книги из ГПНТБ / Талыпов Г.Б. Сварочные деформации и напряжения

В В Е Д Е Н И Е

В настоящей работе рассматривается один из практически важ­ ных и сложных классов температурных задач упруго-пластиче­ ских деформаций.

Более 100 лет назад Дюгамель и Нейман дали обобщение ос­ новных уравнений теории упругости для класса температурных задач, имеющего важное практическое значение и характери­ зующегося условиями:

1)температурное поле тела от начального состояния, которое обычно является равномерным, изменяется неравномерно в таких достаточно узких пределах, что физико-механические характери­ стики его материала практически остаются неизменными и отно­ сительное температурное расширение пропорционально темпера­ туре;

2)с определенного момента температурное поле-неизменно во времени;

3)деформации во всех точках тела остаются упругими.

Развитие техники обусловило необходимость изучения напря­ жений и деформаций в элементах конструкций, вызываемых неста­ ционарными температурными полями Т (х, у, г, f).

Каждое такое температурное поле вызывает напряженное со­ стояние, изменяющееся с течением времени t, и задача определе­ ния поля напряжений (деформаций) в таких случаях является динамической. При этом, если деформации не сопровождаются выделением или поглощением тепла, т. е. если температурное поле вызывается только внешними и внутренними источниками, при которых не имеет места переход механической энергии в тепловую и уравнение теплопроводности не будет содержать члена, завися­ щего от деформаций, то задачи определения полей температур и напряжений (деформаций) решаются независимо друг от друга (несвязанные температурные задачи деформируемого тела).

Если же само изменение деформации сопровождается измене­ нием температуры, то имеем связанную температурную задачу деформируемого тела, где задачи определения полей температур и деформаций (напряжений) должны решаться одновременно. Но, как показывают исследования [140, 143], влияние выделяемого в процессе деформации тепла на температурное поле от источников весьма мало и связанная температурная задача деформируемого тела может иметь значение только в тех случаях, когда внешние источники отсутствуют и температурное поле вызывается самим процессом деформации. В настоящей монографии рассматриваются температурные задачи, где температурные поля вызываются внеш­ ними источниками, т. е. несвязанные температурные задачи де­ формируемого тела.

За последние 20—25 лет бурное развитие ядерной техники, энер­ гетики, ракетостроения, самолетостроения, судостроения и т. д. как в Советском Союзе, так и за границей привело к усилению исследований нестационарных температурных напряжений (дефор­ маций) при высоких уровнях температур и значительных темпе­ ратурных градиентах. Изложение теории квазистационарных и нестационарных температурных напряжений приведено в мо­ нографиях [8, 26, 80, 92]. К сожалению, в этих монографиях недостаточно отражены работы советских исследователей. В мо­ нографии [8] приведен список работ по температурным напря­ жениям, появившихся на русском языке, составленный редак­ тором перевода Э. И. Григолюком.

Настоящее исследование посвящено классу температурных за­ дач, который характеризуется условиями:

1)температура в весьма ограниченной области тела изменяется

вшироких пределах; например, для металлов она может быть вблизи температуры их кипения;

2)в неподвижной системе координат температурное поле по­ движно и температура в каждой точке зоны нагрева изменяется во времени, охватывая весь цикл нагрева и остывания;

3)в силу подвижности температурного поля оказываются по­ движными зоны упругих, упруго-пластических и чисто пластиче­ ских деформаций;

4)в зоне более интенсивного нагрева физико-механические характеристики материала изменяются в широких пределах и важнейшие из них, например механические характеристики, в ре­ зультате нагрева и остывания могут получить существенные необ­ ратимые изменения;

5)после полного остывания тело, будучи свободным от внеш­ них сил, находится в упруго-пластическом деформированном состоянии; при последующем приложении внешних сил оно может частично оказаться в условиях сложного нагружения [44].

Этот класс температурных задач возник в связи с применением сварки, которая в настоящее время является основным способом неразъемного соединения элементов конструкций практически во

всех отраслях промышленности и строительства и почти целиком вытеснила клепку. К этому же классу относятся задачи, связанные с процессом упруго-пластических деформаций в металле, вызы­ ваемых газовой резкой.

В связи с применением сварки возникает ряд проблем *. В ча­ стности:

1) рациональное конструирование, т. е. разработка такой свар­ ной конструкции, где сварочные деформации и напряжения ока­ зывали бы минимальное влияние на ее эксплуатационную проч­ ность;

2)обоснование технологических допусков на сварные кон­ струкции; обеспечение предусмотренных чертежами форм и раз­ меров сварных конструкций;

3)прочность сварных конструкций.

Несмотря на наличие многочисленных работ по всем этим воп­ росам эти проблемы нельзя считать разработанными в достаточной мере. Первые две из этих проблем не требуют специального пояс­ нения. По третьей проблеме до настоящего времени нет единой точки зрения.

