книги / Несущая способность сварных соединений
..pdfуровень развития дефектоскопии. Удобным является так называе мое жесткое нормирование, базирующееся на наиболее неблаго приятном с точки зрения снижения прочности случае расположе ния дефекта. Для сварных соединений с мягким' стыковым швом наиболее опасным яйляется случай, когда дефект расположен в центральной части шва. Согласно (2.5) и 1(2,6): прочность сварных соединений с дефектом в центре шва в пределах изменения отно
сительной |
толщины |
шва и р < и < и к варьируется от |
прочности |
|||
|
|
|
2 |
|
до прочности металла шва |
|
основного металлаa oCp==^=oJ ^1 — |
||||||
2 |
М |
1----- |
учетом ослабления поперечного |
сечения со- |
||
— О |
||||||
,<Тср—у'з ~ |
|
в |
|
|
|
|
единения за счет дефекта. |
соотношения для оценки чувстви |
|||||
С учетом |
этого |
получены |
||||
тельности сварного соединения к дефекту [178]: |
|
|||||
*Р< * < хк; |
ЦВ |
|
( 1 - / / Я ) - * 2 |
(2.56) |
||
q |
|
|
||||
О < у- ^ |
*г |
, |
1 |
(К. |
1)(1 - * / Д )Л |
|
*7=1----- 9 1+ |
1—IIВ |
|||||
|
|
|
К\ |
|
|
|
Согласно (2.56) сварные соединения в диапазоне хр<Сх<;кк всегда чувствительны к дефекту (<7>0). При соедине ния нечувствительны к дефекту в диапазоне его относительных размеров
0 ^ |
^ I — |
% |
(2.57) |
|
(2Кв + 1)-К(!2АГ, + 1 )* - 1 |
||||
|
ш . |
|
С точностью до 3% данное выражение можно представить в бо лее удобном виде:
0 ^ ^ | ^ 1 — 2 (2 К9-Ь 1) х. |
(2.58) |
При установлении диапазона допустимых размеров дефектов необходимо исходить из того, что соединения должны быть нечув ствительны к дефекту данных размеров, а их прочность должна быть не ниже установленного уровня. Если в качестве уровня до
пустимых напряжений принять предел прочности мягкого металла 2
ог™*“ = —= <7в* то соотношение, определяющее диапазон размеров
V з
дефектов, обеспечивающих данный уровень прочности рассматри ваемых соединений, преобразуется к виду
$ 1 -f и |
«*± 1)_ _ _ —— 1 / * JL 4- |
юп |
\ KD 1 у ( /с . - 1 ) к к ш^ |
(2.59)
оз
Диапазон допустимых размеров дефектов определяется соот~ ношениями (2.58) и (2.59).
Рассмотрим нормирование дефектов в сварных соединениях с твердым швом, нечувствительных к дефекту (<7=^0 ) при произ вольном его расположении. Наиболее опасны дефекты, располо женные на границе сплавления. Если в качестве критерия принять
предел |
прочности мягкого металла (основной металл) ojjjj1— |
"* |
т0 диапаз0Н допустимых размеров дефектов определится |
выражением [164]
Кш |
(2.60) |
|
1 + ( * . - 1 )
Рассмотрим другие подходы к нормированию дефектов в сты ковых сварных соединениях, состоящие в нахождении диапазона размеров дефектов, не приводящих к квазихрупким (хрупким) разрушениям рассматриваемых сварных соединений.
Для удобства воспользуемся функциональной связью критери ев разрушения бс и Kic, а также Kic с характеристиками ог, ав и
