервуары со сферическими днищами
§ 4. Сферические и каплевидные резервуары
§ 5. Цистерны
§ 6. Местные напряжения в листовых конструкциях
§ 7. Газгольдеры
§ 8. Применение алюминиевых сплавов для изготовления резервуаров и цистерн
§ 9. Конструкции металлургического и других комплексов
§ 10. Котлы и сосуды, работающие под давлением
§ 11.

Трубы и трубопроводы

Глава XX. Листовые конструкции (технология изготовления)
§ 1. Негабаритные емкости и сооружения
§ 2. Сосуды, работающие под давлением
§ 3. Изготовление сварных труб
§ 4. Сварка труб и трубопроводов
§ 5. Корпусные листовые конструкции

Глава XXI. Сварные детали машин (расчет и конструирование)
§ 1. Типы сварных деталей машин
§ 2. Барабаны
§ 3. Корпуса редукторов
§ 4. Шестерни и шкивы

Глава XXII. Сварные детали машин (технология изготовления)
§ 1. Детали тяжелого и энергетического машиностроения
§ 2. Детали общего машиностроения
§ 3. Сварка деталей приборов

Глава XXIII. Сварные соединения стержней и рельсов
§ 1. Сварные соединения арматуры железобетона
§ 2. Изготовление арматурных сварных конструкций
§ 3. Сварка стыков рельсов

Глава XXIV. Механизация и автоматизация сварочного производства

§ 1. Механизация транспортных операций
§ 2. Механизация заготовительных операций
§ 3. Механизация и автоматизация сборочно-сварочных операций

Литература

Методы расчета сварных соединений на прочность

Применяемые в настоящее время методы расчета сварных соединений на прочность носят условный характер, так как не учитывают концентрации местных напряжений, а в расчет принимаются так называемые номинальные напряжения.  [c.176]

МЕТОДЫ РАСЧЕТА СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ НА ПРОЧНОСТЬ  [c.24]

Расчет сварных соединений на прочность. Проектирование сварных конструкций осуществляется на основании расчетов, которые сводятся в основном к определению напряжений в различных элементах свариваемых конструкций. Существуют два метода расчета на прочность по допускаемым напряжениям и по предельному состоянию.  

[c.20]

Расчет сварных соединений на прочность. Проектирование сварных конструкций осуществляется на основании расчетов, которые сводятся в основном к определению напряжений в различных элементах свариваемых конструкций. Существуют два метода расчета на прочность по допускаемым напряжениям и по предельному состоянию. При расчете конструкций по допускаемым напряжениям расчетное напряжение сравнивается с допускаемым и условие прочности имеет вид а [сг], где а — напряжение в опасном сечении [а] — допускаемое значение напряжения. Допускаемое напряжение устанавливается в зависимости от свойств материала, характера нагрузки и других факторов.  [c.21]

И. МР 170—85. Расчеты и испытания на прочность. Методы механических испытаний металлов. Определение характеристик вязкости разрушения (трещиностойкости) сварных соединений при статическом нагружении. — М. ВНИИНМАШ, 1985. — 52 с.  [c.310]

Традиционно считают основными два метода расчета сварных х>единений на статическую прочность и на прочность при переменных нагрузках. Применение их регламентировано различными нормативными документами, которые обязательны д ля типового проектирования. В качестве одного из основных требований при разработке нормативных документов до последнего времени было обеспечение простоты расчета. В некоторых случаях это достигалось ценой снижения экономичности и долговечности сварных конструкций. Работы последнего периода в основном направлены на устранение указанных двух недостатков. Во-первых, вводится учет различной прочности отдельных участков соединения в зависимости от направления силы в них. Это в ряде случаев позволяет проектировать конструкции более экономичными в отношении объема наплавляемого металла. Во-вторых, ведутся работы и достигнуты успехи в создании численных методов расчета, позволяющих учесть концентрацию деформаций и напряжений в сварных соединениях, что открывает возможность применения более прочных, но менее пластичных присадочных металлов. Одновременно это позволяет проводить обоснованные расчеты на статическую прочность в условиях понижения пластичности материала при применении высокопрочных металлов и в условиях низких температур.  [c.495]

Методические указания. Расчеты и испытания на прочность. Расчетно-экспериментальные методы оценки сопротивления усталости сварных соединений. РД-50-551-85. М. Издательство стандартов. 1986. 52 с.  [c.560]

РД 26-6-87. Методические указания. Сосуды и аппараты стальные. Методы расчета на прочность с учетом смещения кромок сварных соединений, угловатости и некругло-сти обечаек.  [c.269]

Существующие методы расчета на прочность не учитывают фактора механической неоднородности. Между тем, в большинстве случаев разрушения сварных соединений аппаратов происходят в области твердых, охрупченных участков зоны термического влияния. Следует также помнить, что локальный сварочный нагрев приводит к возникновению остаточных напряжений, способствующих повышению уровня напряженности металла.  [c.368]

Основной причиной, тормозившей развитие электросварочного дела, было недоверие к прочности сварных соединений и сомнение в возможности получения с должной гарантией сварных стыков, не уступающих по своей прочности клепаным. Эта неуверенность в прочности сварных швов была главным возражением против решительной и смелой замены заклепок сваркой. Этому способствовало также отсутствие установленных и принятых практикой методов расчета и норм, недостаточная четкость установления влияния различных факторов, сопровождающих процесс сварки, на качество швов и т. д.  [c.116]

Прочность при соединении укрепляющих элементов к барабану или камере должна быть проверена расчетом. Сварной шов рассчитывается на срез при допускаемом напряжении, равном 70% от допускаемого напряжения при растяжении. При присоединении укрепляющих элементов автоматической сваркой под слоем флюса или другим методом, обеспечивающим глубокое проплавление листа, расчетная высота шва принимается равной его катету.  [c.201]

Приведенный выше инженерный метод расчета малоцикловой прочности в номинальных напряжениях требует достаточно сложных экспериментальных исследований на натурных узлах и соединениях конструкций в зависимости от целого ряда факторов вида и способа нагружения, характеристик цикла, температуры, технологии изготовления и т. п. В связи с этим упомянутый выше расчет по местным деформациям (см. гл. 1 и 11) является более универсальным, так как он основан на результатах испытаний лабораторных образцов, используемых для оценки прочности конструкций в зонах концентрации напряжений. Применимость деформационных подходов к расчету сварных конструкций определяется наличием данных по теоретическим коэффициентам концентрации напряжений в сварных швах, циклическим свойствам материала различных зон сварного соединения и по уровню остаточных сварных напряжений. В 2 приведены предложения по определению коэффициентов концентрации напряя ений и деформаций в стыковых и угловых швах листовых конструкций. Для стержневых конструкций, выполняемых из фасонного проката, необходимы дополнительные исследования напряжений и деформаций в зонах их концентрации. Свойства строительных сталей при малоцикловом нагружении изучены достаточно подробно, и по ним получены величины параметров для построения расчетных кривых  [c.189]

Раздел 8 в первом издании входил в третью книгу Тепловые и атомные электростанции . Перенос его в первую книгу второго издания обусловлен введением нового (девятого) раздела Расчет на прочность элементов конструкций теплотехнического оборудования . В этом разделе приводятся рекомендации и данные для расчетов на прочность обечаек, днищ и крышек, укрепляющих элементов сосудов и аппаратов труб и трубопроводов болтовых и сварных соединений и т. п. Нормы и методы расчетов даются в соответствии с действующими государственными и отраслевыми стандартами и многолетней практикой инженерных расчетов. С учетом предлагаемых здесь сведений будут пересмотрены соответствующие материалы прикладных разделов справочников, входящих в данную серию.  [c.9]

Принятые в практике методы расчета прочности сварных соединений приближенны. Они дают возможность получить решение с меньшей затратой времени, однако нуждаются в дополнительной корректировке, основанной на опыте, накопленном в процессе изготовления, эксплуатации и экспериментальной отработки конструкций.  [c. 362]

Проблема улучшения конструкции сварных соединений решается путем разработки и внедрения мер по совершенствованию формы сварного соединения, а также совершенствования методов расчета на прочность, учитывающих неоднородность свойств различных зон сварного соединения и концентрацию напряжений в изделии. Расчетные методы заключаются в основном в введении поправочного коэффициента прочности. Точность выбора коэффициентов во многом определяет работоспособность сварных соединений.  [c.152]

В книге рассматриваются конструктивные и технологические причины возникновения в сварных конструкциях концентрации напряжений, приводятся экспериментальные данные о напряженном состоянии различных соединений и узлов и о влиянии, которое оно оказывает на их прочность при различных условиях эксплуатации, даются практические рекомендации по снижению концентрации напряжений. Приводятся методы расчета, которые позволяют учитывать влияние концентрации напряжений в зависимости от конструктивных различий отдельных соединений и узлов, технологических особенностей их изготовления, а также от различий в условиях их работы под нагрузкой.  [c.2]

Принятый здесь метод учета осреднения местных напряжений может быть использован при расчетном определении значений эффективных коэффициентов концентрации напряжений. Предложенные формулы позволяют учитывать влияние формы и размеров сварных соединений. Изменение свойств металла околошовной зоны может быть учтено выбором соответствующей структурной характеристики материала. Другие факторы, оказывающие влияние на прочность сварных соединений (например, остаточные напряжения), могут также быть учтены соответствующим расчетом. Таким образом, предложенные здесь формулы при дополнительном учете других факторов могут найти свое практическое применение.  [c.157]

Существующие методы расчетов прочности, как правило, не учитывают воздействия, оказываемого на конструкцию при ее изготовлении. Поэтому в обычно выполняемых расчетах прочности, как правило, исходят из нормативных свойств материала. При этом не учитываются изменения, вызываемые процессом сварки, а также наличие в сварных соединениях неоднородности свойств в различных зонах. Расчеты прочности ведут, ориентируясь на то напряженное состояние, которое диктуется только внешней нагрузкой, и не учитывают  [c.94]

Выбор конструкционных материалов и прочностной расчет элементов трубопроводов (определение толщины стенок, расчет разъемных и сварных соединений, их обтюрация) [20, 47] производятся аналогично расчетам сосудов, работающих под давлением (см. п. 2.13.4). При этом используют как проектировочный, так и проверочный методы расчетов. С точки зрения расчета на жесткость и прочность, под действием внешних на-  [c.500]

Оценку свариваемости следует производить не по абсолютным значениям свойств сварного соединения, а по процентному отношению их к соответствующим свойствам основного металла в исходном состоянии (до сварки). Вряд ли следует стремиться к сколько-нибудь значительному превышению свойств сварного соединения по сравнению с основным металлом, так как такое улучшение свойств нельзя использовать (поскольку расчет сооружений на прочность и в этом случае ведется по свойствам основного металла), а метод сварки при этом значительно усложняется.  [c.222]

Неоправданное назначение операции термообработки может существенно увеличить трудоемкость изготовления изделия, в особенности в условиях серийного производства. С другой стороны, применение термообработки нередко заметно улучшает механические свойства и структуру сварных соединений, способствуя повышению их работоспособности. Решение об отказе от применения термообработки или, напротив, о необходимости ее использования определяется химическим составом металла, выбором метода сварки и присадочного металла, конструктивным оформлением соединений и узлов, требованиями к механическим свойствам, условиям эксплуатации и т. д. Это решение проектировщику приходится принимать еще на стадии проработки технического проекта при выборе величины допускаемого напряжения, необходимого для выполнения расчетов на прочность.  [c.29]

Применение сварки в изготовлении подъемно-транспортных машин (ПТМ) привело к заметному изменению геометрических форм конструкций, созданию новых методов расчета как конструкций в целом, так и отдельных сварных элементов и узлов. Широко внедряются конструкции коробчатого, оболочкового и сложных сечений, составленные из листовых элементов. Они оказываются часто экономичнее решетчатых и проще в изготовлении. В решетчатых конструкциях используют замкнутые трубчатые, в том числе гнутые сварные профили, вместо традиционных прокатных швеллеров и углового профиля. Несмотря на многообразие видов подъемнотранспортных машин, работа их металлических конструкций имеет много общего. Это позволяет использовать единые принципы расчета, проектирования и оценки прочности элементов и соединений. Опыт эксплуатации крановых сварных металлоконструкций показывает, что определяющим фактором, от которого зависит их надежность, является выносливость.  [c.235]

МИС рекомендует некоторые методы расчета прочности сварных соединений и конструкций. Расчеты составлены на основе экспериментов, проведенных главным образом голландскими учеными по изучению механических свойств швов под действием нормальных и касательных напряжений. Построены диаграммы, характеризующие прочностные свойства при нормальных сжимающих, срезывающих и нормальных растягивающих напряжениях. Особое внимание при этом уделено расчету угловых швов.  [c.102]

В первой книге рассмотрены вопросы прочности и пластичности сварных соединений в условиях низких и высоких температур, при статических и переменных нагрузках, методы расчета их на прочность, а также деформации конструкций от сварки.  [c.1]

Учебное пособие состоит из двух частей. В первой части рассмотрены вопросы прочности и пластичности сварных соединений при статических и переменных нагрузках в условиях низких и высоких температур, методы расчета их на прочность, а также деформации конструкций от сварки. Во второй части рассмотрены конструктивные особенности различных типов сварных изделий, вопросы технологии их изготовления, расчета и проектирования, а также автоматизации производства и применения ЭВМ в расчетах и проектировании конструкций.  [c.3]

