НЕКОТОРЫЕ ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное

учреждение высшего профессионального образования

«Юго-Западный государственный университет»

(ЮЗГУ)

 

ПРОЕКТИРОВАНИЕ СВАРНЫХ КОНСТРУКЦИЙ.

ВОПРОСЫ ПРОЧНОСТИ И РАЗРУШЕНИЯ СВАРНЫХ

СОЕДИНЕНИЙ

 

 

Учебное пособие

 

 

Курск 2014

УДК 621.791

ББК

П

 

Авторы:

А.В. Башурин, Н.И. Иванов, Е.В. Иванова

 

 

Рецензенты:

 

 

ПРЕДИСЛОВИЕ

 

Актуальность углубленного изучения вопросов разрушения связана с тем, что в современных условиях значительно усложнились условия эксплуатации конструкций, повысились требования к ним, намного расширилось применение высокопрочных материалов. Поэтому наступление разрушения стало одним из основных возможных предельных состояний. Это требует дополнить традиционные методы расчета новыми представлениями и новыми методами расчета сварных соединений и конструкций, которые изучаются в данном курсе.

В учебном пособии рассмотрены основные вопросы прочности и разрушения сварных соединений и конструкций, связанные с учетом концентрации напряжений в сварных швах, наличием трещиноподобных дефектов, работой конструкций при пониженных и повышенных температурах, коррозионной стойкостью. Рассмотрены вопросы расчетной и эксплуатационной прочности.

В учебном пособии в обобщенном виде частично использованы опубликованные материалы исследований, выполненных в МГТУ им. Н.Э. Баумана под руководством профессора В.А. Винокурова и других исследователей.

Пособие предназначено для студентов и магистров по направлению Машиностроение по профилю «Оборудование и технология сварочного производства. Также может быть полезно для инженеров и аспирантов, занимающихся вопросами сварочного производства.

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

ВВЕДЕНИЕ . . . . . . . . .

НЕКОТОРЫЕ ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ . . .

МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ . .

2.1 Некоторые сведения из теории упругости и пластичности

2.1.1 Диаграмма растяжения металлов, действительные и

условные напряжения и деформации . . . . .

2.1.2 Продольные и поперечные деформации, закон посто­янства объемов при деформации .. . . . . .

2.1.3 Интенсивность напряжений и интенсивность деформаций . .

2.1.4 Плоское напряженное состояние и плоская деформация

2.2 Влияние механической неоднородности на работоспособ­ность сварных соединений . . . . . . .

2.2.1 Понятие о твердых и мягких прослойках . . .

2.2.2 Напряженное состояние и прочность прослоек при растяжении вдоль шва . . . . . . .

2.2.3 Работа прослоек при растяжении поперек шва . .

2.2.4 Работа продольного и кольцевого шва в цилиндричес­ком сосуде давления . . . . . . . . .

2.2.5 Анизотропия механических свойств . . . .

2.3 Методы определения и критерии оценки напряженно-

деформированного состояния сварных соединений . .

2.3.1 Модель абсолютно жесткого твердого тела (кинема­тический принцип) . . . . . . .

2.3.2 Коэффициенты концентрации напряжений и деформаций . .

2.3.3 Взаимосвязь между механическими и энергетическими

критериями . . . . . . . . .

2.3.4 Коэффициент интенсивности деформации V . .

2.4 Характеристики сопротивляемости металла разрушению в

присутствии концентраторов . . . . . .

2.4.1 Способы описания напряженно-деформированного состояния и методы расчета сварных соединений на прочность .

2.4.2 Способы описания концентрации напряжений (методы в, г, д) . . . . . . . . . .

2.4.3 Методы оценки сопротивляемости началу движения

трещины при статической нагрузке . . . . .

2.4.4 Рост трещины при переменных циклических нагрузках

2.4.5 Динамическое распространение трещин . . .

2.4.6 Энергетические методы оценки .сопротивляемости

металлов зарождению и распространению трещин . .

