автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.06, диссертация на тему:Разработка методики использования удельной энергии деформации для оценки прочности и анализа геометрии сварных соединений

гI О

П ..

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА, ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ Н.Э.БАУМАНА

На правах рукописи

ПЛИС Геннадий Владимирович

РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ УДЕЛЬНОЙ ЭНЕРГИИ ДЕФОРМАЦИИ ДЛЯ ОЦЕНКИ ПРОЧНОСТИ И АНАЛИЗА ГЕОМЕТРИИ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ

05.09.06 - Технология в маганкц сварочного производства /

¥

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

МОСКВА - 1093

Рабата выполнена в Московском ордена Ленина я ордена Трудового Красного знамени институте инженеров железнодорожного транспорта имени Ф.Э.Дзержинского

Научный руководитель - доцент, к.т.н. ПЕТРОВ С.Ю.

Официальные оиионенты - npoft., д.т.н. Сагадевяч В.М.

- K.I.Bf. , Дарр^коа P.P._

Ведущее предприятие - ВНКИдД

Зашита состоится " М " 1993г. на заседании специализирован-

ного Совета К053.15.0.'' а Московском ордена Ленина, ордена Октябрьской Революции и ордена Трудового Красного Знамени государственной техническом университет« имени Н.З.Бауиаиа по адресу:

107005, Москва, 2-я Бауманская ул., д.5.

Ваш отзыв на автореферат в 1 экз., заверенный печатью, просим выслать по указанному адресу. '

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГТУ имени Н.Э.Баумана.

Автореферат разослан ~2.fr" 1993г.

Ученый секретарь специализированного совета к.т.н., доцент , В.И.ГИРШ

Подписано * печати 'С? Объем 1 пл. Заказ Типография МГТУ им. Н.Э.Баумана

Тираж 100 экз.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РЛГ.ОТЫ

Актуальность проблемы. Изыскание практических путей обеспечения требуемой прочности сварных соединений с минимальными затратами труда, сварочных материалом и злектро.-игергии - важная задача сварочной техники и технологии. Одним из таких путей тяг,стел придание евлрш/м соединениям рациональной геометрии. Последнее приводит к необходимое и разработки соответствующей методики оценки прочности, позволяющей, и отличие от существующих, более полно учитывать особенности распределен»« напряжений в спарник соединениях в зависимости от параметров их геометрии. <

Вагоны, мосты, корабли. самолеты и другие ответственные сооружения - вот далеко не полный перечень сварных конструкций, разрушение которых вызывает значительный материальный ущерб и человеческие жертвы. В сияли с этим проблема обеспечения высокой надежности указанных конструкции обращает на себя особое внимание. Типичная и основная форма предельного состояния сварных конструкций - разрушение или повреждение как результат развития трещин от коннеггтраторов. Поэтому, в последнее иремя теоретической основой для прогнозирования работоспособности и надеж пост конструкций служат вычислительные методы механики разрушение, н.) блу. которых широкое развитие получила теория предельных сол.^ний, позволившая приблизить результаты расчетов на прочное .. ». уровню реальной прочности конструкции.

Таким образом, совершенствование методов оценки предельных состояний, способствующее максимальному сближению конструкционной и расчетной прочности сварных соединений ц приданию им рациональной геометрни, является актуальной научной задачей.

Целью работы являлось повышение несущей способности скрпи\ соединений и точности оценки их прочности на основе компьютеркяго моделирования, комплексного анализа опасности имеющихся концепграторел и учёта влияния геометрии сварного шва и свариваемых элемент«!».

Методы исследования. Расчетные методы включал» я с.'ч'-д интегрирование дифференциальных уравнений механики деформируем»** тлеп-дого тела методом конечных элементов, вычислительные чсюлы ядашки разрушения, методы теории подобия и моделирования, метода» корреляционного п регрессионного анализа, методы проектирования я^вдгрлмчпык систем.

Экспериментальный метод состоял и испытании; .-а.й-.^рзгорных образце;! на статическое одноосное растяжение.