Процедура поверочного расчета сварных соединений на статическую прочность по рассмотренному методу состоит в следующем. Сначала для отдельных участков шва необходимо определить коэффициенты увеличения прочности С. Напрнмер, для нахлесточного соединения на рнс. 2.44, а для фланговых швов / Сх = 1 для лобового шва 2, у которого угол а = О, согласно диаграмме на рнс. 2.42 Сг = 1,5. Затем надо найтн расчетную площадь среза Р р. Расчетная площадь среза в соединении на рис. 2.44, а составит  [c.65]

Четвертый метод расчета сварных соединений с угловыми швами на статическую прочность (см. 8.1) предусматривает учет концен+рации напряжений и деформаций в зависимости от формы и размеров швов. Использование этого метода невозможно, если пользоваться только характеристиками прочности и пластичности, рассмотренными выше. Ввиду недостаточной мощности обычно используемых ЭВМ для одновременного определения в еловых сварных соединениях концешрации напряжений первого и второго вида расчет распадается на две стадии. Первая стадия расчета напряженно-деформированного состояния фактически совпадает с расчетом НДС в третьем методе.  [c.271]

Представленная выше формула (8,3.2) может быть использована при расчете сложных сварных соединений на прочность по кинематической модели расчета, когда тела считаются абсолютно жесткими, а пластичность швов во внимание не принимается. При ограниченной пластичности швов црочность сложного сварного соединения зависит от пластичности отдельных участков соединения, В третьем методе расчета на прочность, в котором учитьшается податливость основного металла и швов, предполагается, чго при эксплуатационных нафузках в наиболее опасных точках соединения может быть вычислен как фактический запас прочности, так и фактический запас пластичности. Очевидно, чго при одинаковых запасах прочности предпочтение должно бьггь отдано соединениям с более высокой пластичностью. Приводимые ниже расчетные формулы позволяют по небольшому числу экспериментальных значений пластичности угловых швов определить их пластичность гфи произвольном напранлении силы.  [c.283]

При любой из этих величин (39 50,7 45,6 тс) образец должен был разрушиться по основному металлу соединяемых листов, предельная нагрузка которых равна 31—32 тс, однако этого не произошло. Образец разрушился от последовательного среза электрозаклепок, начиная с крайних, показав предельную нагрузку Рд = 25,2 тс. Аналогичное явление было и с образцами, имеющими пять, шесть и семь электрозаклепок. Увеличение количества электрозаклепок сверх пяти не дает повышения предела прочности соединений. Этот результат однозначно отвечает на вопрос многих исследователей о влиянии неравномерности распределения срезывающих усилий в сварных точечных соединениях на предельную прочность этих соединений. Следовательно, общепринятый метод расчета таких соединений, исходящий из равномерного распределения усилий среза между сварными точками, является не совсем верным. На фиг. 58 показано изменение прочности свар-  [c.90]

Однако с> шествующие методы расчета на прочность сферических сосудов, работающих в условиях нагружения внлтренним или наружным давлением /68, 146/ не учитывают фактор механической неоднородности различных участков сварных соединений, что не позволяет дать достоверн то оценку эксплуатационной надежности толстостенных  [c. 229]

Достигнутые результаты научных исследований прочности в машиностроении нашли практическое приложение в создании новых и усовершенствовании суш ествующих методов расчета и испытания деталей машин и элементов конструкций, широко используемых промышленностью. Эти результаты, а также опыт расчета на прочность и конструирование деталей машин получили обобш ение в ряде монографий, руководств, справочников и учебников, подготовленных отечественными учеными за 50 пет Советской власти, что способствовало использованию на практике новых данных теоретических и экспериментальных работ. В ряде отраслей опубликованы руководства по прочности валов и осей, резьбовых соединений, пружин, зубчатых колес, лопаток и дисков турбомашин, корпусов котлов и реакторов, трубопроводов, сварных соединений и др. Разработанные методы расчета на основе исследований прочности оказали суш,ественное влияние на улучшение конструкций деталей машин. Они количественно показали значение для прочности деталей уменьшения концентрации напряжений, снижения вибрационной напряженности, ослабления коррозионных процессов, улучшения качества поверхности, роль абсолютных размеров и многих других факторов.  [c.44]

При диагностике барабанов выполняются визуальный осмотр и инструментальная дефектоскопия, в которую включаются УЗД клепаных и сварных соединений, оценка коррозионного — износа, выявление трещин в основном металле обечаек, днищ и лазов с помощью МПД или пенитратов. В некоторых случаях измеряется прогиб барабана и овальность поперечного сечения. При длительных наработках времени определяются механические свойства основного металла, а на клепаных швах — также механические свойства заклепок. Учитывая особое значение барабанов для безопасности персонала и оборудования, на заключительной стадии диагностики выполняются поверочные расчеты их на прочность. Перечисленные методы редко применяются одновременно.  [c.163]

Данные для предельного состояния, вычисленные по приведенной схеме, совп ь дают с результатами испытаний. Применение этой схе лы для определения разрушающих нагрузок приводит в случае преобладающей доли изгибающего момента с существенным отклонениям от опытных данных, полученных как при кратковременных испытаниях при комнатной температуре, так и длительных в условиях ползучести. Изгибающая нагрузка мало сказывается (при принятых методах расчета) на величине разрушающего давления. Чувствительными к изгибным напряжениям оказались поперечные сварные соединения, имеющие пониженную пластичность. В связи с изложенным для оценки влияния дополнительных напряжений в нормах приняты формулы, выведенные для предельного состояния. Пониженная сопротивляемость сварных стыков изгибу учтена при определении изгибных напряжений введением коэффициента прочности сварных соединений при изгибе ф . Рекомендуемые значения коэффициента приняты по опытным данным и подлежат в дальнейшем уточнению.  [c.301]

В данной книге рассматриваются строение и свойства сталей, используемых для изготовления паровых и водогрейных котлов, трубопроводов пара и горячей воды, а также сосудов, работающих под давлением, описываются применяемые в энергетике стали и влияние технологических процессов и условий эксплуатации на структуру и показатели прочности металла. Значительное внимание уделяется строению и свойствам сварных соединений, сообщаются основные результаты исследований высокотемпературной газовой коррозии экранов, щирмовых пароперегревателей и конвективных поверхностей нагрева мощных паровых котлов помещена информация о коррозионных процессах в водной среде и низкотемпературной сернистой коррозии, излагаются мероприятия, позволяющие защитить трубную систему котлов от интенсивных коррозионных поражений, основные положения нормативных методов расчета на прочность элементов котлов, трубопроводов и сосудов, работающих под давлением.  [c.7]

Проектирование сварных конструкций имеет свои специфические особенности. Сварка — не только технологический процесс получения заготовок разнообразной формы и сложности, предназначенных для последующей механической обработки. Сварка — это в первую очередь метод сборки и монтажа конструкций из отдельных элементов, выполняющих различные функции. Высокие эксплуатационные характеристики сварных изделий — результат ра-цпональных конструктивных решений и совершенства технологического процесса сборки и сварки. Потребности в создании ранее неизвестных сочетаний деталей, их свойств и служебных назначений рождают новые технологические приемы сварки, последние в свою очередь открывают для конструкторов новые возможности. В результате многолетних усилий проектировщиков и исследователей установлены рациональные формы сварных соединений, обоснованы методы их расчета на прочность. Итогом этой огромной работы яатяются многочисленные публикации в нашей и зарубежной литературе.  [c.3]

Выбор метода сварки обычно включает назначение типа сварного соединения, приемов его выполнения и применяемого присадочного металла. Эти данные предопределяют механические свойства сварного соединения и величину допускаемого напряжения, что необходилю для выполнения расчетов на прочность. Для завершения технического проекта этих данных оказывается достаточно.  [c.25]

Изложенный ранее в настоящей главе метод расчета прочности сварных соединений с угловыми швами ориентируется на минимальную прочность шва, когда он работает на срез вдоль своей оси, т. е. как 4 анговый.  [c.63]

---

Конструкция и расчет сварных соединений

Цель работы: ознакомиться с основами технологического процесса получения сварных соединений, видами соединений, типами сворных швов и методами расчета.

Технические средства: чертежи сварных соединений.

Исходные данные: задание.

Сварные соединения Общие сведения

Сварка — это технологический процесс соединения металлических деталей, основанный на использовании сил молекулярного сцепления и происходящий при сильном местном нагреве их до расплавленного (сварка плавлением) или пластического состояния с применением меха­нического усилия (сварка давлением). Она является одним из самых рас­пространенных современных прогрессивных способов получения раз­личных машиностроительных, строительных и других конструкций. Сваркой изготовляют станины, рамы и основания машин, корпуса ре­дукторов, зубчатые колеса, шкивы, звездочки, маховики, барабаны, фермы, балки, колонны, паровые котлы, цистерны, различные резер­вуары, трубы, корпуса речных и морских судов и т. п.

Затвердевший после сварки металл, соединяющий сваренные детали, называется сварным швом.

В настоящее время освоена сварка всех конструкционных сталей (включая высоколегированные), чугуна, медных, алюминиевых и других сплавов цветных металлов, а также некоторых пластмасс.

По сравнению с клепаными и литыми сварные конструкции обеспе­чивают существенную экономию металла и значительно снижают тру­доемкость процесса изготовления. Применение сварки особенно целесообразно при изготовлении конструкций сложной формы, отдельные детали ко­торых получают прокаткой, ковкой, штамповкой и отливкой.

К недостаткам сварных конструкций относятся: появление оста­точных напряжений в свариваемых элементах после окончания процесса сварки, коробление, плохое восприятие переменных и особенно вибра­ционных нагрузок, сложность и трудоемкость контроля качества сварных швов.

Целесообразность применения свар­ки при изготовлении деталей машин устанавливают в каждом отдельном случае на основании конструктивных и экономических показателей с учетом технологических возможностей предприятия.

Из большого разнообразия существующих видов сварки в машино­строении применяют: ручную дуговую сварку плавящимся электродом, автоматическую дуговую сварку плавящимся электродом под флюсом, электрошлаковую сварку и контактную сварку — стыковую, шовную и точечную. Первые три способа относятся к сварке плавлением, по­следний — к сварке плавлением или давлением.

Ручная дуговая сварка плавящимся электродом, при которой подача электрода и перемещение дуги вдоль свариваемых кромок осущест­вляются вручную. Нагрев производится электрической дугой между из­делием и электродом. Электрод, расплавляясь при сварке, служит при­садочным материалом для образования сварного шва. При данном способе возможна сварка стальных деталей толщиной 1…60 мм и бо­лее. Этот вид сварки применяют для конструкций с короткими и не­удобно расположенными сварными швами, а также в единичном производстве.

Автоматическая дуговая сварка плавящимся электродом под флю­сом, при которой подача электрода и перемещение дуги вдоль свари­ваемых кромок механизированы. Дуга горит под слоем сварочного флюса. В состав флюса входят шлакообразующие, легирующие и раскислительные составляющие, благодаря чему этот вид сварки обеспечи­вает высокую производительность процесса и высокое качество шва. При нем возможна сварка деталей толщиной 2… 130 мм и более. Этот вид сварки экономически наиболее целесообразен при непрерывных прямолинейных и кольцевых швах значительной протяженности и осо­бенно в крупносерийном и массовом производстве различных конструк­ций.

Электрошлаковая сварка — сварка плавлением, при которой для на­грева металла используется теплота, выделяющаяся при прохождении электрического тока через расплавленный шлак. Этот способ является

самым производительным для сварки стальных листов толщиной 40…50 мм. Эффективность сварки возрастает с увеличением толщины свариваемых листов. Этим способом сваривают стальные и чугунные изделия толщиной до 1 м и выше, как, например, станины прокатных станов, прессов, молотов и т. п.

Стыковая контактная сварка основана на нагреве стыкуемых тор­цов деталей теплотой, выделяющейся при прохождении электрического тока. Нагрев торцов деталей производится либо до оплавления их (сварка плавлением), либо до пластического состояния с последующим сдавливанием деталей (сварка давлением). Этот способ сварки самый производительный и рентабельный при массовом и крупносерийном производстве. Шовная контактная сварка, при которой соединение эле­ментов выполняется внахлестку вращающимися дисковыми электрода­ми в виде непрерывного или прерывного шва, применяется для получе­ния герметичных швов в тонколистовых конструкциях (различные сосуды). Точечная контактная сварка, при которой соединение элемен­тов происходит на участках, ограниченных площадью торцов электро­дов, применяется для тонколистовых конструкций, в которых не тре­буется герметичность швов.

Проектирование и расчет сварных конструкций

Основы прочности

Типы кристаллических решеток конструкционных материалов. Упругие и пластические де­формации металлов. Виды разрушений: вязкое, хрупкое, квазихрупкое разрушения. Условия перехода от вязкого к хрупкому разрушению. Виды напряженного состояния. Линейное, плоское и объемное напряженное состояние. Физическое представление о прочности. Ин­женерное понятие прочности. Критерии прочности. Задачи теории прочности. Классические критерии прочности. Критерий наибольших нормальных напряжений (первая теория прочно­сти). Критерий наибольших линейных деформаций (вторая теория прочности). Критерий наибольших касательных напряжений (третья теория прочности). Критерий удельной потен­циальной энергии формоизменения (четвертая теория прочности). Понятие предельного со­стояния конструкции. Виды предельных состояний: наступление разрушения, развитие чрезмерных деформаций, образование трещин.