2.4.7 Оценка сопротивляемости металла движению трещины

путем определения волокнистости излома . . . .

2.5 Влияние дефектов на работоспособность сварных кон­струкций .

ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРНОГО ФАКТОРА НА МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ . . . . . . . . .

3.1 Влияние низких температур на сопротивляемость раз­рушению .

3.2Влияние высоких температур на сопротивляемость сварных соединений разрушению . . . .

ВЛИЯНИЕ КОРРОЗИОННЫХ СРЕД НА ПРОЧНОСТЬ

4.1 Виды повреждений . . . . . . .

4.2 Оценка повреждений . . . . . . .

РАСЧЕТНАЯ И КОНСТРУКЦИОННАЯ ПРОЧНОСТЬ . . .

5.1 Общие принципы и методы расчета на прочность сварных

соединений . . . . . . . . .

5.1.1 Основные предельные состояния, применяемые при

расчете сварных соединений (при комнатных и пони­женных

температурах) . . . . . . . . .

5.1.2 Методы расчета на прочность сварных соединений .

5.2 Расчетная и конструкционная прочность . . .

5.3 Влияние рассеяния свойств металла и размеров на

прочность . . . . . . . . . .

5.4 Пути сближения расчетной и конструкционной прочности

Библиографический список . . . . . .

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Актуальность углубленного изучения вопросов разрушения связана с тем, что в современных условиях значительно усложнились условия эксплуатации конструкций, повысились требования к ним, намного расширилось применение высокопрочных материалов. Поэтому наступление разрушения стало одним из основных возможных предельных состояний. Это требует дополнить традиционные методы расчета новыми представлениями и новыми методами расчета сварных соединений и конструкций, которые изучаются в данном курсе.

Целью преподавания учебной дисциплины «Проектирование сварных конструкций» является обучение студентов основным понятиям об условиях работы сварных конструкций, методах их расчета и рационального проектирования, чем вызываются высокие требования к сварным конструкциям, какими конструктивными и технологическими мерами они обеспечиваются.

Дисциплина завершает подготовку инженера-сварщика в области прочности, в вопросах проектирования и производства сварных конструкций.

Основными задачами дисциплины являются практическое освоение методологии проектировании сварных конструкций с учетом обеспечения необходимых служебных свойств, разработки предложений по совершенствованию конструкций, снижению их металлоемкости, повышению технологичности и экономичности.

Дисциплина относится к профессиональному циклу. Для изучения дисциплины студент должен знать основные математические и физические законы, уметь применять знания, полученные при изучении дисциплин: теоретическая механика, материаловедение, техническая механика, основы проектирования, теория сварочных процессов.

В процессе изучения дисциплины должны формироваться следующие компетенции:

- способность на научной основе организовывать свой труд, оценивать с большой степенью самостоятельности результаты своей деятельности, владеть навыками самостоятельной работы.

- способность организовывать работу малых коллективов исполнителей, в том числе над междисциплинарными проектами.

- умение применять стандартные методы расчета при проектировании деталей и узлов в машиностроении.

- способность принимать участие в работах по расчету и проектированию деталей и узлов машиностроительных конструкций в соответствии с техническими заданиями и использованием стандартных средств автоматизации проектирования.

- способность разрабатывать рабочую и проектную документацию, оформлять законченные проектно-конструкторские работы с проверкой соответствия разрабатываемых проектов и технической документации стандартам, техническим условиям и другим нормативным документам.

В результате изучения дисциплины студент должен:

знать:методики расчета и проектирования сварных соединений и типовых конструкций, влияние внутренних и внешних силовых факторов на работоспособность конструкций, основные нормативные и руководящие документы и методы их поиска, относящиеся к поставленной задаче.

уметь: выполнять конкретные расчеты, разрабатывать проектно-конструкторскую документацию и оформлять законченные проектно-конструкторские работы с проверкой их соответствия нормативной и руководящей документации.

владеть:навыками проектно-конструкторской работы и методами экспертной оценки работоспособности сварных конструкций.