с = ^ |
[123]: |
|
|
|
Of |
а |
(от 4- ов)2 |
|
|
|
(2-61> |
|||
|
■—■I ■■ • |
- |
■■ |
|
|
]}с— b |
£ст |
|
|
где а, b |
— некоторые постоянные |
коэффициенты |
(а^ —0,807; |
|
**1Д7).
Зависимость (2.61) получена путем статистической обработки опытных данных для широкого класса конструкционных сталей и сплавов. В [22, 164, 207] описаны также другие подходы для та ких расчетов. Зная механические характеристики металла шва, по соотношению (2.40), полученному для соединений с дефектом в центре шва, можно оценить несущую способность сварных соеди нений в условиях квазихрупкого (хрупкого) разрушения. Вязкую прочность сварных соединений с дефектом в случае их нечувстви тельности к дефекту рассчитывают из соотношения
1 - М , |
(2.62) |
где а°р — прочность бездефектного соединения, определяемая со отношениями (1.14) и (1.19). Для практического пользования ме тодика нормирования дефектов представлена в виде номограммы (рис. 2.17). В правом верхнем ее квадранте показана зависимость
Kic от механических характеристик <гт, сгв и параметра с = — В
от
левом верхнем квадранте — переход от критерия Kic к критичес-
металла сварного соединения [104]. Иногда при анализе разруше ния используют величину раскрытия трещины [50]. Во втором случае [33] определяют полное удлинение сварного соединения в момент разрушения на стандартной базе Аразр и величину абсо лютного удлинения на той же базе Ат при нагрузке, соответствую
щей моменту наступления текучести в шве. Величина пг= .-разр
Af
дает запас «прочности по пластичности». Если учесть, что часть ресурса пластичности материала rj3 может быть исчерпана в про-
Рис. |
2.18. |
Расчетная схема |
Рис. 2.19. Определение остаточ |
||
для |
соединения с |
централь |
ных напряжений методом канавки. |
||
ным |
трещиноподобным |
де |
|
||
фектом с |
учетом |
действия |
|
||
остаточных |
напряжений |
и |
|
||
|
внешней нагрузки. |
|
|
||
цессе сварки, то запас «прочности по пластичности» окончательно
можно определить как т)3пй— ^£!!Е Аналогичные предпосылки Ат
положены в основу более общего подхода [87], который строится па базе бк-модели.
Наиболее распространенный подход оценки влияния ОСН на прочность сварных соединений базируется на использовании прин ципа суперпозиции при нахождении коэффициентов интенсивности напряжений от действия внешних нагрузок и остаточных напря жений.
Рассмотрим наиболее опасную с точки зрения квазихрупкого разрушения ситуацию — расположение трещиноподобного дефек та в центре стыкового шва (рис. 2.18). При достаточном удалении дефекта от границы сплавления основного металла и металла шва (условие (2.44)) соединения можно рассматривать как однород ные. В соответствии с принципом суперпозиции коэффициент ин тенсивности напряжений от совместного действия внешних и оста точных напряжений
Kioc=Ki+Ko., |
(2.64) |
и
где Ki — коэффициент интенсивности напряжений от внешних на
грузок, Ki= 0 )0 /2 ; К ос — коэффициент интенсивности напряже
ний от остаточных сварочных напряжений.
Коэффициент интенсивности напряжений Кос от остаточных
напряжений, приложенных к берегам трещиноподобного дефекта, используя формулу Келдыша—Седова, можно записать [159] как
(2.65)
КОС
где <г„ост — остаточные сварочные напряжения, действующие в плоскости рассматриваемого дефекта (см. рис. 2.18).
Значение общего (результирующего коэффициента интенсив ности напряжений К ю с можно получить по уравнениям, учиты
вающим связь раскрытия трещиноподобного концентратора с коэффициентом интенсивности напряжений в его вершине:
Kioe = V 0,57 Е SoBI |
(2.66) |
где Е, ств — характеристики материала; б — текущее значение раскрытия трещиноподобного дефекта, получаемое от совместного действия внешних нагрузок и остаточных напряжений.
Разрушение сварного соединения происходит при достижении критического значения раскрытия дефекта б* (б=б*). Соответству ющее данному случаю критическое значение внешнего усилия <x=aj нетрудно найти из соотношений (2.64) — (2.66). Однако в данном случае, как и ранее (см. п. 2.2.2.), необходимо внести поправку на конечность размеров рассматриваемого сварного
соединения, например, в формуле (2.38): <уЦ=&£0 sec |
(Око |
критические средние напряжения, приложенные к соединению толщиной В, при наличии в последнем остаточных сварочных на пряжений). Следует отметить, что в поправку на ограничения размеров необходимо учитывать также при определении коэффици ента интенсивности напряжений от остаточных сварочных напря жений.