Основы расчета сварных швов.

Типы сварных швов и соединений. Неоднородности сварных швов и соединений. Механиче­ская неоднородность и причины ее возникновения. Геометрическая неоднородность свар­ных соединений. Концентрация напряжений в различных типах сварных соединений. Соеди­нения с мягкой прослойкой. Влияние мягкой прослойки на прочность сварного соединения. Соединения с твердой прослойкой. Влияние твердой прослойки на прочность сварного со­единения. Деформационное состояние металла шва при нагружении. Модели твердого те­ла. Идеально упругое, упрого-пластическое и пластическое тело. Модель вязкоупругого те­ла. Выбор критерия прочности для сварных швов. Методики расчета на прочность сварных швов. Методика расчета по предельному состоянию. Условие прочности. Расчетные нагруз­ки. Коэффициент перегрузки. Несущая способность. Коэффициент условия работы конст­рукции. Расчетное сопротивление металла. Методика расчета по допускаемым напряжени­ям. Понятие допускаемого напряжения. Коэффициент запаса прочности. Условие прочности. Сравнитепьный анализ методик и области их применения

Механика разрушения

Введение. Основные задачи и концепции механики разрушения. Примеры катастрофических разрушений сварных конструкций. Виды разрушения и определяющие разрушение парамет­ры. Характеристика хрупкого, квазихрупкого, вязкого и смешанного разрушений. Критерии разрушения. Энергетический критерий Гриффитса. Поверхностная энергия при разрушении. Концепция квазихрупкого разрушения Орована. Сиповой критерий Ирвина. Типы хрупких трещин. Разрыв компонентов вектора перемещений на фронте разрушения трещины. Ко­эффициент интенсивности напряжений (КИН) у вершины трещины. Методы расчета КИН для типовых задач теории трещин хрупкого разрушения. Деформационный критерий разру­шения Панасюка. Пластическая деформация в вершине трещины. Форма и размеры ппасти — ческой зоны. Раскрытие трещины в вершине. Методы расчета раскрытия трещины. Эффек­тивная длина трещины. Трещиностойкость материала. Методы экспериментапьного опре­деления трещиностойкости материалов Использование малогабаритных образцов для оп­ределения критического раскрытия трещины Влияние граничных условий на КИН и раскры­тие трещины. Особенности сварочных задач теории трещин хрупкого разрушения.

Поведение сварных конструкций при статических нагрузках

Виды нагружения конструкций. Понятие статического нагружения. Поведение металлов при статическом нагружении. Виды предельных состояний (отказов) при статическом нагруже­нии. Перемещения и напряженное состояние при статическом нагружении. Закон Гука дпя разпичных спучаев нагружения. Классификация сварных конструкций. Конструкции стержне­вого типа. Конструкции бапочного типа. Обопочковые конструкции. Опредепение перемеще­ний и напряжений в конструкциях различного типа. Перемещения и напряжения при осевом нагружении. Перемещения и напряжения при изгибе. Устойчивость стержневых систем По­ведение оболочковых конструкций. Тонкостенные оболочковые конструкции. Уравнение Ла­пласа. Материалы для сварных конструкций при статическом нагружении.

Сварные конструкции с неподвижными статическими нагрузками

Основные типы сварных соединений конструкций. Соединения выполненные сваркой ппавпением (стыковые, тавровые, нахлесточные) и сваркой давлением (точечные, шовные).

Проектирование (расчет на прочность) сварных стыковых соединений при действии осевой нагрузки, моментов и совместного действия осевой силы и моментов. Проектирование на — хлесточных соединений с лобовым швом на действие осевой силы, момента и совместного действия осевой силы и момента. Проектирование нахлесточных соединений с фланговыми швами на действие осевом силы, моментов и совместного их действия. Проектирование комбинированных нахлесточных соединений. Расчет прочности по полярному моменту инерции. Расчет прочности по методу разделения на составляющие. Проектирование то­чечных сварных соединений (одноточечных и многоточечных). Проектирование соединений, выполненных шовной сваркой. Примеры расчета.

Поведение сварных конструкций при динамических нагрузках

Понятие динамического нагружения. Поведение металла при динамическом нагружении. Явление усталости металлов. Понятие предела усталости (выносливости). Факторы, влия­ющие на сопротивление усталости. Диаграмма усталости Смита. Характер переменной нагрузки. Роль факторов, обусловленных сваркой. Концентрация напряжений и деформа­ции. Эффективный коэффициент концентрации напряжений. Неоднородность механических свойств. Роль остаточных напряжений. Методы повышения усталостной прочности. Терми — ческая обработка сварных конструкций. Поверхностная обработка сварных соединений. Долговечность соединений при малоцикловом нагружении. Сопротивление усталости свар­ных соединений в многоцикловной области. Влияние на усталостную прочность дефектов сварки (поры, подрезы, непровары).

Конструирование динамически нагруженных сварных конструкций

Методика расчета на прочность сварных соединений. Назначение расчетных сопротивлений и допускаемых напряжений при динамическом нагружении. Коэффициент занижения допус­каемых напряжений. Сопротивление усталости сварных соединений, выполненных дуговой сваркой. Пределы выносливости различных видов сварных соединений. Эффективные ко­эффициенты концентрации напряжений для сварных соединений Сопротивление усталости сварных соединений, выполненных сваркой давлением. Принципы проектирования конст­рукций, предназначенных для работы при переменных нагрузках. Главные принципы проек­тирования. Выбор материала для сварных конструкций при динамическом нагружении, При­меры расчета.

Конструирование термодинамически нагруженных конструкций

Изменение механических свойств металлов при повышенных температурах. Условия проте­кания пластических деформаций. Пластическая деформация в условиях постоянства на­грузки. Явление ползучести. Стадии ползучести. Неустановившаяся ползучесть, установив­шаяся ползучесть. Стадия разрушения. Кривые ползучести. Пластическая деформация в условиях постоянства деформации. Явление релаксации. Кривые релаксации. Понятие пре­дела ползучести. Методы испытания на ползучесть. Понятие предела длительной прочно­сти. Факторы влияющие на поведение металла при повышенных температурах. Методика расчета на прочность при высоких температурах. Назначение допустимых напряжений.

Конструирование сварных конструкций из алюминия и его сплавов

Изменение механических свойств алюминиевых сплавов при изменении температуры. Осо­бенности работы алюминиевых сппавов при нагружении. Сопротивляемость алюминиевых сппавов действию статических и динамических нагрузках. Механические свойства сварных соединений. Прочность сварных соединений термически неупрочняемых сппавов. Проч­ность сварных соединений термически упрочняемых сппавов. Значения допускаемых на­пряжений и расчетных сопротивлений. Остаточные деформации и напряжения при сварке алюминиевых сппавов.

Сварка арматурной стали

Состав, структура, свойства и применение. Свариваемость. Способы сварки и сварочные материалы. Ванно-дуговая сварка. Термитная сварка. Техника и режимы сварки.

Проектирование сварных конструкций в SolidWorks

Артем Аведьян, Игорь Щекин

Введение

Автоматизация проектирования сварных соединений

Сварные швы в контексте сборки

Сварные швы в контексте детали

Проектирование рамных и ферменных сварных конструкций

Заключение

Введение

За прошедшие несколько десятилетий сварка стала одним из основных видов неразъемных соединений, используемых в большинстве отраслей отечественной промышленности. Многообразие способов сварки, большой практический опыт ее применения, высокие эксплуатационные характеристики сварных швов — все это аргументы в пользу выбора этого вида соединения при проектировании новых изделий.

Современные тенденции развития сварки в машиностроении и строительстве предъявляют новые, повышенные требования не только к сварочным материалам и технологиям, но и к методологии проектирования и качеству проработки элементов сварных конструкций. Поэтому сегодня невозможно обойтись без современных технологий автоматизированного проектирования: использование САПР позволяет еще на этапе рабочего проектирования оценить те или иные конструктивные решения с точки зрения наиболее важных потребительских качеств будущего изделия. В этой статье мы расскажем о том, какие технологии проектирования сварных соединений предлагает SolidWorks и каким образом следует использовать этот функционал, чтобы выполнять работу с минимальными трудозатратами и максимальным качеством.

Автоматизация проектирования сварных соединений

Сварное соединение представляет собой участок конструкции или изделия, на котором сваркой соединены его элементы, выполненные из однородного или разнородных материалов. Сварка относится к неподвижным неразъемным соединениям с жесткой механической связью, обеспечивающей неизменность взаимного положения элементов конструкции под нагрузкой. Применение того или иного вида сварки обусловлено требованиями изготовления, сборки, эксплуатации машин или сооружений, а также экономическими соображениями.

По взаимному расположению соединяемых элементов различают стыковые, тавровые, нахлесточные и угловые сварные соединения. Каждое из них имеет свои специфические признаки в зависимости от выбранного способа сварки — дуговой, роликовой и т.д.

Сварной шов — это участок сварного соединения, непосредственно связывающий свариваемые элементы и образовавшийся в результате кристаллизации расплавленного металла или пластической деформации при сварке давлением или в результате сочетания кристаллизации и деформации. Основные виды сварных соединений, конструктивные элементы кромок и швов, предельные отклонения и рациональные диапазоны толщин соединяемых элементов для швов всех типов регламентированы государственными стандартами и отраслевыми нормативами: для ручной электродуговой сварки углеродистых и низколегированных сталей — ГОСТ 5264-80, для дуговой сварки в защитном газе — ГОСТ 14771-76; для дуговой сварки алюминия и алюминиевых сплавов в инертных газах — ГОСТ 14806-80; для соединений сварных стальных трубопроводов — ГОСТ 1607-80 и т.д.

Именно поэтому, прежде чем приступать к созданию модели сварного соединения в SolidWorks, проектировщику необходимо в полной мере владеть теоретическими основами сварки, четко представлять себе классификацию сварных швов и соединений и руководствоваться требованиями стандартов, регламентирующих правила проектирования сварных деталей и оформления конструкторской документации.

В SolidWorks сварные швы могут создаваться как в контексте сборки, так и в деталях, причем проектировать сварные соединения можно как минимум тремя различными способами. Технологии проектирования различаются в зависимости от того, проектируется сварная конструкция (например, ферменная) или просто деталь. Конструктору также необходимо знать, для чего будет использоваться создаваемая им D-модель: если она нужна только для оформления чертежа, сварные швы в твердом теле создавать не потребуется — в этом случае достаточно будет нанести на чертеж их условные обозначения. Если же модель будет участвовать в расчете массово-инерционных характеристик или в прочностном анализе, потребуется создавать сварные швы в виде твердотельной геометрии. Рассмотрим возможные способы проектирования сварных соединений в SolidWorks более подробно.

Сварные швы в контексте сборки

Проектирование сварных соединений в контексте сборки является одной из классических функций SolidWorks, появившихся еще в 1995 году. Безусловно, с тех пор эта функция претерпела целый ряд изменений и дополнений, однако общая методология проектирования сварки в сборке осталась неизменной. Используя эту функцию, можно создавать различные типы сварных швов в сборке, каждый из которых формируется как новый компонент сборки с привязкой к окружающей геометрии (свариваемым деталям). Рассмотрим процесс проектирования сварной детали в контексте сборки SolidWorks на примере создания модели кронштейна.

Создадим новую сборку и поместим в нее свариваемые детали, из которых будет состоять проектируемый кронштейн. Поскольку форму разделки кромок и их сборку под сварку характеризуют такие конструктивные элементы, как зазор, притупление кромок и угол скоса кромки, значения этих параметров необходимо задать в SolidWorks на этапе создания свариваемых деталей. Тип и угол разделки кромок определяют количество необходимого электродного металла для заполнения разделки, а значит, и производительность сварки. К примеру, X-образная разделка кромок, по сравнению с V-образной, позволяет уменьшить объем наплавленного металла в полтора раза. В нашем случае кронштейн будет свариваться из семи пластин, выполненных из листовой стали толщиной 5 мм, три из которых имеют разделку кромок под стыковой V-образный шов, а четыре привариваются внахлестку (рис. 1).

В меню сборки выберем команду Вставка->Элемент сборки-> Сварка, вызывающую специальный интерактивный Мастер сварных швов (рис. 2). Мастер позволяет: выбрать нужный тип сварного шва из списка, задать параметры поперечного сечения шва, указать свариваемые грани. Кроме того, Мастер сварных швов позволяет редактировать ранее созданные швы. В таблице показаны виды швов, которые предлагает нам SolidWorks в контексте сборки, и необходимая форма разделки кромок соединяемых элементов для обеспечения качественного соединения при автоматизированной и ручной сварке.

Шов сварного соединения может быть обычным, усиленным или облегченным и характеризуется следующими основными конструктивными элементами в соответствии с ГОСТ 2601-84: ширина (или радиус), выпуклость, глубина проплавления (для стыкового шва) и катет для углового шва. Значения этих параметров для различных видов сварных швов также можно задать в Мастере сварных швов SolidWorks. При создании нового элемента «Сварной шов» SolidWorks автоматически наносит на него обозначение сварного шва, а от проектировщика требуется скорректировать это обозначение (вписать необходимый текст) в соответствии с требованием стандарта. Обозначение сварного шва также будет отображено на чертеже.