Сварка связана со сложным взаимодействием многих физикомеханических и механических факторов. В частности, в процессе сварки (или газовой резки) определенная зона основного металла подвергается процессу термического сложного нагружения [117]. В настоящее время не приходится рассчитывать на возможность точной математической постановки и решения проблемы исследо­ вания сварочных деформаций (напряжений) с учетом всех ее сторон. Создание точного математического аппарата для определе­ ния сварочных деформаций (напряжений) сопряжено с большими трудностями, которые обусловлены подвижностью температур­ ного поля; вместе с тем оказываются подвижными зоны чисто упру­ гих, упруго-пластических и чисто пластических деформаций при условиях, когда теплофизические и физико-механические харак­ теристики металла изменяются в широких пределах, а некоторые из них в процессе сварки и остывания могут получить суще­ ственные необратимые изменения. Такой аппарат до настоящего времени не разработан, и если он будет создан, то не менее труд­ ным окажется его применение к конкретным задачам.

В простейших случаях задачи о сварочных деформациях и напряжениях схематически могут быть представлены следующим образом. Возьмем металл, который резко теряет свою способ­ ность сопротивляться пластическим деформациям в определенном для него достаточно узком интервале температур. Для простоты примем, что он теряет свою способность сопротивляться пластиче­ ским деформациям при средней в этом интервале температуре Тк. Имея это в виду, поставим задачу: внутренняя ограниченная

*Здесь не рассматриваются другие важные проблемы, возникающие в связи

сприменением сварки (технологические, металлургические и т. д.).

часть большого плоского листа нагревается мощным источником сосредоточенно-равномерно по толщине до температур Т >> Тк. Необходимо определить деформации и напряжения в точках листа после его остывания. Вопрос усложняется, если источник пере­ мещается вдоль некоторой линии от начального до конечного поло­ жения, т. е. когда подвижная изотерма Тк образует некоторую область. Еще более сложную задачу получим в случае, когда тол­ щина листа значительна и температурное поле подвижного источ­ ника окажется пространственным.

Сложностью рассматриваемой проблемы в общей ее постановке обусловлен и тот факт, что существовавшие до выхода монографии [116] расчетные схемы сварочных деформаций и напряжений не выходили в основном за пределы простейшей задачи — случая наплавки валика на продольную кромку свободной полосы, где справедлива гипотеза плоских сечений. Краткое изложение этих теорий дано в § 2—4 монографии [116], а также в работе [52]

ив данной монографии в п. 20—22.

Впоследние годы появились работы по применению ЭВМ для исследования сварочных деформаций и напряжений свободных полос [98], бесконечных пластин на основе теории малых упругопластических деформаций [8, 19], конечных пластин с различ­

ными условиями крепления краев на основе теории течения [17, 63—65].

Всилу сложности задачи в общей постановке естественно идти по пути разработки приближенной теории сварочных деформаций

инапряжений. Исходные предпосылки этой теории должны базиро­ ваться на результатах изучения коренных изменений, происходя­ щих в основном металле зоны шва после сварки и остывания. Все эти изменения, а именно: структурные, механических свойств и по­ явление сварочных деформаций (напряжений) должны изучаться не в отрыве друг от друга, а в их взаимной связи с тем, чтобы для металлов с достаточно высокой температурой объемных превраще­ ний найти тот физический параметр, который определяет их и управляет ими [116].

Всоответствии с этим принципом в гл. 6 настоящей работы при­ водятся результаты исследования структуры и механических свойств основного металла зоны как линейного, так и плоского крестового швов, опытные данные о характере распределения сва­ рочных деформаций в этой зоне. Вместе с тем в последних пара­ графах этой главы приводятся результаты опытного решения, принципиального для построения приближенной теории вопроса — путем изменения какого физического параметра можно управлять изменением структуры и механических свойств основного металла зоны шва, а также сварочными деформациями и напряжениями.

Проблема сварочных деформаций и напряжений отличается не только сложностью, но и многогранностью. В связи с необходи­ мостью оценки прочности в процессе сварки и исключения воз­ можности появления горячих трещин представляет большой

практический интерес изучение деформаций и напряжений, воз­ никающих в процессе укладки шва [65, 74, 75, 97]. При сварке легированных сталей с низкой температурой распада аустенита возникают деформации и напряжения, обусловленные структур­ ными превращениями [59, 65, 74, 85]. Рассмотрение этих вопросов не входит в наши задачи. В настоящей работе дается обоснование приближенной теории для определения одноосных, двухосных, и трехосных сварочных деформаций и напряжений, возни­ кающих после сварки и полного остывания, применительно к ме­ таллам, у которых температуры объемных превращений находятся выше их температуры Тк.