Научная новизна работы связмга с «»¡ершепсткоктис. со-

временного подхода механики разрушения, основанного на использовании удельной (плотности) энергии деформации, и его применением к раскрытию закономерностей наступления предельного состояния разрушения в сварных соединениях, имеющих следующий ряд особенностей: нагружены статически;

- имеют концентраторы напряжений, которые могут бать приняты хах предельно острые;

- изготовлены из материалов, при разрушении которых в рассматриваемых условиях работы соединения стабильное подрастание трещины незначительно (практически, это те материалы, для которых удаётся установить значение К^).

Установлено, что:

1. Предлагаемый рас етный коэффициент плотности энергии деформации X* адекватно отражает опасность предельно острых концентраторов и может использоваться для оценки прочности рассматриваемых сварных соединений. На его основе предложена методика оценки статической прочное»! сварных соединений, позволяющая, в отличии от существующих, проводит! комплексный анализ опасности имеющихся концентраторов и учитывать влияние геометрии сварного шва и свариваемых элементов.

2. Применительно к концентраторам сварных соединений независимость

5" от радиуса вычисления г (отклонение менее 5%) соблюдается в том случае, когда г<0Л5Ь, где Ь - наименьший из характерных размеров сечения сварного шва.

3. Повышение несущей способности сварных соединений и точности оценки их прочности возможно посредством комплексного анализа опасности имеющихся концентраторов с позиции одновременности наступления предельного состояния них и уч~т сияния геометрии сварного шва н свариваемых элементов.

4. Характер разрушения сварных соединений с трещиноподобным дефектом (посредством "отрыва" или "сдвига") может распознаваться по углу распространения трещины согласно известным зависимостям, установленным ранее в механике разрушения.

Практическая ценность.

1. Разработаны математические модели, алгоритмы и программы, реализующие МКЭ «1 позволяющие:

- решать упругоиластнч«кие задачи по деформационной теории пластичности н теории течения с уче геометрической нелинейности, неоднородности механических свойств и сингулярности напряжений у вершимы концентраторов; •'

- производить численный анализ уровня опасности концентраторов на

¡^пове расчета раскрыто« в вершине трещины COD, локального перемещения I), контурного /-интеграла и предложенного коэффициента плотности энергии реформации;

- визуализировать схемы и результаты расчета в графическом виде с учетом возможности получения "твердой" копии в системе AutoCAD.

2. Для ряд» сварных соединений различных видов показано, каким образом значительное повышение их прочности может быть достигнуто путем разгрузки наиболее опасного концентратора и загрузки менее опасных за счет изменения геометрических параметров сварного шва и свариваемых элементов.

3. Для стали Ст.З на основе корреляционного и регрессионного анализа эк*, .ериментальпых данных получено выражение, позволяющее при статическом нягружеиии рассчитывать угол разрушения лобового шва нахлесточпых соединений в зависимости от параметров их геометрии.

4. Разработаны рекомендации по численной методике оценки статпче--скол прочности и анализу геометрии сварных соединений.

Апробация работы. Основные результаты данной работы били рассмотрены и одобрены на научном семинаре кафедры "Технология сварки, материаловедение и износостойкость деталей машин" МНИТа (9.03.93г.) и дважды на научных семинарах кафедры "Машины и автоматизация сварочных процессов* МГГУ им. Н.Э.Баумзна (24.04.91r. я 12.03.93г.).

Объём и структура работы. Диссертация cue- >ит кз тшедения, четырех глав, общих выводов, списка литературы и приложений. Работ« изложена на 182 страницах машинописного текста, содержит 59 рисунков, 19 таблиц и SO наименований литературных источникон.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение

Дано обоснование актуальности выполненного исследования н представлены основные положения, вынесенные «а защиту.

Глава 1. Состояние вопроса м постановка задач исследований

Существующие в настоящее время методы оценки прочности сварных соединена"! не всегда учитывают присушке последних особенности капряжен-ио-яефорнировапного состояния (НДС), условий рабгяы, геометрии, схемы приложения нагрузок и ряд других факторов. В тоже врем« акту;-лч1Ь!м остается волрос о сазДания рациональных сварных конструкций под углом зре-

iis-t требований металлоемкости, качества, надежности путем уточнения инженерных расчетов прочности и рационализации форм конструкций с использованием ЭВМ и САПР.