Создав таким образом все необходимые сварные швы, мы получили сборку, состоящую из совокупности деталей и сварных швов, связанных между собой параметрическими взаимосвязями. Однако нашей конечной целью является проектирование не сборки, а детали. Поэтому воспользуемся функцией объединения, позволяющей слить воедино все компоненты сборки и получить деталь, состоящую из одного твердого тела (рис. 3).

Важным свойством детали, созданной таким образом, является ее стопроцентная ассоциативная связь со всеми компонентами сборки, на основе которых она создавалась. То есть при модификации какого-либо из компонентов сборки изменения автоматически отразятся и в детали. В то же время полученную в результате объединения деталь можно доработать, добавив недостающие отверстия (рис. 4). В итоге мы получим готовый кронштейн.

Поскольку в результате объединения мы получили твердотельную деталь, ее можно проанализировать на прочность с помощью функции COSMOSXpress, входящей в базовую поставку SolidWorks и предназначенной для проведения экспресс-анализа прочности (получения качественной картины результатов нагружения). В инженерной практике применяют два метода расчета сварных соединений на прочность при статическом нагружении: по допускаемым напряжениям (в машиностроении) и по предельному состоянию (в строительных конструкциях). Для сварных соединений из сталей различной прочности расчетные сопротивления на растяжение, сжатие, срез в стыковых и угловых швах, а также допускаемые напряжения на растяжение, сжатие и срез установлены отраслевыми правилами и нормами проектирования конструкций.

Проведем статический экспресс-анализ прочности созданного нами кронштейна по допускаемым напряжениям. Прежде чем приступить к расчету, необходимо в Мастере COSMOSXpress задать граничные условия (закрепить кронштейн) и приложить расчетную нагрузку к проушинам. Физические свойства материала (модуль упругости, коэффициент Пуассона и т.д.) задавать не нужно, так как они берутся из твердотельной модели. Это возможно благодаря использованию единой библиотеки материалов, применяемой в SolidWorks и COSMOSXpress. После того как все исходные данные введены, остается только запустить расчет на выполнение, дождаться его окончания и просмотреть результаты (рис. 5).

Если результаты анализа покажут, что по прочностным характеристикам сварная деталь не удовлетворяет заданным требованиям, необходимо будет изменить (усилить или ослабить) соответствующие конструктивные элементы и повторить расчет. Более точный прочностной анализ можно выполнить с помощью специального модуля COSMOSWorks.

Проведенные расчеты и практический опыт показывают, что при статических нагрузках лучше работают соединения, образованные выпуклыми швами. Однако чрезмерный наплыв приводит к лишнему расходу электродного металла, и потому выпуклые швы неэкономичны. Плоские и вогнутые швы лучше работают при динамических и знакопеременных нагрузках, так как нет резкого перехода от основного металла к сварному шву. В противном случае создается концентрация напряжений, от которых может начаться разрушение сварного соединения.

Сварные швы в контексте детали

Начиная с версии SolidWorks 2004, которая была выпущена в сентябре прошлого года, появилась возможность проектировать сварные швы не только в сборке, но и в контексте многотельной детали, где каждый шов формируется как отдельное твердое тело с привязкой к окружающей геометрии. Рассмотрим процесс проектирования сварной детали в контексте детали SolidWorks на примере создания такого же кронштейна, как и тот, что мы рассматривали в предыдущей главе.

На этот раз мы создадим новую деталь, используя стандартные приемы твердотельного моделирования: построение бобышек и вырезов, базирующихся на 2D-эскизах, зеркальное отражение (рис. 6а, б, в, г). В результате мы получим D-модель, состоящую из одного твердого тела.

Прежде чем приступить к созданию сварных швов, необходимо разделить твердое тело на несколько частей, которые будут символизировать свариваемые конструктивные элементы. Воспользуемся для этого специальной командой Разделить, которая доступна в контексте детали (рис. 7). В результате разделения модель будет состоять из семи твердых тел, между которыми теперь можно будет накладывать сварные швы.

Добавление сварных швов в контексте детали выполняется с помощью команд меню SolidWorks или специальной панели инструментов Сварные детали. Результат этой операции показан на рис. 8. Процесс создания сварных швов в контексте детали будет детально рассмотрен в следующей главе.

По окончании проектирования в D-пространстве создается чертеж на сварную деталь, причем решается эта задача стандартными средствами чертежного редактора SolidWorks. Обозначения сварных швов автоматически отображаются на чертеже. Сварной шов на чертеже условно изображают сплошной основной линией по ГОСТ 2.12-72 (рис. 9).

Проектирование рамных и ферменных сварных конструкций

Рамные и ферменные сварные конструкции находят широкое применение в среднем и тяжелом машиностроении, аэрокосмической промышленности, автомобилестроении, а также в промышленном и гражданском строительстве. Сварные фермы используются в силовых конструкциях подъемно-транспортной техники, радиобашен и мачт, в перекрытиях цехов и ангаров и т. п. Фермы, по сравнению со сплошными балками, экономичны по расходу металла, им можно легко придать любые очертания, требуемые условиями технологии, работы под нагрузкой или архитектуры; они относительно просты в изготовлении. Фермы применяют при самых разнообразных нагрузках и, в зависимости от назначения, придают различную конструктивную форму — от легких прутковых конструкций до тяжелых, стержни которых могут компоноваться из нескольких элементов крупных профилей или листов. К примеру, в строительстве наибольшее распространение имеют разрезные балочные фермы как самые простые в изготовлении и монтаже.

Постоянный рост требований к качеству выполнения проектно-конструкторских работ, а также необходимость точного расчета массовых и прочностных характеристик сварных конструкций на этапе проектирования являются важными факторами, заставляющими проектировщиков применять в повседневной практике различные средства автоматизации. Этот вопрос особенно актуален, например, для высоконагруженных авиационных конструкций, для ферм подвижных крановых установок и покрытий больших пролетов строительных сооружений, где уменьшение веса дает большой экономический эффект.

Все эти факторы обусловили появление в 200 году в базовой конфигурации САПР SolidWorks специальной функциональности по работе со сварными конструкциями. Используя панель инструментов Сварные детали, можно быстро создать практически любую рамную или ферменную конструкцию. Создание сварной конструкции проводится по любому набору плоских или трехмерных эскизов в файле детали. Такой подход позволяет использовать для детального проектирования компоновочные эскизы без сложной прорисовки конструктивно-силовой схемы. Любой профиль определяется параметрами Стандарт (ГОСТ, ISO или ANSI), Тип и Размер. Каждый тип профиля включает несколько типоразмеров. Указав в графической области тот или иной эскиз и выбрав нужный профиль из списка, можно несколькими движениями мыши сформировать основание рамы (рис. 10).

К сварным элементам в SolidWorks относятся: сортамент (уголки, швеллеры, двутавры, трубы круглого, квадратного, прямоугольного сечений и т.д.), элементы разделки под сварку, концевые заглушки, косынки и элементы сварного шва. База данных профилей настраивается под конкретный набор типоразмеров профилей, используемых в производстве, и может быть пополнена пользователем. В настоящее время компания SolidWorks-Russia поставляет лицензионным пользователям SolidWorks 2004 номенклатуру сортамента по ГОСТ, приведенную ниже:

Черные металлы

• Двутавры ГОСТ 829-89

• Профили корытные ГОСТ 828-77 кипящая и полуспокойная сталь

• Профили корытные ГОСТ 828-77 спокойная сталь

• Профили С-образные ГОСТ 8282-8

• Профили стальные гнутые корытные равнопрочные ГОСТ 828-77 из углеродистой кипящей и полуспокойной стали и углеродистой качественной стали у_в<460 Н/мм²

• Профили стальные гнутые корытные равнопрочные ГОСТ 828-77 из углеродистой спокойной стали и углеродистой качественной стали у_в>460 Н/мм²

• Уголки ГОСТ 19771-74 кипящая и полуспокойная сталь

• Уголки ГОСТ 19771-74 спокойная сталь

• Уголки ГОСТ 19772-74 кипящая и полуспокойная сталь

• Уголки ГОСТ 19772-74 спокойная сталь

• Уголки ГОСТ 8509-86

• Уголки ГОСТ 8510-86

• Уголки равнополочные ГОСТ 19771-74

• Швеллеры ГОСТ 8240-89

• Швеллеры ГОСТ 8240-89 без уклона

• Швеллеры ГОСТ 8240-89 с уклоном

• Швеллеры ГОСТ 8278-8 кипящая и полуспокойная сталь

• Швеллеры ГОСТ 8278-8 спокойная сталь

• Швеллеры ГОСТ 8281-80 кипящая и полуспокойная сталь

• Швеллеры ГОСТ 8281-80 спокойная сталь

• Швеллеры равнополочные стальные ГОСТ 8278-8

• Швеллеры равнополочные стальные ГОСТ 8278-8 из углеродистой кипящей и полуспокойной стали

• Швеллеры равнополочные стальные ГОСТ 8278-8 из углеродистой спокойной из низколегированной стали

• Уголок неравнобокий

• Уголок равнобокий

Цветные металлы

• Двутавры Al и Mg ГОСТ 1621-90

• Зет Al и Mg ГОСТ 1620-90

• Зет равнополочный из Al и Mg ГОСТ 1620-90

• Профили прямоугольные отбортованные Al и Mg ГОСТ 1624-90

• Тавры Al и Mg ГОСТ 1622-91

• Уголки Al и Mg ГОСТ 1618-81

• Уголки Al и Mg ГОСТ 177-90

• Уголки Al и Mg ГОСТ 178-91

• Швеллеры Al и Mg ГОСТ 1624-90

• Швеллеры Al и Mg ГОСТ 162-90

При вставке в сварную конструкцию из библиотеки очередного профиля пользователь может выбрать любую характерную точку поперечного сечения профиля для базирования относительно линии каркаса (эскиза) сварной конструкции. При формировании конструкции пользователь может выбрать тот или иной тип совместной разделки элементов конструкции для сварки или, иными словами, различные варианты стыковки профилей. Можно выбрать Т-образное соединение, угловое соединение или оставить выбор на усмотрение системы (рис. 11).

Сварная конструкция может состоять как из отдельных профилей, так и из набора узлов (рис. 12), что делает работу с моделью более удобной. Вновь создаваемые профили привязываются к линиям каркаса сварной конструкции и к уже существующим элементам рамы, причем возможны различные варианты взаимного сопряжения (обрезки или удлинения) профилей. Существуют как минимум два варианта обрезки профиля: с помощью плоских граней и с помощью твердых тел (рис. 13) — и неограниченное количество способов удлинения: с помощью вытягивания, элемента по траектории и т.п. Таким образом, режим проектирования сварной конструкции не исключает других, стандартных для SolidWorks построений. Это позволяет достраивать сварную конструкцию с помощью всех существующих в SolidWorks твердотельных и поверхностных элементов (рис. 14).

К расширенным возможностям SolidWorks по работе со сварными соединениями можно отнести добавление дополнительных конструктивных элементов, таких как заглушки (торцевые пробки — рис. 15) и косынки (рис. 16). Каждый из этих элементов имеет свой набор параметров, которые настраиваются в соответствии с видом сварной конструкции. К примеру, можно использовать два типа косынок: с треугольным и многоугольным профилем (рис. 17).

Завершающим этапом создания D-модели сварной конструкции является добавление сварных швов (рис. 18). Швы могут быть рабочими или связующими, сплошными или прерывистыми (рис. 19). Сварному шву для улучшения зрительного восприятия автоматически присваивается текстура.

При оформлении чертежа на спроектированную сварную конструкцию (рис. 20) SolidWorks позволяет проставлять позиции на составляющие элементы (несмотря на то что проектирование идет в файле детали) и формировать спецификацию на составляющие конструкции.

Кроме того, в чертеж может быть добавлена специальная таблица вырезов с указанием наименования и длины обрезаемых профилей (рис. 21). Элементы таблицы вырезов наследуют свойства пользователя от эскиза профиля и элемента сварной конструкции. Можно назначать новые свойства или изменять существующие. Например, можно добавить свойство Масса и связать его с массовыми характеристиками модели. Создание связи между этими двумя свойствами позволит программе SolidWorks рассчитать массу твердого тела и отобразить ее в таблице вырезов. Система также автоматически выполнит расчет свойства Длина и отобразит его в таблице вырезов.

Таким образом, мы создали D-модель сварной рамной конструкции и оформили на нее конструкторскую документацию.

Заключение

Современные тенденции развития сварки предъявляют новые, повышенные требования к методологии проектирования сварных соединений в изделиях машиностроения и строительных конструкциях. В этой статье было рассмотрено несколько способов проектирования сварных изделий, которые предлагает своим пользователям САПР SolidWorks. Естественно, в рамках статьи невозможно рассказать о них во всех подробностях, однако будем надеяться, что и этого краткого описания вполне достаточно для того, чтобы составить общее представление о проектировании сварных изделий в SolidWorks. За более подробной информацией обращайтесь в компанию SolidWorks-Russia.

