Проектирование сварных конструкций

конструкций.
Преимущества сварных конструкций и их значение.
Краткий обзор развития сварных конструкций в различных отраслях промышленности и строительства.
Перспективы развития сварных конструкций.
Сварные конструкции, основные понятия и определения.
Тема 1. Рациональное проектирование и технологичность сварных конструкций.
Принципы классификации сварных конструкций, области применения.
Этапы создания сварных конструкций.
Исходные документы для проектирования.
Основные требования, предъявляемые к сварным конструкциям.
Технологичность сварных конструкций, основные способы ее улучшения.
Перспективы дальнейшего развития и улучшения качества проектирования, производства и применения сварных конструкций.

методы расчета сварных соединений и конструкций;
- способы обеспечения технологичности, снижения напряжений и деформаций при сварке;
- характеристики конструкционных и сварочных материалов, используемых при изготовлении сварных конструкций;
- особенности работы отдельных элементов и цельных сварных конструкций.
Студент, изучивший дисциплину, должен уметь:
- определять условия нагружения отдельных элементов и цельных сварных конструкций
- проводить расчет сварочных напряжений и деформаций с последующим их анализом;
- рассчитывать и конструировать сварные соединения при действии различных видов нагрузок с учетом обеспечения требований по технологичности и ресурсосбережению;
- выбирать основные и сварочные материалы для изготовления сварных конструкций.

Цель преподавания дисциплины

развитие у студентов представлений, знаний и умений по определению условий работы разнообразных сварных конструкций, современным методам расчета и рационального проектирования, а также способам повышения эффективности производства сварных конструкций, с учетом выполнения требований по снижению материало- и ресурсоемкости.

из ведущих технологических процессов на предприятиях по изготовлению автомобилей, кранов, лифтов, котлов, резервуаров и др. конструкций.
Более половины валового национального продукта промышленно развитых стран создается с помощью сварки и родственных технологий.
До 2/3 мирового потребления стального проката идет на производство сварных конструкций и сооружений.
Успешно развивается сварочное производство и в Республике Беларусь. На его долю приходится более 50% металла, перерабатываемого в Беларуси. Различные способы сварки можно встретить на любом предприятии Республики.

Масштабы производства сварных конструкций

уменьшение потерь металла из-за отсутствия припусков на механическую обработку после литья
экономически целесообразно при единичном и мелкосерийном производстве (в отличие от литых конструкций и деталей);
высокая производительность и маневренность
сварка - наиболее эффективный способ создания неразъемных соединений конструкционных материалов, максимально приближенных по геометрии к оптимальной форме готовой детали или конструкции.

Преимущества сварных конструкций

слухи о ненадежности сварных конструкций, которые, к сожалению, базировались на реальных событиях. В 1936-40гг в Европе рухнуло несколько сварных мостов.
Катастрофы происходили неожиданно, чаще при резком падении температуры воздуха. В этот же период в СССР тысячи ж/д вагонов были сняты с эксплуатации из-за трещин в сварных рамах. В 40-е годы в США было построено 2600 так называемых «Либерти Шип». «Либерти» первых серий страдали от трещин в наборе корпуса и палубы. 19 судов буквально развалились в море.

John Brown — одно из двух сохранившихся судов типа «Либерти»

В СССР и за рубежом стали создаваться сварочные научные центры, в которых начались всесторонние исследования, позволившие найти способы управления качеством сварных соединений
(научные школы под руководством Николаева Георгия Александровича - основатель научной школы прочности и деформируемости сварных конструкций (Москва), Патона Евгения Оскаровича (Киев)).

мостов (1930-е гг). Сварка стала полностью замещать клепку.

Обзор развития сварных конструкций

Мост балочной конструкции, со сплошными главными балками двутаврового сечения длиной 58 и 57 м, высотой 3,6 м . Во время монтажа моста было сварено 10668 м швов.

Клепаный мост через р. Березина

Мост Патона в Киеве - первый в мире цельносварный металлический мост

флюсом. Одним из замечательных примеров, повлиявших на историю Второй мировой войны, является проектирование Патоном О. Е. сварного русского танка Т-34. Корпус был собран с применение автоматизированной линии сварки под флюсом.
Броневой корпус Т-34 — сварной, собиравшийся из катаных плит и листов гомогенной (без неоднородностей на макро- и микроуровне ) стали марки МЗ-2 (И8-С), толщиной 13, 16, 40 и 45 мм, после сборки подвергавшихся поверхностной закалке.
Благодаря автоматической сварке под флюсом СССР за время Второй мировой войны произвел больше танков, чем все остальные воевавшие страны вместе взятые.
С 1950 г. в промышленности стали широко применять дуговую сварку в среде защитных газов.