С целью сближения расчетной и конструкционной прочности сварных cocí icntiií в последнее время для анализа их работоспособности интенсивно рлзрабатшаютс!' методы использования наиболее распространенных критериев механики разрушения (МР).

У большинства металлов в вершине трещины развивается зона пластических деформаций, которая поглощает знерг. г> и приводит к перераспределению напряжений, а следовательно к изменению несущей способности сварных конструкций. Во многих практических приложениях размеры пластической зоны у вершины концентратора сварного соединенна становятся настолько большими, что предположение о малости эффекта текучести и наличия аескмптотики становятся уже несправедливым«. Поэтому использование методов линейной МР и, в частности, коэффициентов интеиеиюмсти напряжении в этих случаях может быть не совсем корректным.

Для описания характеристик трещиностойкости в условиях значительной текучести наиболее широкое применение сейчас находят такие основные параметры махаиики разрушения, как раскрытие а вершине трещины "OD, /-интеграл, локальное перемещение D, предельна» поглощенная удельная энергия дефорхад!»« ASPEF и коэффициент плотя«»« энергии деформации 5', Сраянктельныв гиглаз указанных критериев показал, то 1ля оценки прочности евзриых сигдешеннй перспективным предмэвяяегея использование критерия пделюетм элерпш деформации в сочетании с результатами, полученном« дяя ASPEf-xpwrejeia. Таким образом, иегюаьаовтше удельной энергии дефорийииа даазвадвск

- описывать «оведоше матр"чииа сак ь сладких образцах, так и » аонах плавных и прс^лыю сстр. % кинцентрагорое;

- определять вросли}'» нагружу, ыюпекягующчо зарождению трещины, ее росту и нестабильному распространению;

прогнозирован, глййпчжхтдбность конструкции при усталостном нагру-

жепии;

- определять нагт'чвлеч'че распространения произвольно ориентл^ошшшй в пространстве трещины, величину "озчжа" развивающейся —чцшшы„ а также в рамках единого подхода дань акадиз развития зон л.гасгшчиопи у «оа~ центраторов напряжений;

- решать конкретную прочностную задачу да опенке -штичасит работоспособности сварных соедш. мй ракчеяшм зтумгм с вшгпмованием обычных механических характеристик мзтеряаха {дашфаюча растяжения, Kíc)

Несмотря iu то, что эксперимент по прежнему игрйет очень важную роль, во псем мире при пр< ктнрованин отчетливо проявляется тенденция

ко1 вей более широкому использованию вычислительных методов. Эта тенденция во многом связана с соображениями экономии. Удешевление оказывается еще более значительным, если учесть дальнейшее развитие численных методов. 'Анализ основных подходов к определению НДС с парных соединений показал, что наиболее поллая и точная информация может быть пот-учена на основе численного решения упругопдастической задачи но методу конечных элементов (МКЭ) с учетом геометрической нелинейности и сингулярности напряжений у концентраторов.

Согласно рекомендациям различных нормативных документов по расчету и проектированию промышленных конструкций и детал ! машин (например, вагонов) основными являются рясчсАг, проводимые при статических нагрузках (или динамических, приводимых через коэффициент динамики к статическим), так как именно онн определяют размеры несущих элементов конструкции. Расчеты на усталость не могут быть проектировочными и являются вспомогательными, то есть проверочными. ■ Их рекомендуют проподитл для узлов конструкций, работающих в условиях длительного и интенсивного вибрационного нагружения. Таким образом, основное внимание п данной работе уделяется совершенствованию методов оценки предельных состояний при статическом нагруженпп.

На основании яышензложешюго для достижения поставленней пели несводимо было решить следующие задачи:

1. Разработать алгоритмы и программы, позволяющие поизводить численный расчет НДС конструкций и вычисление на его основе гсараметроз механики разрушения.