«САПР и графика» 2’2004

Расчет и проектирование сварных конструкций

Расчет и проектирование сварных конструкций ОАО «Спецконструкция» осуществляет на основе норм и стандартов ГОСТ. Мы оказываем полный комплекс услуг по расчету, проектированию, изготовлению и установке сварных конструкций.

Сотрудники компании имеют необходимую квалификацию для разработки сложных проектов.

Заказать металлические конструкции

 

Что такое генеральный подряд?

Генеральный подряд – набор услуг в области разработки строительной документации и сбора всех разрешительных документов, которые делают возможным монтаж конструкций. В какой-то степени генеральный подряд можно назвать строительством «под ключ».

Что касается генерального проектирования, то оно включает в себя разработку проектов всех стадий строительства, а также сбор и согласование разрешительных документов, которые нужны для ввода здания в эксплуатацию.

Для производства сварных конструкций на балочной основе необходимо, чтобы предприятие было оснащено соответствующим оборудованием. К примеру, при автоматической варке, которая будет осуществляться по длине двутавра, готовое изделие меняет геометрию в результате термической усадки сварных швов. Для того, чтобы убрать такого рода недостаток, необходимо наличие оборудования для исправления грибовидности.

Как рассчитывается стоимость сварных конструкций?

Расчет и проектирование сварных конструкций зависит, в первую очередь, от типа конструкций. Они делятся на основе таких признаков:

• способу изготовления;
• характерным особенностям использования;
• по назначению.

В процессе проектирования чаще всего используют классификацию по второму признаку. По этой классификации выделяют такие типы конструкций:

• балки;
• колонны;
• решетчатые сварные конструкции;
• корпусные сварные конструкции;
• детали машин, аппаратов и механизмов.

Расчет сварных конструкций также зависит от используемых швов сварных соединений, которые бывают:

• стыковыми – достаточно распространённый вид соединения;
• тавровыми – применяются при производстве пространственных конструкций;
• нахлесточными – применяются для соединения листовых заготовок и имеют меньшую плотность, чем предыдущие варианты.

Время, которое необходимо на расчет и проектирование, определяется сложностью конструктивных особенностей сварной конструкции, объемом работ и количеством дополнительных конструкций.

Расчет и проектирование сварных конструкций (Курсовая работа)

Московский Государственный Технический Университет

им. Н.Э. Баумана

Калужский филиал

Кафедра М2-КФ

РАСЧЕТНО-ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к курсовому проекту

на тему «Расчет и проектирование сварных конструкций»

Вариант № 21

Калуга

Содержание

1. Краткое описание металлоконструкции крана

2. Выбор материалов и расчетных сопротивлений

3. Построение линий влияния

3. 1 Определение усилий в главной балке

3.2 Определение усилий в стержнях вертикальной вспомогательной фермы

3.3 Определение усилий в стержнях горизонтальной вспомогательной фермы

4. Определение расчетных усилий от заданных нагрузок в элементах моста

4.1 Вертикальная вспомогательная ферма

4.2 Горизонтальная вспомогательная ферма

5. Подбор сечений элементов моста.

5.1 Подбор сечения главной балки

5.2 Подбор сечения вертикальной вспомогательной фермы

5.3 Подбор сечения горизонтальной вспомогательной фермы

6. Расчет концевой балки

7. Расчет сварных швов

7.1 Расчет сварных швов главной балки

7.2 Расчет сварных швов вертикальной вспомогательной фермы

7. 3 Расчет сварных швов горизонтальной вспомогательной фермы

7.4 Узлы вертикальной вспомогательной фермы

7.5 Узлы горизонтальной вспомогательной фермы

8. Допускаемый прогиб балки

Список литературы

1. Краткое описание металлоконструкции крана

Конструкция моста является симметричной фигурой относительно двух взаимно перпендикулярных вертикальных плоскостей – продольной и поперечной. При помощи горизонтальных ферм и диагональных связей между поясами вертикальных ферм достигается пространственная жесткость конструкции.

Главная балка воспринимает нагрузки от собственного веса и давления ходовых колес грузовой тележки. Вертикальная вспомогательная ферма воспринимает нагрузки от собственного веса. Горизонтальные фермы воспринимают горизонтальные инерционные нагрузки при разгоне и торможении крана (равномерно распределенные – от веса кран, сосредоточенные – от веса тележки с грузом). Концевые банки нагружены сосредоточенными силами в вертикальной плоскости от действия главных и вспомогательных ферм к горизонтальным инерционным силам при разгоне и торможении тележки.

2. Выбор материалов и расчетных сопротивлений

Для всех основных элементов крана выбираем низкоуглеродистую конструкционную сталь ВСт3 сп5, изготовленную по ГОСТ380-71. Сталь данной марки широко применяется в машиностроении, особенно в изготовлении различных металлоконструкций. Эта сталь характеризуется высоким пределом текучести, она пластична, хорошо работает при различных силовых воздействиях и позволяет получать высококачественные сварные соединения. К тому же сталь ВСт3 сп5 является одной из наиболее дешевых сталей. Поэтому ее выгодно использовать в изготовлении сварных конструкций.

Механические свойства:

Химический состав:

C-0.14%; Si-0.12%; Mn-0.4%; S-<0.05%; P-<0.04%

Расчетные сопротивления:

Растяжение, сжатие Изгиб Срез

R=19 kH/cm2 RH=20 kH/cm2 Rср=12 kH/cm2

Для компенсации упрощенного расчета вводят коэффициент неполноты расчета m: для главной балки m=1; для вертикальной вспомогательной фермы m=0. 55; для концевой балки m=0.5.

3. Построение линий влияния

Как определить прочность поперечного углового шва

Если вы не инженер-конструктор, вам обычно не нужно беспокоиться об определении прочности сварного шва. Прочность сварного шва зависит от его несущей способности или от того, какую нагрузку он может выдержать, прежде чем выйдет из строя. Однако для всех нас, участвующих в сварочном процессе, от сварщиков до руководителей производства и квалифицированного персонала и инженеров-сварщиков, очень важно понимать основы проектирования сварных швов.

Сварка — это эпидемия в нашей отрасли. Это связано с непониманием того, как правильно подобрать размер сварного шва. Но даже компании с группами инженеров, которые могут позволить себе роскошь использовать программное обеспечение для анализа методом конечных элементов, по-прежнему требуют, чтобы размеры сварных швов были намного больше, чем необходимо. Эта сварка может иметь огромное влияние на стоимость. Чтобы получить представление о том, сколько вы можете прочитать: Стоимость сварки.

Базовое понимание того, как правильно определять размер сварных швов, позволит вам задаться вопросом о размере определенных сварных швов.Мы не говорим вам немедленно сокращать все размеры сварных швов. Любое изменение этой величины должно быть рассмотрено и одобрено инженером. Однако экономия может быть значительной.

Чтобы объяснить, как определить прочность сварного шва, воспользуемся простым примером. В этой статье мы обсудим только, как определить прочность поперечного углового шва . Поперечный угловой шов — это сварной шов, перпендикулярный приложенной силе, как показано на изображении ниже.

Поскольку нагрузка перпендикулярна сварному шву, она считается растягивающей. Формула, которую нам нужно использовать для определения грузоподъемности сварного шва:

Где

σt — предел прочности сварного шва при растяжении (определяемый используемым присадочным металлом) в PSI

.

F — это сила, которую может выдержать сварной шов, другими словами, прочность сварного шва в фунтах-силах

A — эффективная площадь сварного шва

Эффективная площадь сварного шва рассчитывается путем умножения длины сварного шва на ширину сварного шва.В целях проектирования мы используем теоретическое отверстие, как показано ниже.

На диаграмме выше «w» обозначает размер ветви углового сварного шва. Теоретическая горловина рассчитывается путем умножения «w» на косинус 45˚, что составляет 0,707. Для всех угловых сварных швов, когда оба плеча имеют одинаковый размер, теоретический зазор будет равен 0,707 x «w».

Если длина сварного шва составляет 20 дюймов, то эффективная площадь будет 20 x 0,707 x «ширина».

Как и в нашем примере, два сварных шва соединяют два элемента.Оба сварных шва имеют размер полки ¼ дюйма и длину 20 дюймов. Мы хотим определить максимальную нагрузку, которую могут выдержать эти сварные швы. Сварка выполняется проволокой ER70S-6 GMAW с минимальным пределом прочности на разрыв 70 000 фунтов на квадратный дюйм.

Сначала определите размер горла.

Горло = «w» x cos 45˚ = (1/4) x (0,707) = 0,177 »

Теперь определите эффективную площадь сварного шва. Помните, что есть два сварных шва длиной 20 дюймов.

Эффективная площадь = 2 x длина x горловина = (2) x (20) x (0,177) = 7,08 кв.дюйма

Теперь вернемся к нашей основной формуле.

Поскольку мы используем провод ER70S-6, он равен 70 000 фунтов на квадратный дюйм. Теперь у нас есть все значения, кроме того, которое мы решаем, F .

Переставляем формулу, чтобы найти F .

F = (70 000) x (7,08) = 495 600 фунтов

Таким образом, наши двухсторонние угловые сварные швы длиной 20 дюйма длиной 20 дюймов имеют несущую способность, способную выдерживать растягивающее усилие почти в полмиллиона фунтов. Для сравнения: Boeing 747-400 весит примерно 404 600 фунтов. Итак, наши, казалось бы, крошечные сварные швы могут подобрать 747! Это впечатляет. Однако, прежде чем отправиться в аэропорт и проверить это, вам следует знать несколько вещей.

• Если усилие приложить быстро, сварной шов будет разрушен при значительно меньшей нагрузке
• Если усилие не прилагается идеально равномерно по обоим сварным швам, сварные швы развалятся при значительно меньшей нагрузке
• Если есть какие-либо неоднородности сварного шва, такие как трещины, кратеры на поднутрении, сварные швы развалятся при значительно меньшей нагрузке.
• Если нагрузка не является полностью статической, сварные швы развалятся при значительно меньшей нагрузке.
• Если нагрузка не является идеально перпендикулярной сварным швам, сварные швы развалятся при значительно меньшей нагрузке

Список «если» продолжается.По этой причине сварочные нормы вводят фактор безопасности. Факторы безопасности используются, чтобы убедиться, что мы не перегружаем конструкции. В нашей следующей публикации мы представим пример угловых сварных швов, нагруженных сдвигом. По сути, это наихудший сценарий, который ограничивает максимальное усилие, которое можно приложить к сварному шву, прежде чем он выйдет из строя. Большинство расчетов выполнено с учетом того, что угловые сварные швы будут подвергаться сдвигу.

Предупреждение : приведенные выше расчеты используются для объяснения теории, лежащей в основе конструкции сварного шва.Это упрощенный пример, иллюстрирующий определенные принципы проектирования. Прежде чем вносить какие-либо изменения в сварные швы, если предварительно был определен конкретный размер, должны быть проведены надлежащие испытания и одобрения инженерами.

Ссылка: Проектирование сварных конструкций

Сварные конструкции | Прогноз жизни до усталости

Сварные соединения особенно уязвимы к усталостным повреждениям при повторяющихся нагрузках. Усталостные трещины могут возникать и расти в непосредственной близости от сварных швов в течение срока службы, даже если динамические напряжения умеренные и значительно ниже предела текучести.

В процессе сварки возникают остаточные напряжения. Области, подверженные растягивающим остаточным напряжениям, более уязвимы к усталости.

Относительно короткая усталостная долговечность сварных соединений в основном обусловлена ​​тремя факторами:

1) сильный надрез из-за присадочного металла сварного шва;

2) наличие неметаллических выступов или микродефектов или дефектов сварки вдоль линии плавления;

3) наличие больших остаточных напряжений при растяжении.

Усталость сварных соединений — очень сложная проблема. Невозможно сформулировать простые процедуры расчета усталостных свойств соединений. Это привело к процедурам оценки усталостной долговечности на основе данных испытаний на усталость аналогичных соединений из одного и того же материала. Это подход подобия. Кривые S-N получены в результате многочисленных испытаний различных деталей конструкции. Статистические методы используются для устранения разброса экспериментальных результатов. Кривые S-N классифицируются по категориям напряжений или категориям деталей.Эффекты надреза включены в результаты испытаний в большинстве проектных норм; поэтому нет необходимости прилагать дополнительные усилия для обработки этих эффектов в таких кодах. Коэффициенты концентрации геометрических напряжений могут быть включены или не включены в зависимости от проектных норм и конкретных деталей конструкции.

Результаты испытаний сварных образцов обычно наносят на график с числом циклов N до разрушения по оси абсцисс и с дельтой S диапазона напряжений по оси ординат. Вот почему такие кривые усталости называют кривой S-N.

Типы напряжений

Различные кривые усталости для разных деталей конструкции требуют использования разных типов напряжений. На рисунке ниже показаны типы напряжений, обычно наблюдаемые при расчете усталостной долговечности сварных конструкций.

Номинальное напряжение — это напряжение в элементе конструкции рядом с конструктивной деталью, полученное с использованием простой теории упругости материалов, то есть теории балок. Следует учитывать влияние сдвига или эффективную ширину секций.Исключены эффекты концентраторов напряжений и остаточных напряжений.