способами соединения металлов. Доля РДС покрытыми электродами в 2010 г. составляет 20 – 25 % от общего объема сварки; доля механизированных и автоматических способов сварки в защитных газах - около 50 % .
Основные направления развития сварки и родственных технологий:
широкое использование наукоемких технологий;
разработка сварочных материалов специального назначения, обеспечивающих соединение высокопрочных сталей и сплавов, разнородных, многослойных и композиционных материалов. Актуальная задача - создание сварочных материалов, оптимальных как по количественному содержанию компонентов, так и по экономическим показателям, учет гигиенических характеристик выделяющихся сварочных аэрозолей;
комплексная механизация и автоматизация всех видов работ, связанных с изготовлением сварных конструкций (заготовительных, сборочных и т.д);
создание гибридных способов сварки (комбинация лазерного пучка и плазменного или дугового процесса в одной общей зоне сварки. Совместное воздействие на металл 2 источников тепла позволяет существенно повысить эффективность использования каждого из них. За счет этого достигается глубокое проплавление и хорошее качество формирования сварного шва. Перспективным направлением использования плазменной обработки представляется развитие комбинированных процессов, сочетающих плазменный нагрев с дополнительными операциями, например вырезка по контуру, совмещенная со штамповкой; применение роботов со сменным плазменным и дуговым инструментом; напыление в динамическом вакууме;

поверхностей восстанавливаемых узлов, эксплуатируемых в различных агрессивных средах. В последние годы успешно прогрессирует технология нанесения покрытий напылением с использованием газового пламени, плазмы, детонации, а также на основе электронно-лучевого испарения и конденсации материалов в вакууме. Напыление удачно дополняет наплавку и конкурирует с ней в отдельных областях;
развитие технологии пайки и склеивания. Дальнейшие разработки в области склеивания должны решить проблемы повышения прочности, надежности и долговечности клеевых и клеесварных соединений при различных условиях эксплуатации;
актуально развитие научно-технических подходов к достоверной оценке остаточного ресурса эксплуатируемых сварных конструкций машин и оборудования и его гарантированному продлению;
доведение и взаимная увязка математических моделей, описывающих многообразие явлений, до той степени совершенства, при которой проведение эксперимента с металлом станет не правилом, а особым исключением;
компьютеризации инженерной деятельности в различных отраслях сварочного Проводимые работы по этой проблеме в настоящее время можно условно разделить на пять направлений компьютеризации:
- научные исследования; - проектирование сварных соединений и узлов; - проектирование технологий; - управление технологическими процессами; - контроль сварных конструкций во время эксплуатации.

создания соответствующих библиографических и фактографических банков и баз данных и знаний уделяют и будут уделять большое внимание во всех крупных сварочных центрах мира.

Основные направления компьютеризации инженерной деятельности в сварке и родственных технологиях

и определения
ГОСТ 2601-84 Сварка металлов. Термины и определения основных понятий
СТБ ИСО 17659-2005 Сварка. Сварные соединения. Термины и определения.
СТБ ISO 8930-2009 Общие принципы надежности строительных конструкций. Перечень эквивалентных терминов
СТБ ISO 6707-1-2009 Строительство и инженерное дело. Словарь. Часть 1. Общие термины и определения

– часть конструкции, в которой сварены отдельные элементы (детали).
Деталь – изделие или его составная часть, представляющие собой одно целое, которые не могут быть без разрушения разобраны на составные части (СТБ 1723).
Несущая конструкция - предусмотренное расположение соединенных друг с другом изделий, запроектированных так, что они воспринимают установленную часть несущей способности и жесткости.