Из соотношений (2.64)— (2.66) получено выражение для опре деления критических напряжений сварных соединений при наличии в них остаточных напряжений:
_____ W _____
j |
|М,) |
-1/2 |
|
Как видим, первая часть выражения (2.67) представляет со бой соотношение, полученное для оценки критических напряжений сварных соединений с дефектом без учета остаточных напряжений (2.40). Очевидно, что критическое значение внешней нагрузки при наличии в сварном соединении остаточных напряжений отли-
чается от случая, описанного соотношением (2.40), на величину, пропорциональную Кос:
‘" - ' - 7 , J |
(г* > |
- 1/2
Для наглядного представления механизма влияния остаточных сварочных напряжений на прочность соединений в условиях квазихрупкого (хрупкого) разрушения аппроксимируем поле оста точных напряжений, представленное на рис. 2.18, выражением
(2.69)
где 0Р, Ос — некоторые характерные параметры кривой эпюры остаточных напряжений (см. рис. 2.18).
С учетом (2.69) выражение (2.68) для определения уровня критических напряжений сварных соединений при наличии оста точных напряжений оУ(0ст) имеет вид
(2.70)
где
*(Ь ;)-(,+г:)-'-1-*1-?,• ■'-МгУ-ш-
Здесь / 0(—d) — модифицированная функция Бесселя нулевого порядка.
Анализ полученных результатов показывает, что остаточные сварочные напряжения снижают критическую нагрузку ак* свар ных соединений. При увеличении размера трещиноподобного де фекта / влияние остаточных напряжений также снижается и при.
параметрах дефекта - ^ 2 их влиянием на несущую способность
JL*
можно пренебречь.
Правомерность подхода, основанного на принципе суперпози ции, становится проблематичной в случае, когда в вершине кон центратора возникают развитые зоны текучести, размер которых выходит за рамки условия автомодельности зоны предразрушения. Следует, однако, заметить, что при этом возникает существенное перераспределение остаточных напряжений, что приводит к сни жению их отрицательного влияния на прочность сварных со единений.
2.5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСТАТОЧНЫХ СВАРОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ
Оценка прочности сварных соединений в условиях их квазихрупкого (хрупкого) разрушения требует знания реальных зна чений остаточных напряжений. Широко распространены в насто-
нагрузки на прямолинейной границе [155]. Как показано в [155], если рассматривать произвольное распределение нагрузки в качестве составляющего большого числа нагрузок переменной интенсивности, действующих на малые элементы границы, то главные напряжения на границе под любым элементом полностью
связаны лишь |
с ним, т. е. |
ап= ау= —g |
в пределах действия |
и (jrt=cyv= 0 |
вне поля их |
действия. |
Следовательно, задачу |
выявления связи между существующими в соединении остаточ ными напряжениями и возникающими при деструкции деформа ционными перемещениями можно решить в плоской постановке.
Из возможных подходов к решению поставленной задачи вы берем наиболее удобный с инженерной точки зрения путь, предпо лагающий установление связи между остаточными сварочными
напряжениями и линейными составляющими перемещений |
v, и, |
w (см. рис. 2.19) в виде линейных уравнений. |
интер |
Преимущественная чувствительность голографической |
ферометрии к нормальной составляющей перемещений и предо пределяет выбор в качестве базового выражения соотношения для определения нормальной к оси канавки составляющей главных остаточных напряжений:
ап |
|
w |
(2.72) |
|
Зп0 |
W0I |
|||
|
где w — измеренное методом голографической интерферометрии нормальное перемещение от перераспределения остаточных сва рочных напряжений; w0 — нормальное перемещение, возникающее под действием единичного остаточного напряжения 0 ЯО= 1 .
Поскольку по интерференционной картине нормальные напря жения определяются из выражения [127]
Я |
ЛГХв |
(2.73) |
|
cos at + cosaK |
|||
|
|||
|
|
где N— номер полосы, проходящей через точку; а0, ан — соот ветственно углы освещения и наблюдения поверхности объекта в конкретной оптической схеме (рис. 2 .2 0 ); Яв — длина волны источника освещения, то получаем уравнение метода
|
|
c n= O ni‘N 1. |
(2 *74) |
Здесь сгЯ 1 = |
— (No |
— номер полосы, |
соответствующий переме |
|
ло |
|
|
щению w о). |
задача сводится |
к определению величины |
|
Таким |
образом, |
||
<Тя1 , называемой чувствительностью голографического интерфе рометра по отношению к напряжению. Величина оя — это на пряжение, вызывающее появление первой интерференционной полосы на интерферограмме.
Численные расчеты методом конечных элементов с использо ванием пакета прикладных программ решения плоской задачи
Ml