Структурное напряжение , также известное как геометрическое напряжение , представляет собой значение напряжения на поверхности структурной детали, которое учитывает мембранные напряжения, компоненты напряжения изгиба и все концентрации напряжений, вызванные структурными неоднородностями, но игнорируя любые локальные эффект надреза из-за небольших неоднородностей, таких как геометрия выступа шва, дефекты, трещины и т. д.

Горячая точка — это точка в конструкции, подверженная повторяющимся циклическим нагрузкам, где ожидается возникновение усталостной трещины из-за комбинации концентраторов напряжения. Напряжение горячего сопла — это структурное напряжение в горячей точке, которое представляет собой значение геометрического напряжения на подошве сварного шва, используемое при проверке усталости. Его определение и соответствующая расчетная кривая усталости не уникальны, поскольку существуют разные методы экстраполяции.

Напряжение надреза — это локальная пиковая концентрация напряжения из-за эффекта надреза. Эффективное напряжение надреза — это напряжение надреза, рассчитанное для надреза с определенным эффективным радиусом надреза.

Подходы к анализу усталостной долговечности

На практике существует три подхода к анализу усталостной долговечности сварных конструкций:

1) Метод номинального напряжения.Процедура состоит в том, чтобы определить одну тестовую группу, в которой соединения имеют очень похожую геометрию и одинаковое качество. Соответствующая кривая S-N для этой популяции затем определяется как класс или категория.

2) Подход к стрессу в горячих точках. В этом подходе геометрический диапазон напряжений используется как ключевой параметр усталостной долговечности данной детали. Для этого подхода требуется только справочная кривая S-N, обычно стыковой шов между двумя пластинами. Другие детали также применимы, если влияние общей геометрии фактического соединения явно учтено с помощью аналитических формул или FEA.

3) Подход напряжения сварного надреза. Это наиболее логичный, но наименее практичный подход. Из-за большого разброса профилей подошвы сварного шва и сильно локализованного характера концентрации напряжений, напряжения надреза очень трудно рассчитать с разумной точностью. Подобно подходу к напряжению горячей точки, для этого метода требуется только эталонная кривая S-N для стыкового сварного соединения между двумя пластинами, где сварной шов отшлифован заподлицо с пластинами.

Кривые усталости

Сопротивление усталости было получено из экспоненциальной зависимости между количеством циклов до отказа, N, и диапазоном напряжений ΔS, называемым отношением S-N, в форме

N = C٠ΔS ^-м

где

N количество циклов диапазона напряжений ΔS

Константа C, представляющая влияние структурной детали

Диапазон напряжений постоянной амплитуды ΔS

м коэффициент наклона средней линии результатов испытаний

В проектных нормах, например, AISC 360, диапазон допустимых напряжений был разработан путем корректировки коэффициента C, так что расчетная кривая находится на двух стандартных отклонениях стандартной ошибки оценки срока службы в усталостном цикле ниже допустимого значения. среднее отношение SN фактических данных испытаний.Эти значения C соответствуют вероятности отказа 2,5% от расчетного срока службы.

Общая зависимость часто отображается как линейная функция логарифм

logN = logC — m٠log (ΔS)

Ниже приведен пример:

Нижний предел линии (соответствующий низким значениям ΔS) представляет предел усталости с постоянной амплитудой (CAFL или также предел выносливости). Этот предел указывает на то, что циклическое нагружение с диапазонами ниже этого предела может применяться очень большое количество раз (> 10 ⁸ ) без усталостного разрушения.Для практических целей эти числа можно рассматривать как бесконечность. Только учтите, что бесконечность не означает бесконечную усталость жизни.

Обратите внимание, что CAFL не всегда существует даже для нагрузки с постоянной амплитудой.

Для нагрузки с переменной амплитудой CAFL больше не применяется; приведенная выше кривая усталости становится

Обратите внимание, что наклон m изменился для отрезка линии, превышающего 10 ⁷ циклов. Это не всегда так. Например, для морской воды с католической защитой следует использовать кривую S-N с постоянным наклоном.

Наиболее распространенным подходом к прогнозированию усталостных повреждений при нагружении переменной амплитуды является использование закона суммирования Палмгрена-Майнера.

Методы снижения утомляемости

Для увеличения усталостной долговечности можно использовать методы уменьшения усталости после сварки. Общие методы включают шлифование, TIG-правку, ударную обработку, профилирование и т. Д. Эти методы улучшают усталостную долговечность за счет улучшения локальной геометрии на носке сварного шва, снижения концентрации напряжений и изменения остаточных напряжений.Как правило, для одного и того же соединения не следует учитывать несколько факторов улучшения. Если применяется более одного метода, следует рассматривать только тот, который дает наивысший коэффициент улучшения.

Методы улучшения сварных швов могут рассматриваться как крайняя мера в новых проектах, которая может быть оправдана только в том случае, если проект слишком далеко продвинулся, чтобы все же можно было внести изменения своевременно и практично.

Размерный эффект

Усталостные характеристики зависят от толщины элемента, при этом характеристики ухудшаются с увеличением толщины для того же диапазона напряжений.

Погодостойкая сталь

Погодостойкая сталь может оставаться незащищенной в умеренно агрессивных средах. Защитный оксидный слой, образующийся на поверхности атмосферостойкой стали, более шероховатый, чем поверхность обычной углеродистой стали, что снижает усталостную прочность. По этой причине EN 1993-1-9 уменьшает детали плоских элементов из атмосферостойкой стали классов 160, 140 и 125 до следующей более низкой категории.

Эффект среднего стресса

Можно предположить, что остаточные напряжения в сварных швах или вокруг них имеют величины, равные напряжению, при котором материал поддается растяжению.Следовательно, можно предположить, что изменения напряжения в сварных швах или вокруг них всегда находятся в меньшем диапазоне от предела текучести при растяжении. Следовательно, за исключением простой стали, среднее напряжение и коэффициент напряжений R (отношение минимального к максимальному напряжению в течение цикла) приложенных напряжений являются неподходящими параметрами для оценки потенциала усталостного повреждения сварных компонентов. Для приложенных напряжений, которые меньше или равны половине предела текучести, локальное значение R всегда будет больше или равно нулю.Поэтому диапазон напряжений повсеместно считается единственным параметром напряжения, который определяет усталость свариваемых компонентов.

Однако для сварных соединений, которые были подвергнуты послесварочной термообработке или где могут быть задокументированы соответствующие низкие остаточные напряжения, диапазоны напряжений могут быть уменьшены до анализа усталости в зависимости от того, является ли часть диапазона напряжений напряжением растяжения или напряжением сжатия. .

Анализ напряжений

Усталостное повреждение — явление очень локализованное.Местная ситуация в отношении вариаций напряжений, а также местные особенности конструкции и качества изготовления во время изготовления имеют большое влияние на усталостную долговечность. Все эти особенности необходимо учитывать при оценке усталости как можно точнее, чтобы результаты были надежными. Следовательно, для анализа усталости обычно требуются гораздо более подробные модели действий и конструкции, а также более точные процедуры анализа, чем при анализе прочности.

DN Метод эффективного напряжения VGL-RP-C203 использует радиус 1 мм на носке сварного шва, чтобы учесть статистический характер и разброс параметров формы сварного шва, а также нелинейное поведение материала в корне надреза. Для конструкционных сталей толщиной t ≥ 5 мм эффективный радиус основания надреза r = 1,0 мм был подтвержден для получения стабильных результатов. Для меньшей толщины стенки метод не проверялся.

Расчет на прочность сварных конструкций

Расчет на прочность сварных конструкций может защитить вас от поломок и отказов.Мы работаем в соответствии с действующими стандартами, чтобы ваша структура соответствовала требованиям законодательства и действующим правилам.

Сварка изменяет механические свойства

При сварке материал подвергается воздействию очень высоких температур с последующим охлаждением. Таким образом, механические свойства в зоне термического влияния (ЗТВ) изменяются, и конструкция будет ползать и деформироваться. Кроме того, сварной шов остается с остаточными напряжениями, близкими к пределу текучести материала.

При расчете размеров сварных конструкций необходимо учитывать эти факторы как для статически, так и для динамически нагруженных конструкций.

Сварной шов не обязательно должен иметь те же механические свойства, что и основной материал, поэтому важно, чтобы сварной шов был правильно спроектирован, чтобы предотвратить последующие разрушения сварного шва.

Статическая прочность сварного шва зависит от нескольких факторов, таких как:

• Частичное или полное проплавление
• Размер толщины горловины
• Прочность металла шва
• Ударная вязкость.

Самыми большими проблемами со сварными швами обычно являются усталость и, следовательно, срок службы.Большинство усталостных трещин в конструкциях возникает в сварном шве. Усталостная долговечность сварных соединений зависит от спектра напряжений в сварном шве, конструкции детали сварного шва и возможной последующей термообработки.

Мы применяем текущие стандарты в наших расчетах, и поэтому вы уверены, что ваша конструкция правильно спроектирована с учетом прочности и усталостной долговечности.

Расчет на прочность обеспечивает срок службы конструкций

Консультируем и определяем прочность сварных соединений статических и усталостных конструкций.Для статически нагруженных конструкций мы можем определить статическую прочность сварного шва и спроектировать сварной шов для достижения оптимальных размеров и прочности в соответствии с требованиями.

В наш опыт также входят сварные конструкции при низких температурах, когда необходимо оценить ударную вязкость сварного шва, чтобы избежать хрупкого разрушения.

У нас есть большой опыт в оценке деталей сварных швов с целью определения усталостной долговечности и интервалов проверок. Что касается усталостной долговечности, мы всегда включаем определенную вероятность разрушения.Следовательно, можно определить усталостную долговечность конструкций с меньшим запасом прочности, если проводить регулярные проверки сварных соединений.

Одновременно мы можем дать рекомендации по детальному проектированию сварных швов с целью увеличения срока службы вашей конструкции до того, как возникнет усталостная трещина и станет причиной последующего усталостного разрушения.

Если вы не знаете свой спектр стресса, есть способы его определить. Мы предлагаем анализ методом конечных элементов (МКЭ) конструкции и с помощью этого метода определяем номинальные напряжения или напряжения горячей точки в сварном шве.Если ваша конструкция уже завершена, мы предлагаем измерения тензодатчика для определения фактического спектра напряжений и, таким образом, расчета оставшегося усталостного ресурса сварного шва.

Для сварных конструкций мы также предлагаем оценку степени ожидаемых деформаций после окончательной сварки в виде ползучести, углового смещения и прогибов. Кроме того, мы можем рассказать вам, как можно минимизировать деформации, чтобы предотвратить получение слишком короткой или очень нестандартной детали после окончательной сварки.

Свяжитесь с нами, чтобы получить анализ прочности, чтобы подтвердить прочность вашей конструкции и оставшийся срок службы.

Механика разрушения и оценка усталостной долговечности сварных конструкций коробчатой ​​формы: анализ методом конечных элементов и параметрический расчет

Моделирование дефектов корня шва и начальных условий

Для моделирования распространения трещины с использованием линейной механики упругого разрушения (LEFM) и оценки усталости Срок службы коробчатой ​​конструкции, в соответствии с макрофотографиями, в корне шва была внедрена начальная поверхностная полуэллиптическая трещина.LEFM был проведен для четырех случаев, перечисленных в таблице 4, на основе определения трещины для имитации сварных швов с полным и частичным проплавлением. Для случая частичного проникновения на основании наблюдений была выбрана глубина трещины 4 мм (см. Раздел 3.4), тогда как этот размер был уменьшен до произвольного значения 0,5 мм при рассмотрении случая полного проникновения. Кроме того, были приняты во внимание две трещины различной ширины: полная и промежуточная. Трещина по всей длине представляет собой ситуацию, когда LOP существует по всей длине сварного шва (т.е.м $$

(5.1)

, где две материальные константы C и m определены экспериментально [18]. В формуле. Согласно (5.1) скорость роста усталостной трещины da / dN зависит только от диапазона интенсивности напряжений ΔK и не зависит от отношения R или закрытия трещины. Однако как окружающая среда, так и коэффициент приложенного напряжения R могут иметь сильное влияние на C и m .м} $$

(5.2)

В уравнении. (5.2) существует четыре неизвестных переменных, включая размер начальной трещины a ₀ , конечный или критический размер трещины a _f , диапазон интенсивности напряжений Δ K и количество циклов N для рост трещины от a ₀ до a _f . Если известны какие-либо три из этих параметров, то уравнение можно использовать для вычисления четвертого параметра.

Интенсивность напряжений

Было замечено, что подходы скорости высвобождения энергии деформации [19] и интенсивности напряжения [20], которые описывают условия трещин в LEFM, по существу эквивалентны для линейных упругих материалов. Существует множество прямых и косвенных методов, доступных для расчета скорости выделения энергии и коэффициентов интенсивности напряжений как в 2D, так и в 3D. В этом исследовании FRANC3D используется для вычисления SIF на основе метода M-Integral из-за его высокой точности [21, 22].

Эффект среднего напряжения (R-коэффициент)

В области, где применяется степенной закон, R-отношение отсутствует, и скорость распространения трещины полностью зависит от диапазона коэффициента интенсивности напряжения. Однако как при высоких, так и при очень низких значениях Δ K скорость распространения трещины зависит от среднего напряжения [6, 16, 23]. Следовательно, для определения порогового коэффициента интенсивности напряжений и вязкости разрушения, измеренных экспериментально, необходимо учитывать влияние R-отношения. Коэффициент R в исследуемой структуре ящика равен 0.03.