 

НЕКОТОРЫЕ ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ

 

Любой расчет на прочность предполагает, что расчет проводится по конкретному предельному состоянию.

Предельными называются такие состояния, которые невозможны, недопустимы или нежелательны, при которых конструкция перестает удовлетворять заданным эксплуатационным требованиям.

Предельные состояния можно подразделить на две большие группы:

1 группа - соответствует потере несущей способности или приводит к негодности в эксплуатации, связанной с разрушением (вязким, хрупким, усталостным), общей потерей устойчивости, резонансом, ползучестью, чрезмерные раскрытием трещины и т.д.

Ко 2 группе - относятся предельные состояния, затрудняющие нормальную эксплуатацию конструкций или снижающие долговечность их вследствие появления недопустимых перемещений, колебаний, трещин и т.п.

Расчет по предельному состоянию несущей способности проводится по формулам:

 

, (1)

 

где N_доп, М_доп - допустимые нагрузки,

R - расчетное сопротивление,

W - момент сопротивления сечения,

F - площадь сечения,

m = 0,8 - 1 - коэффициент условий работы,

n = 1 - 1,2 - коэффициент перегрузки (коэффициент надежности).

R = γσ_m (2),

 

где σ_m - предел текучести материала, γ - коэффициент однородности материала; γ = 0,9..1.

Несущая способность - это способность конструкций сопротивляться наступлению предельных состояний. Несущая способность в большинстве случаев связана с действующими напряжениями и прочностью.

Существуют два понятия прочности:

в узком смысле слова - способность сопротивляться разрушению

, (3)

 

где σ, τ - действующие напряжения,

F, I_p, r_max - соответственно площадь, полярный момент инерции, радиус инерции сечения.

Под прочностью в широком инженерном смысле слова понимают способность материала узла, конструкции или детали сопротивляться не только разрушению, но и наступлению какого-либо предельного состояния: текучести, потере устойчивости, распространению трещин и др.

Понятие несущей способности шире, чем понятие прочности , например, оно может включать появление течи, чрезмерную коррозию и т.д.

Условия работы конструкций довольно разнообразны и определяются в первую очередь нагрузками, которые подразделяются на статические (f<1Гц) переменные (f>1Гц), динамические (высокая скорость нагружения), где f - частота нагружения.

К большому числу факторов, способных оказать существенное влияние на несущую способность сварной конструкции относятся:

а) действующие нагрузки и вызываемые ими напряжения;

б) характер приложения нагрузок и их спектр (пульсирующий, симметричный, случайный);

в) неодноосность действующих напряжений;

г) концентрация напряжений;

д) остаточные напряжения;

е) температура;

ж) среда;

з) радиация;

и) время эксплуатации.

Перечисленные выше факторы являются внешними. Кроме них очень важны внутренние факторы материала, которые определяются его механическими, физическими, химическими свойствами.

Виды разрушения: вязкое, полухрупкое, хрупкое, усталостное.

Основные причины, вызывающие разрушения:

а) применение новых материалов (высокопрочные материалы, титановые сплавы и другие);

б) тяжелые и малоизученные условия работы (низкие и высокие температуры агрессивные среды, сложные виды нагружения, радиация и т.д.);

в) непригодность отдельных видов изделий к специфическим условия эксплуатации (северные районы, эксплуатации при переменной нагрузке, а не статической и т.п.);

г) неправильный выбор предельных состояний.

Цели испытаний сварных соединений и элементов конструкций:

а) контроль свойств при приемке и сдаче продукции;

б) сравнение материалов, видов технологии, режимов сварки и термообработки для отбора более качественных;

в) определение механических свойств, используемых в расчетах на прочность (σ_В, σ_Т) ;

г) оценка опасности обнаруженных дефектов;

д) установление причин непредвиденных разрушений;

е) исследование малоизученных условий работы и применение новых материалов, их поведение после сварки.

Большая часть испытаний сварных конструкций производится с использованием положений механики разрушения, которая является теоретической основой для изучения прочности материалов и соединений.