Расчет сварных конструкций на усталостную прочность

приводит к разрушению. При этом величина
напряжений, которые приводят в конечном итоге к разрушению, может быть ниже
пределов прочности и текучести.

Усталостным разрушением называется разрушение металлов под действием
повторных или знакопеременных нагрузок.

Характеристикой сопротивления усталостному разрушению является
предел выносливости – наибольшее напряжение в цикле нагружения, которое
выдерживает конструкция без разрушения при заданном количестве циклов
нагружения.

Предел выносливости определяется экспериментально по кривой усталости

σа

N

Предел
выносливости σr

Количество циклов
нагружения до разрушения

Амплитудное
значение
напряжений

и размеров испытуемых образцов;
структурного состояния материала;
состояния поверхности образцов;
вида нагружения (изгиб, кручение);
свойств среды, в которой производится испытание (воздух, вода и т. п.).

Предел выносливости сварных конструкций зависит от предела выносливости
материала, из которого сделана конструкция, а также от формы и размеров
самого соединения. Это связано с тем, что любое сварное соединение является
концентратором напряжений.

Концентрация напряжений – это образование значительных напряжений на участках
малой протяженности, вызванное изменением формы образца.

Полоса с отверстием
(отверстие – концентратор напряжений)

Эпюра напряжений – около отверстия
напряжения более чем в 3 раза больше,
чем у края полосы.

напряжения.

Технологические дефекты шва — газовые пузыри, шлаковые включения и особенно
трещины и непровары. Возле этих дефектов при нагружении силовые линии
искривляются, в результате чего образуется концентрация напряжений.
Коэффициенты концентрации напряжений около указанных дефектов значительны,
но при их небольшом числе и размерах прочность сварных соединений остается
удовлетворительной.
Нерациональные очертания швов. На основании данных теории упругости установлено,
что очертание швов оказывает большое влияние на распределение в них внутренних
сил.
Нерациональные конструкции соединений.

Причины возникновения концентрации напряжений в сварных соединениях.

напряжений по сечению становится
неравномерным.

Концентрация напряжений возникает в зоне шва, сопрягаемой с основным металлом.
Средние напряжения на оси шва несколько меньше напряжения в основном металле
вне соединения.
Концентрация напряжений образуется также в корне шва при его непроваре.

Еще одним источником концентрации может служить смещение одного элемента
относительно другого в результате возникновения сварочных деформаций.

Концентрация напряжений, вызванная очертанием шва, имеет
место в зоне сопряжения шва с основным металлом, зависит
от степени утолщения шва и радиуса перехода и резко
возрастает при уменьшении радиуса до долей миллиметра.

Для стыковых соединений коэффициент концентрации напряжений может быть сведен
до значений, близких к единице. В других типах соединений такой результат получить
практически невозможно.

напряжений в лобовых соединениях заметно
снижается при увеличении глубины проплавления
и введении плавных переходов от шва к поверхности
соединяемых деталей.

Коэффициент концентрации достигает 2.

Концентрация напряжений имеет место также в лобовых швах тавровых соединений.

Возле ребер жесткости, приваренных к растягиваемому
элементу, образуется концентрация напряжений
по сечению А-А.
Коэффициент концентрации напряжений в шве
таврового соединения зависит от его очертания
и от формы сопряжения с основным металлом.

место концентрация напряжений
в швах и в основном металле полос между швами.

Основные элементы под действием растягивающих
усилий удлиняются и перемещаются, во фланговых
швах образуются сдвиговые деформации.

Точки 1 и 2 перемещаются неравномерно.

В случае, если площади поперечного сечения
элементов различны, концентрация напряжений
выше (в), чем для одинаковых площадей
поперечного сечения (б).

В соединениях с длинными фланговыми швами
при небольшом расстоянии между ними
концентрация образуется главным образом
в концах фланговых швов (концентрация
касательных напряжений).
В соединениях с короткими фланговыми швами
при относительно большом расстоянии между
ними концентрация возникает преимущественно
в основном металле на участке между швами
(концентрация нормальных напряжений).

Коэффициент концентрации может достигать 6 и более.

Сварные соединения должны вызывать минимальную концентрацию напряжений.
Для этого предусматривают оптимальную форму очертания шва, введением
механической обработки швов для обеспечения плавного перехода от шва
к основному металлу.
2. Необходимо учитывать термические превращения в стали при сварке, в результате
которых основной металл при переменных нагрузках приобретает пониженную
прочность в зоне отпуска. Аналогичное понижение предела выносливости в зоне
отпуска наблюдается в сварных соединения цветных сплавов. Разрушение
происходит на небольшом расстоянии от границы шва.

3. В процессе сварки в металле возникают остаточные
напряжения, которые могут влиять на усталостную
прочность конструкций. Остаточные напряжения
растяжения понижают предел выносливости, а остаточные
напряжения сжатия – повышают его.