Порог SIF

Существует критическое значение коэффициента интенсивности напряжений, ниже которого не происходит роста усталостной трещины. Это известно как порог усталости, который указывает на сопротивление материала распространению трещин [1, 6, 24]. В данном исследовании используется диапазон пороговых значений коэффициента интенсивности напряжений для стальных конструкционных элементов после сварки, приведенный в [4]. Для коэффициента R 0,03 пороговое значение составляет 163,58 МПа √ мм. Отмечается, что экспериментальные исследования на разных марках стали показывают, что все исследованные стали могут быть представлены одним и тем же значением ΔK _th [25].

Закрытие трещины

Концепция закрытия трещины, предложенная Элбером [26], заключается во введении диапазона эффективных коэффициентов интенсивности напряжений в закон Парижа. Эльбер постулировал, что закрытие трещины снижает скорость роста усталостной трещины за счет уменьшения диапазона эффективной интенсивности напряжения, и предложил диапазон эффективной интенсивности напряжения Δ K _eff в модифицированном уравнении Парижа. В этом исследовании влияние закрытия трещины, вызванное циклической нагрузкой, не принималось во внимание из-за (1) предполагаемой небольшой величины остаточных напряжений в корне шва (-45 МПа), из-за (2) ожидаемого перераспределения остаточных напряжений с ростом усталостной трещины и последующей релаксацией этих сжимающих остаточных напряжений.Это предположение может привести к менее точным оценкам срока службы, но они будут консервативными, поскольку сжимающие остаточные напряжения в корне сварного шва для больших конструкций показали положительное влияние на усталостную долговечность [10]. Если величина сжимающих остаточных напряжений была высока в корне сварного шва или трещины возникли бы на носке сварного шва, учитывая тип внешней нагрузки. Следует учитывать влияние эффектов закрытия трещин или остаточных напряжений сжатия. Дополнительную информацию о включении сжимающих остаточных напряжений и эффектов закрытия трещин читатели могут найти в [10, 15, 16, 24, 27].Эффективный коэффициент интенсивности напряжений для коробчатой ​​сварной конструкции в этом исследовании определяется следующим образом:

$$ {\ varDelta K} _ {eff} = {K} _ {\ mathrm {max}} — \ max \ left (0 , {K} _ {\ mathrm {min}} \ right) $$

(5,3)

Начальный размер трещины

В сварных конструкциях наличие острых дефектов может действовать как пусковой механизм для роста усталостной трещины, и, таким образом, фаза зарождения трещины незначительна [13]. Кроме того, поведение коротких трещин не рассматривается в данном исследовании, поскольку технически короткие трещины не существуют в изготовленных образцах (LOP 4 мм).В целом, было показано, что микроструктурные и физически небольшие трещины имеют более высокие скорости роста усталостных трещин по сравнению с длинными трещинами, что смещает кривую роста усталостной трещины в области I влево по сравнению с кривой роста усталостной трещины длинной трещины [24]. Дополнительную информацию о коротких трещинах и их поведении читатели могут найти в литературе [6, 15, 24, 27, 28]. В коробчатых сварных конструкциях фактический корневой зазор из-за LOP, т.е. 4 мм, можно использовать в качестве начальной трещины a ₀ [4, 9]; см. раздел 5.1.

Критический размер трещины

Окончательный размер трещины в этом исследовании не соответствует критерию, приведенному в [1, 29]. Вместо этого при расчете усталостной долговечности использовался критический размер трещины, соответствующий 75% общей толщины, поскольку трещина распространяется с уменьшенной скоростью роста трещины в направлении толщины стенки. Кроме того, имеющиеся результаты испытаний на усталость и макрофотографии сварного шва после разрыва показывают, что допущение этого критического размера трещины является разумным.

Процесс анализа LEFM

Глобальная модель FE, описанная в разделе 4, использовалась для анализа механики разрушения критических сварных швов. Граничные условия и нагрузка были применены в ANSYS и впоследствии импортированы в FRANC3D для описания трещины. Чтобы уменьшить время процессора, модель без взлома была разделена на глобальную и локальную без изменения плотности сетки. Важно, чтобы подмодель была достаточно большой, чтобы переход сетки между глобальной и локальной моделью был плавным.После вставки исходной трещины и повторного построения сетки подмодели смещения из статического анализа были импортированы в FRANC3D, где рассчитываются КИН. Эти КИН были необходимы для оценки направления и степени распространения трещины вдоль точек фронта трещины [30]. Этот процесс включает повторное построение сетки для локальной модели и вычисление смещений, повторяется до тех пор, пока не будет достигнут окончательный размер трещины.

Следует отметить, что FRANC3D v7.3 [4], использованный в этом исследовании, не смог справиться со случаем, когда часть поверхности трещины совпадала с поверхностью модели.Точно так же возникают серьезные трудности при построении сетки фронта трещины, когда она пересекает один из углов модели. Поэтому, чтобы преодолеть эти два недостатка, во-первых, ширина полноразмерной трещины была выбрана несколько короче линии шва, чтобы избежать углов. Во-вторых, все начальные трещины вносились в корень шва на расстоянии 1 мм от кромки.

Идентификация критической стороны в сварной конструкции коробчатого сечения

До распространения трещины были вычислены начальные КИН, чтобы найти критическую сторону, которая может привести к усталостному разрушению.В связи с этим, все типы трещин, определенные в разделе 5.1, были вставлены с разных сторон модели (см. Рис. 4c и d), и коэффициенты воздействия помех во всех режимах были рассчитаны в соответствии с процедурами, описанными в разделе 5.3. На рис. 5а и б показаны КИН вдоль всего нормированного расстояния до фронта трещины для случая 1 (полная длина, 4 мм LOP) для различных сторон коробчатой ​​конструкции. Следует отметить, что построены только результаты для сторон 1 и 2, поскольку аналогичные результаты были получены для противоположных сторон из-за симметрии.

Рис. 5

a КИН вдоль начальной трещины 1 на Стороне 1. b КИН вдоль начальной трещины 1 на Стороне 2. c Сравнение режима открытия ∆K _I по трещине корпуса 1 в разные стороны. d КИН вдоль начальной трещины 2 на Стороне 1. e КИН вдоль начальной трещины 2 на Стороне 2. f Сравнение режима раскрытия ∆K _I вдоль трещины 2 дюйма разные стороны. г Сравнение ∆K _I вдоль корпуса трещины 3 (полное проникновение) с случаем 1 (частичное проникновение) на критической стороне 1. h Сравнение ∆K _I вдоль случай 4 трещины (полное проникновение) с случаем 2 (частичное проникновение) на критической стороне 1

Результаты КИН показывают высокие значения в первом режиме K _I , которые намного превышают пороговые значения. SIF в режиме открытия высокий в середине и имеет тенденцию уменьшаться ближе к углам конструкции из-за более высокой жесткости и ограничений. Эта тенденция указывает на то, что ожидается умеренный рост в центре сустава. Также можно увидеть, что K _II (режим сдвига) и K _III (режим разрыва) по сравнению с K _I пренебрежимо малы и ниже порогового значения ∆ K _-й , особенно по центру трещины. Следовательно, рост трещины в смешанном режиме можно не принимать во внимание, а копланарное распространение трещины является допустимым предположением.Кроме того, сравнение ∆K _I на разных сторонах конструкции показывает наивысшую КИН на стороне 1 (или стороне 3) вблизи области приложения нагрузки; см. рис. 5c. Следовательно, с этой критической стороны ожидается более высокая скорость роста трещин.

Результат FM-анализа, относящийся к начальному состоянию трещины 2 (промежуточный, LOP 4 мм), включая рассчитанные SIF и их сравнения, показаны на рис. 5d — e. В этом случае промежуточная трещина шириной 40 мм была вставлена ​​в середину сварного шва, где самый высокий пик КИН находится рядом с поверхностями нагрузки. В отношении критических сторон и преобладающего режима нагружения I были сделаны те же выводы, что и для случая 1. Тем не менее, наблюдается, что K _I на углах намного выше порогового значения и не уменьшается значительно по сравнению с центром трещины.

LOP 0,5 мм использовался для моделирования случая, максимально приближенного к полному проникновению. Соответственно, трещины 3 и 4 были вставлены с разных сторон модели и были рассчитаны коэффициенты интенсивности напряжений для всех режимов.КИН на всем протяжении таких трещин сравнивается со случаем частичного проникновения на рис. 5g и h. Результат показывает более низкие значения вдоль фронта трещины для LOP 0,5 мм, что может привести к значительно более медленному росту трещины. Кроме того, рассчитанные SIF для полного проникновения показывают, что K _I в некоторых участках, близких к углам, немного ниже порогового значения.

Распространение трещин

Анализ роста трещин проводился с учетом того, что кольцевой сварной шов на стороне 1 (или стороне 3) является критическим из всех четырех, подверженных усталостному нагружению. Следовательно, трещины, вставленные с этой стороны, распространяются посредством дополнительной процедуры, выполняемой FRANC3D [30].

Рост в смешанном режиме

В условиях нагружения в смешанном режиме трещина распространяется некопланарно, и направление ее распространения изменяется. Для расчета направления существует несколько различных критериев. Одним из наиболее широко используемых критериев смешанного режима является критерий максимального растягивающего напряжения (MTS), предложенный Эрдоганом и Сихом [31], который используется в этом исследовании. При анализе FCP используются два общих подхода для оценки эквивалентного коэффициента интенсивности напряжений в смешанном режиме: подход доминирующего режима и подход комбинированного режима [32].Согласно подходу доминирующего режима, диапазон КИН в режиме I (Δ K _I ) является основным режимом раскрытия трещины и определяется уравнением. (5.4), в то время как в подходе комбинированных режимов эквивалентный диапазон SIF (Δ K _eq ) может быть вычислен на основе одного из критериев смешанного режима.

$$ {\ Delta K} _ {eq} = {\ Delta K} _I $$

(5.4)

Как видно на рис. 6a и b для промежуточной трещины, K _II намного ниже, чем K _I и становится приблизительно нулевым сразу после одного шага роста трещины (0 .1 мм). Рисунок 6c также показывает, что начальный угол перегиба -15 градусов в середине трещины внезапно падает до нуля для дальнейших приращений. Следовательно, может быть допустимым допущением реализовать подход доминирующего режима с использованием значений K _I и пренебречь условием смешанного режима. Следует отметить, что в условиях смешанного режима расширение трещины было невозможно более чем на шесть ступеней из-за большого искажения трещины на концах и пересечения фронта трещины с краем; см. рис.6г.

Рис.6

a K _I и b K _II вдоль фронта промежуточной трещины в смешанном режиме. c Угол перегиба по фронту промежуточной трещины в смешанном режиме при растяжении 0,6 мм. d Искажения в смешанном режиме. e K _I вдоль фронта трещины для распространения трещины на всю длину. f K _I вдоль фронта трещины для распространения промежуточной трещины. g K _I вдоль пути для 50% нормированного расстояния в полноразмерных и промежуточных трещинах

Копланарный рост

Предполагалось, что распространение трещины было плоским ( θ = 0), на основе низкого значения K _II и K _III и проблемы искажения. Среднее удлинение 0,5 мм было выбрано для каждой ступени роста, поскольку большие или меньшие значения приращения могут привести к неточным результатам или чрезмерному увеличению ступеней роста трещин.Следует отметить, что для трещины по всей длине (случаи 1 и 3) подгонка кривой была невозможна из-за проблем с зацеплением. Следовательно, вместо использования приращения трещины и вычисленных значений КИН в точках фронта трещины, история КИН была построена путем вставки серии более крупных трещин вручную. На рисунках 6e и f показан преобладающий режим SIF, K _I вдоль фронта трещины для роста трещины в случае 3 и 4 (полное проникновение), соответственно. На рисунке 6g также показан КИН вдоль пути для 50% нормированного расстояния как в полноразмерных, так и в промежуточных трещинах. Путь Из рис. 6e и g видно, что для трещины по всей длине высокие значения SIF приводят к максимальной скорости роста трещины, сосредоточенной в области, близкой к поверхности приложения нагрузки. На последних этапах распространения трещины, когда трещина расширилась примерно на 14 мм по толщине, КИН немного уменьшаются. Более того, из-за более высокой жесткости и ограничений SIF менее выражены в углах по сравнению с серединой.

На рис. 6f можно увидеть, что для промежуточной трещины все КИН вдоль фронта трещины сильно превышают пороговое значение, которое указывает на то, что рост трещины происходит по всему фронту трещины. Во время предварительных приращений КИН имеет тенденцию к увеличению в центре, где появляется более высокий рост трещины. Однако после нескольких шагов роста трещины она показывает совершенно противоположный характер, и трещина расширяется с большей скоростью на передних краях трещины.

Оценка усталостной долговечности

Усталостная долговечность оценивается с использованием неизмененной версии закона Парижа. Среднее количество циклов на шаг трещины рассчитывается в FRANC3D с использованием подхода с множественными переменными степенями свободы (MVDF) [4].Чтобы не переоценить усталостную долговечность, особенно для полноразмерных трещин, долговечность также рассчитывается численно в MATLAB на основе SIF, полученного при 50% нормированном расстоянии фронта трещины.