Приближенная теория должна базироваться на системе неко­ торых основных допущений и гипотез, подтвержденных опытом. В гл. 7 сформулированы основные гипотезы и допущения, на которых базируется предлагаемая теория, а также дается опытное обоснование основной гипотезы приближенной теории для раз­ личных металлов. Работа [116] была посвящена обоснованию приближенной теории сварочных деформаций и напряжений и ее применению к сварным изделиям из однородных металлов. В на­ стоящей монографии показана применимость приближенной тео­ рии к определению деформаций и напряжений, возникающих в ре­ зультате сварки изделий из цветных металлов, биметалла и из разнородных металлов.

Гл. 6, 7, где дается обоснование приближенной теории, пред­ шествуют вспомогательные гл. 1—4, а также гл. 5, где дается обзор работ, посвященных разработке теории сварочных деформаций и напряжений.

Как выводы в результате изучения коренных изменений (гл. 6), так и основные гипотезы и допущения приближенной теории (гл. 7) неразрывно связаны с особенностями термического процесса и тем­ пературного поля, возникающими при сварке (или газовой резке) мощным подвижным источником тепла. Для конкретного примене­ ния этой приближенной теории необходимо знать температурное поле предельного состояния нагрева при сварке данной конструк­ ции при данном режиме и определить размеры зон чисто пластиче­ ских и упруго-пластических деформаций нагрева, которые входят в решение по этой теории как основные определяющие параметры. Поэтому в гл. 1 и 2 дается краткое изложение основных законов теплопроводности и основ теории температурного поля сварки, раз­ работанной акад. Н. Н. Рыкалиным [103, 104].

Определение сварочных деформаций (напряжений) приближен­ ная теория сводит к обычным задачам исследования упруго-пла­ стических деформаций стержней, пластин и оболочек. При этом решение задачи в каждом конкретном случае может быть получено или методом «сшивания» зоны, получившей заданные пластические деформации нагрева, с остальной частью изделия или же оно мо­ жет быть сведено к температурной аналогии метода сшивания, т. е. к температурной задаче мгновенного охлаждения зон, получивших

при нагреве чисто пластическую и упруго-пластическую деформа­ ции, где закон распределения температуры мгновенного охлажде­ ния определяется законом распределения пластических деформа­ ций нагрева. Поэтому в гл. 3 и 4 приведено краткое изложение аппарата температурной задачи деформируемого тела при упругих

иупруго-пластических деформациях.

Вгл. 8 дается применение приближенной теории к решению конкретных задач по определению сварочных деформаций и на­ пряжений в балках, пластинках и оболочках. Тут же дается опыт­ ная проверка результатов, получающихся по предлагаемой тео­ рии. Сравнение теоретических результатов с опытными показы­ вает их удовлетворительное соответствие.

Металл зоны сварочного шва после сварки и остывания во мно­ гих случаях оказывается в упруго-пластическом деформированном состоянии [116]. При последующем приложении внешних сил металл указанной зоны может оказаться в условиях сложного погружения [117]. В важной для практики проблеме оценки влия­ ния сварочных напряжений на прочность конструкций в настоя­ щее время не существует единого мнения.

В гл. 9 монографии дан анализ новейших результатов по этой проблеме, который с несомненностью указывает на влияние оста­ точных сварочных напряжений на прочность конструкций.

Большую помощь автору в оформлении работы оказали В. Д. Горностай и.В. И. Хадарина. Автор выражает им глубокую благодарность.

Все замечания по книге будут приняты автором с благодар­ ностью.

Глава 1

О С Н О В Н Ы Е З А К О Н Ы Т Е П Л О П Р О В О Д Н О С Т И

1. ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЕ УРАВНЕНИЕ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ

Во всем последующем будем рассматривать однородное тер­ мически изотропное тело. Механические и теплофизические ха­ рактеристики такого тела остаются соответственно одинаковыми во всех точках и направлениях при равномерной для всего тела температуре.

Пусть в это тело в некоторый момент времени вводятся источ­ ники тепла. Они могут быть распределены непрерывно по всему телу или по его отдельным зонам. Выделяемое этими источниками тепло в силу теплопроводности будет постепенно распростра­ няться по этому телу. Задача заключается в том, чтобы найти сово­ купность значений температуры во всех его точках в любой после­ дующий момент времени, т. е. найти температурное поле.

Обозначим через W (х, у, z, t) интенсивность этих источников, т. е. количество тепла, которое создается источниками в единице объема за единицу времени. При этом в элементе объема dco за промежуток времени dt совокупностью этих источников будет выделяться тепло

В последующем не будем учитывать превращение механической энергии, возникающей в процессе деформации, в тепловую, т. е. будем рассматривать несвязанные температурные задачи дефор­ мируемого тела [13 ]. При этом часть dQ2 тепла dQ1 останется в са­ мом элементе, а другая часть dQ3 уйдет наружу через его поверх­ ность, причем

мого элемента происходит повышение температуры в единицу