т.д.;
- в зависимости от толщины свариваемых элементов: тонкостенные и толстостенные;
- по применяемым материалам: стальные, алюминиевые, титановые и т.д.;
- по методу получения заготовок: листовые, сортопрофильные, сварно-литые, сварно-кованые и сварно-штампованные конструкции;
по конструктивной форме сварных изделий и особенностям эксплуатационных нагрузок решетчатые конструкции – это система стержней из профильного проката или труб, соединенных в узлах таким образом, что стержни испытывают растяжение или сжатие, а иногда сжатие с продольным изгибом (к ним относят фермы, мачты, колонны, арматурные сетки и каркасы);
балки – конструкции таврового, двутаврового, коробчатого или других видов сечения, работающие в основном на поперечный изгиб. К ним относят поперечные и продольные балки мостовых кранов, балки подкрановых путей, строительные колонны, пролетные балки мостов и т.п.;
Жестко соединенные между собой балки сварными и клепаными соединениями образуют рамные конструкции; - оболочковые конструкции – различают два типа: конструкции, работающие при избыточном давлении (различные емкости, автоклавы, сосуды к трубопроводы): конструкции, испытывающие знакопеременные нагрузки при повышенном нагреве стенки (корпуса вращающихся печей, трубных мельниц и т.п.); - корпусные транспортные конструкции подвергаются динамическим нагрузкам. К ним предъявляют требования высокой жесткости при минимальной массе. Основные конструкции данного типа – корпуса судов и летательных аппаратов, вагонов, кузова автомобилей; - детали машин и приборов работают преимущественно при переменных, многократно повторяющихся нагрузках. Примерами таких изделий являются станины, валы, бандажи вращающихся аппаратов, транзисторы, сильфоны, мембраны и т.п.

положения .
Разработка  и  постановка  продукции  на  производство включает  в  себя  следующие стадии:
1) исследование и обоснование разработки продукции;
2) разработка технического задания (ТЗ);
3) разработка продукции;
4) постановка продукции на производство.
Стадия 1 включает процесс формирования  исходных  требований 
к  продукции  на  основании  прогнозирования  потребности  в  такого  рода продукции, тенденций ее развития, обоснования возможности и целесообразности разработки.
Стадия 2 предусматривает работы по разработке, согласованию и утверждению ТЗ на разработку продукции.
Стадия 3 включает процессы разработки технической документации (КД, ТД), изготовления и испытания опытных образцов продукции.
Стадия 4 включает  работы по подготовке и  освоению производства, результатом выполнения которых является организация серийного производства продукции.

КОНСТРУКЦИЙ Несущую конструкцию следует проектировать и строить таким образом, чтобы она в процессе строительства и в течение проектного срока эксплуатации с необходимой надежностью и экономичностью выдерживала возможные воздействия и влияния и сохраняла требуемые эксплуатационные показатели.
При проектировании и расчете несущей конструкции необходимо учитывать:
— требуемую несущую способность;
— эксплуатационную пригодность;
— долговечность.
При расчете долговечности несущей конструкции следует учитывать следующие условия:
— предусмотренная или прогнозируемая в последующем эксплуатация несущей конструкции;
— требуемые проектные критерии;
— прогнозируемые условия окружающей среды;
— состав, показатели и свойства материалов и изделий;
— свойства грунтов оснований;
— выбор несущей системы;
— геометрические параметры элементов конструкции и узлов сопряжений;
— качество и затраты на контроль;
— специальные защитные мероприятия;
— плановое техническое обслуживание в течение проектного срока эксплуатации.

требованиям норм проектирования (т.е. теряют способность сопротивляться внешним нагрузкам и воздействиям или получают недопустимые перемещения или повреждения).
ПРЕДЕЛЬНЫЕ СОСТОЯНИЯ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ (load-carring capacity limit states) (ПС первой группы) Состояния, связанные с разрушением или другими формами отказа несущей конструкции.
Выполнение требования по предельным состояниям первой группы должно защищать конструкции от: хрупкого, вязкого, усталостного или иного характера разрушения; потери устойчивости формы конструкции или ее положения, перехода в изменяемую систему; разрушения под совместным воздействием силовых факторов и неблагоприятных влияний внешней среды (периодического или постоянного воздействия агрессивной среды, действия попеременного замораживания и оттаивания и т.п.).
ПРЕДЕЛЬНЫЕ СОСТОЯНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ ПРИГОДНОСТИ (SLS) (serviceability limit states) (ПС второй группы): Состояния, при превышении которых не выполняются установленные условия эксплуатационной пригодности несущей конструкции или ее элемента. Выполнение требования по предельным состояниям второй группы должно защищать конструкции от: чрезмерных перемещений - прогибов, углов перекоса и поворота, колебаний; чрезмерных или продолжительных раскрытий трещин;.

назначает конструкционные материалы, выполняет расчеты несущих элементов конструкций, назначает расчетно-обоснованные параметры сварных швов.
Затем осуществляется оформление конструкторской документации, неотъемлемой частью которой являются технические условия (ТУ). ТУ содержат полный комплекс требований к продукции, ее изготовления, контролю и приемке.
Следующим этапом жизненного цикла сварных конструкций является технологическая подготовка производства (ТПП), которая включает отработку конструкции нового изделия на технологичность, разработку технологических процессов, ТЗ на проектирование оснастки, изготовление оснастки, определение потребности в оборудовании.