Количество циклов рассчитывается с использованием диапазонов SIF K _I в направлении глубины, где другой режим пренебрежимо мал. Данные характеристического роста ( C и м ) взяты из рекомендаций IIW [1] для вероятности отказа 2. 3% и 50%. Эти параметры основаны на тестировании с коэффициентом нагрузки 0,03. Рост трещины произойдет только в том случае, если диапазон КИН превышает пороговое значение [1, 24, 27]. Остаточное напряжение, эффект среднего напряжения, пороговый эффект и нестабильный рост трещины не учитываются, и только фаза распространения трещины считается частью усталостной долговечности. Результаты проиллюстрированы и сведены в таблицы на рис. 7а и в таблице 6 соответственно. Как показано на рис. 7а, остаточный срок службы коробчатой ​​конструкции с промежуточной трещиной больше, чем для состояния трещины по всей длине.Более того, для эквивалентной нагрузки 227 кН общее количество циклов для промежуточной трещины с полным проникновением составляет 838 979 циклов, тогда как это значение для LOP 4 мм уменьшается до 589 198 циклов, причем оба с вероятностью отказа 50%. Корреляция срока службы, оцененного для промежуточной трещины с LOP 4 мм при вероятности разрушения 50%, с экспериментами показана на рис. 7c и d. Сплошная линия на рисунке показывает, когда усталостная долговечность оценена со 100% точностью. Можно заметить, что расчетный срок службы безопасен.Большой разброс можно увидеть в испытанной жизни в этом исследовании. Частично это может быть связано с разбросом измеренного LOP, который варьировался от 3 до 5 мм. Тем не мение; среднее значение составило около 4 мм.

Рис.7

a Число циклов в зависимости от глубины трещины на пути для 50% нормированного расстояния в образце эталонной коробки ( p _f = 50%). b Сравнение методов оценки усталости, включая LEFM, с экспериментом. c Корреляция между экспериментами. Эффективное напряжение надреза и LEFM. d Корреляция между экспериментами и методом номинального напряжения

Таблица 6 Сводка расчетной усталостной долговечности для эталонной конструкции MTA

На основе результатов в таблице 6 и сравнения вычисленного общего количества циклов до разрушения (т. Е. Столбцы 5 или 6) с их усредненными значениями (т. е. столбцы 7 или 8 в таблице) обнаружено небольшое отклонение для промежуточной трещины, в то время как значительная разница может наблюдаться для трещины полной длины, что связано с подходом MDVF в FRANC3D [4] .Это несоответствие проясняет неспособность этого подхода к оценке циклов усталости для длинной неглубокой трещины, несмотря на его многочисленные преимущества.

Процедура определения устойчивых структурных напряжений для определения усталостных характеристик сварных соединений на JSTOR

Журнальная статья

Робастная процедура определения напряжений конструкции для характеристики усталостных характеристик сварных соединений

Пинша Донг

Сделки SAE

Издатель: SAE International

https: // www. jstor.org/stable/44699754

Копировать

В данной статье обобщены некоторые недавние результаты по оценке усталости сварных соединений. Была обсуждена процедура структурных напряжений, нечувствительная к сетке, которая использовалась для характеристики геометрических эффектов повышения напряжения в сварных соединениях. Существующие данные об усталости сварных швов, опубликованные в открытой литературе, были проанализированы с использованием параметра структурного напряжения.Несмотря на то, что данные по усталости были получены из различных отраслей промышленности, материалов и толщин, интерпретация существующих данных на основе структурных напряжений продемонстрировала следующее: (1) Структурные напряжения, нечувствительные к сетке, служат в качестве эффективного параметра напряжения для корреляции данных усталости SN и обеспечить переносимость данных между различными типами соединений. (2) Большое количество кривых SN сварного шва, классифицированных по типу соединения с помощью подхода, основанного на текущей категории сварного шва, может быть значительно сокращено, например, потенциально до одной кривой для разрушения носка сварного шва.(3) Такой параметр структурного напряжения может быть эффективно использован для понимания усталостных характеристик сварных соединений.

SAE International — это глобальная ассоциация, объединяющая более 128 000 инженеров и технических экспертов в аэрокосмической, автомобильной и коммерческой промышленности. Основные направления деятельности SAE International — обучение на протяжении всей жизни и разработка добровольных согласованных стандартов. Благотворительным подразделением SAE International является SAE Foundation, который поддерживает множество программ, включая A World In Motion® и Collegiate Design Series.

× Закрыть оверлей

Закрыть просмотр

Метод оценки усталостной долговечности сварных точечных конструкций

Образец цитирования: Nakahara, Y. , Такахаши, М., Кавамото, А., Фудзимото, М. и др., «Метод оценки усталостной долговечности для сварных точечных конструкций», Технический документ SAE 2000-01-0779, 2000, https://doi.org /10.4271/2000-01-0779.
Загрузить Citation

Автор (ы): Юдзи Накахара, Масаюки Такахаши, Ацуши Кавамото, Масао Фудзимото, Нобору Томиока

Филиал: Toyota Motor Corp., Kanto Auto Works, Ltd., Press Kogyo Co., Ltd., Автомобильный колледж Наканихон, Nihon Univ.

Страницы: 17

Событие: Всемирный конгресс SAE 2000

ISSN: 0148-7191

e-ISSN: 2688-3627

Улучшение кривой структурного напряжения – усталостной долговечности при точечной сварке на основе метода квазиньютона | Китайский журнал машиностроения

Расчет структурного напряжения с поправочными коэффициентами

Как показано на Рисунке 2, на примере листа 1 уравнение структурного напряжения после введения поправочного коэффициента может быть выражено как

$$ \ begin {выровнено } \ sigma_ {v1} = — \ sigma _ {\ text {max}} \ left ({F_ {x1}} \ right) \ cos \ theta — \ sigma _ {\ text {max}} \ left ({F_ {y1 }} \ right) \ sin \ theta + \ sigma _ {\ text {max}} \ left ({F_ {z1}} \ right) \ hfill \\ + \ sigma _ {\ text {max}} \ left ({M_ {x1}} \ right) \ sin \ theta — \ sigma _ {\ text {max}} \ left ({M_ {y1}} \ right) \ cos \ theta, \ hfill \\ \ end {выровнено} $$

(9)

, где

$$ \ sigma _ {\ text {max}} \ left ({F_ {x1}} \ right) = \ frac {{F_ {x1}}} {{\ pi ds_ {1}}} \ раз SFFXY \ times d ^ {DEFXY} \ times s_ {1} ^ {TEFXY}, $$

(10)

$$ \ sigma _ {\ text {max}} \ left ({F_ {y1}} \ right) = \ frac {{F_ {y1}}} {{\ pi ds_ {1}}} \ times SFFXY \ раз d ^ {DEFXY} \ times s_ {1} ^ {TEFXY}, $$

(11)

$$ \ sigma _ {\ text {max}} \ left ({M_ {x1}} \ right) = \ left ({\ frac {{1. {TEFZ}. $$

(14)

В уравнениях для решения структурных напряжений для точечной сварки были введены девять параметров для изменения результатов напряжений, полученных с помощью силы сдвига, осевой силы и изгибающего момента. В настоящее время исходные значения по умолчанию в основном используются в проекте для расчета структурного напряжения стали при точечной сварке. Значения этих параметров по умолчанию приведены в Таблице 5.

Таблица 5 Начальные параметры коррекции (C1)

Структурное напряжение, рассчитанное после введения поправочного коэффициента, и усталостная долговечность, полученная в результате испытания, были нанесены на график, и результат показан на рисунке 13.Регрессионный анализ был выполнен на данных испытаний точечной сварки с использованием метода наименьших квадратов.

Рис. 13

S – N-кривая образцов, полученных точечной сваркой, с начальным параметром коррекции r = 0,5

Фактически, точечная сварка широко используется в конструкциях железнодорожных транспортных средств, а также в кузовах и основных компонентах автомобилей. Автомобили в основном изготавливаются из тонкостенной высокопрочной стали, а железнодорожные вагоны — из аустенитной нержавеющей стали. Усталостные свойства этих двух типов конструкций для точечной сварки в двух условиях различны.Исходная кривая S – N неточна и не может соответствовать требованиям железнодорожного транспорта. Поэтому следует учитывать параметры коррекции и оптимизировать исходную кривую S – N, чтобы получить новую кривую S – N, которая более актуальна и подходит для точечной сварки конструкций железнодорожных транспортных средств.

Оптимизация коэффициента коррекции

В соответствии с уравнениями для решения напряжений конструкции. (1) — (6) коэффициент корреляции R ² подобранной кривой SN принимается в качестве целевой функции, а переменными являются девять параметров в уравнениях решения напряжений конструкции, диапазон которых находится между 0 и 1. .Программа оптимизации параметров была скомпилирована в MATLAB. В программе поправочные коэффициенты для толщины листа и диаметра сварного стержня используются в качестве переменных в диапазоне от 0 до 1, посредством чего можно рассчитать структурное напряжение S. Затем, в сочетании с испытательной усталостной долговечностью N, квадрат коэффициента корреляции R ² может быть максимизирован. На рисунке 14 показана конкретная блок-схема оптимизации.

Рисунок 14 Процесс оптимизации кривой

S – N

Функция fmincon инструмента нелинейной оптимизации с ограничениями в MATLAB использовалась для управления максимальной целевой функцией.Для оптимизации полученной кривой S – N использовался алгоритм квазиньютоновского метода (BFGS) [35]. Кривая S – N была оптимизирована при соотношении нагрузки r = 0,5, и оптимизированные результаты перечислены в таблице 6.

Таблица 6 Оптимизированные параметры

Были изменены начальные входные значения девяти параметров. Затем были рассчитаны скорректированные значения параметров и значения коэффициентов корреляции. Результаты приведены в Таблице 7.

Таблица 7 Результаты оптимизации при различных начальных входных данных

Из Таблицы 7 видно, что в случае разных начальных значений девять скорректированных параметров мало отличаются, а коэффициент корреляции без изменений, что свидетельствует о том, что процедура оптимизации верна и полученные результаты являются оптимальными решениями в данном интервале.

Первые две строки результатов оптимизации — это параметры поперечной силы и осевой силы. Значения близки к нулю. Когда эти значения вводятся в формулы решения структурных напряжений, полученные \ (\ sigma _ {\ text {max}} \ left ({F_ {x}} \ right) \) и \ (\ sigma _ {\ text { max}} \ left ({F_ {y}} \ right) \) также близки к нулю. Это означает, что влияние поперечной силы и осевой силы на структурное напряжение игнорируется, что неверно. В ответ на эту проблему были применены три конкретных метода оптимизации.{TEFZ}. $$

(19)

В соответствии с ур. (15) — (19) кривая S – N для точечной сварки при соотношении нагрузок r = 0,5 была повторно оптимизирована. Результаты оптимизации параметров перечислены в таблице 8.

Таблица 8 Результаты оптимизации параметров (C2)

Оптимизированные результаты были внесены в уравнения структурных напряжений для повторного решения структурных напряжений. Уравнение кривой S – N для образца, полученного точечной сваркой, под действием растягивающе-сдвиговой нагрузки: \ (y = 0.{TEFZ}. $$

(24)

В соответствии с ур. (20) — (24) кривая S – N для точечной сварки при коэффициенте нагрузки r = 0,5 была повторно оптимизирована. Результаты оптимизации параметров перечислены в таблице 9.

Таблица 9 Результаты оптимизации параметров (C3)

Оптимизированные результаты были внесены в уравнения структурных напряжений для повторного решения для структурных напряжений. Уравнение кривой S – N для образца, полученного точечной сваркой, при растягивающе-сдвигающей нагрузке: \ (y = 0.{TEFZ}. $$

(29)

В соответствии с уравнениями напряжений конструкции. (25) — (29) кривая S – N для точечной сварки при коэффициенте нагрузки r = 0,5 была повторно оптимизирована. Результаты оптимизации параметров перечислены в таблице 10.

Таблица 10 Результаты оптимизации параметров (C4)

Оптимизированные результаты были внесены в уравнения структурных напряжений для повторного решения для структурных напряжений. Уравнение кривой S – N для образца, полученного точечной сваркой, под действием растягивающе-сдвиговой нагрузки: \ (y = 0.17041x + 3,2622, \) с R ² = 0,8874.

Сравнивая рисунок 13 с рисунками 15, 16, 17, можно обнаружить, что после трех типов корректировок коэффициенты корреляции кривых S – N для точечной сварки увеличились, и все точки данных испытаний попадают в пределы пяти периодов жизни.

Рисунок 15

Кривая S – N для образцов, полученных точечной сваркой, при корректирующем отношении нагрузки r = 0,5 (C2)

Рисунок 16

Кривая S – N для образцов, сваренных точечной сваркой, при корректирующем отношении нагрузки r = 0.5 (C3)

Рисунок 17

Кривая S – N для образцов, полученных точечной сваркой, при корректирующем отношении нагрузки r = 0,5 (C4)

Результаты четырех методов оптимизации и параметров оптимизации перечислены в Таблице 11 и Таблица 12 соответственно.