объекта (объем, мощность, коррозионная стойкость и т.д.)
ПОКАЗАТЕЛИ НАДЕЖНОСТИ характеризуют свойство выполнять заданные функции и сохранять при этом эксплутационные характеристики в заданных пределах.
БЕЗОТКАЗНОСТЬ - свойство объекта непрерывно сохранять работоспособное состояние в течение некоторого времени или наработки
ДОЛГОВЕЧНОСТЬ - свойство объекта сохранять работоспособное состояние до наступления предельного состояния при установленной системе технического обслуживания и ремонта
РЕМОНТОПРИГОДНОСТЬ - свойство объекта, заключающееся в приспособленности к поддержанию и восстановлению работоспособного состояния путем технического обслуживания и ремонта
НАДЕЖНОСТЬ КОНСТРУКЦИИ - система показателей, гарантирующих, что в
течение принятого срока нормальной эксплуатации здания или сооружения предельные состояния не будут достигнуты (превышены).
РЕСУРС - суммарная наработка объекта от начала его эксплуатации или ее возобновления после ремонта до перехода в предельное состояние
ОСТАТОЧНЫЙ РЕСУРС - Суммарная наработка объекта от момента контроля его технического состояния до перехода в предельное состояние.

Основные требования, предъявляемые к сварным конструкциям.

свойств, позволяющих эффективно решать проблемы снижения металлоемкости, повышения надежности и долговечности сварных конструкций. Непрерывное расширение применения высокопрочных сталей в ответственных сварных конструкциях также способствует решению данных задач.
Все более широкое применение находят высокопрочные алюминиево-литиевые сплавы, сплавы с предельно высоким легированием, а также сплавы, которые содержат в своем составе эффективные модификаторы – скандий, цирконий, одновременно улучшающие свариваемость материалов и механические свойства сварных соединений. Ведутся работы по созданию новых конструкционных, хорошо сваривающихся титановых сплавов, обладающих высокой прочностью и коррозионной стойкостью.

Основные требования, предъявляемые к сварным конструкциям.

При проектировании сварных конструкций обязательным является выполнение показателей назначения, а также обеспечение максимальных показателей надежности. Однако эти показатели должны сочетаться с высокими экономическими составляющими: материало– и металлоемкостью, трудоемкостью изготовления, себестоимостью изготовления и т.д.

конструкции изделия, определяющих ее приспособленность к достижению оптимальных затрат при производстве, эксплуатации и ремонте для заданных показателей качества, объема выпуска и условий выполнения работ.
В зависимости от области проявления различают производственную, эксплуатационную и ремонтную технологичность конструкции изделия.
Технологичным конструктивным решением является такое решение, которое обеспечивает наиболее простое и экономичное изготовление и монтаж конструкции при соблюдении условий прочности, устойчивости и требуемых эксплуатационных качеств.

изучения исходных данных, определяющих вид изделия, объем выпуска и тип производства.
Объем выпуска и тип производства определяют целесообразную степень технологического оснащения, механизации и автоматизации технологического процесса.
При отработке изделия на технологичность следует руководствоваться следующими принципами:
соблюдать технологическую преемственность (максимально использовать технологическую оснастку, имеющуюся на предприятии);
предусматривать возможность комплексной механизации и автоматизации производства;
осуществлять разбивку металлоконструкции на сборочные единицы, обеспечивающие параллельную организацию работ по их изготовлению.
При этом желательно, чтобы сварные швы в сборочных единицах располагались симметрично и как можно ближе к центру тяжести сечения (для уменьшения остаточных деформаций), конструкция сборочной единицы должна быть удобной для транспортировки и достаточно жесткой, чтобы исключить ее деформирование при транспортировке с одного рабочего места к другому.

При назначении способа сварки следует учитывать следующее:
наибольшую производительность обеспечивает контактная сварка для соединения тонколистового металла;
сварка в среде защитных газов обладает большой маневренностью и является одним из основных способов сварки в серийном и массовом производстве;
ручная дуговая сварка – наиболее универсальный и мобильный способ, обеспечивающий сварку во всех пространственных положениях, но обладающий низкой производительностью и большой трудоемкостью (применяется в единичном производстве, для ремонта и монтажа);
сварка под флюсом характеризуется большой производительностью, но ее целесообразно применять для сварки в нижнем положении и толщин более 4 мм.