2. Исследовать возможности использования удельной энергии деформации для количественной оценка опасности концентраторов напряжений.

3. Изучить кинетику опасности концентраторов сварных соединений п зависимости от их геометрии н схемы передачи силового потока.

4. Провести экспериментальные исследования по анализу влияния геометрии сварных соединений на их статическую прочность и траекторию разрушения.

5. Разработать методику использования удельной энерпш деформации для оценки прочности и анализа геометрии сварных соединений.

Глава 1. Численный анализ напряхепио-деформиро-ванного состояния сварных соединений

Для корректного определения различных параметроп механики разрушения даже в случае образцов, имеющих простую конфигурацию, неог^димо проводить упругопластический анализ. С этой и елью было разрзбогано соответствующее программное обеспечение, оркунтиропаниое па аппаратные

возможности персональных компьютеров фирмы IBM. В качестве инструментальных средств использовались объектно-ориентированные языки Turbo Pascai, Borland С++, а также Microsoft Foriran. Некоторые, критические по времени выполнения, модули были изписаны на языке Turbo Assembler.

Ниже перечислены основные возможности раз| >отанных программ.

1. Для упруго пластических задач можно использовать хек теорию течения, так и деформационную теорию пластичности. В качестве условия текучести применяется условие Мизеса.

2. Упрупояластаческие задачи могут решаться методом последовательного наращивания нагрузки с учетом, геометрической нелинейности или методом переменных параметров упругости.

3. Для каждого элемента при решении задач на каждой итерации могут рассчитываться тензор напряжений и деформаций, интенсивность напряжений и деформаций, плотность энергия деформации, толщина элементов (для плоского напряженного состояния), а также энергия деформации всего тела.

4. Значения функций, рассчитанные внутри элемента, для удобства в дальнейшей работе с пими разносятся по узлам . сетки.

5. Анализ НДС можно производить на основе расчета таких параметров механики разрушения, как раскрытие в вершине трещины COD, локальное перемещение D, контурный /-интеграл, коэффициент плотности энерг»я деформации S*. '.'■■•'

6. В процессе решения задач формируется исходная ми^ормация для графического постпроцессора, который осуществляет визуализацию схем и результатов расчета. При этом возможно дублирование выводимой на экран информации в систему автоматизированного проектирования AutoCAD с цслыо получения "твердой" копии и разработки -рограмм л-1« изготовления рассматриваемой детали на станках С ЧГ1У...

На осно». лш провес лшого анализа концепций Дж.Си, П.Теокариса, Л.Жилемота, ИЛндрианопулоса и других был предложен новый подход по использованию удельной (плотности) энергии деформации в качестве параметр механики разрушения для оценки работоспособности сварных соединений. Сущность этого полхода заключается в том, что в качестве правой части используется предельное значение коэффициента плотности эьергии деформации S« а в ка .лтас левой - значение расчетного коэ<Ьфициента меткости энергии деформации Таким образом, условие прочности характеризуется следующим неравенством: !?<Sf

Значение параметра S.. является характеристикой материала к не ззвясит от угла ориентации rpeaxwru по отношению к направлению прикладываемой нагрузки, что позволяет оценивать поведение материала у вершины концентратора при различных сочетаниях Кх и Кг:

с в,- П + »)<1-а»)*Д«, (2(1-у)-^)(1+у)к1с С)

21ГВ 6 лЕ

где для дашюго материала •» критические коэффициента интенсив-

ности напряжения, V и Б - соответственно коэффициент Пуассона и модуль Юнга, 1К< - предельная поглощенная удельная энергия деформации, г< - критический радиус.

Величина представляет собой площадь под истинной диаграммой деформирования материала и может быть рассчитана непосредственно по .экспериментальным данным, В Венгрии метод определения Т, стандартизован

- мхг 4929-76. «

Таким образом, определение критического значения коэффициента плотности энергии деформации возможно по любой из зависимостей, представленных в формуле (I) исходя из известных механических характеристик рассматриваемого материала.

Расчетное значение коэффициента ПЭД 5" - это произведение численно . определенного на некотором радиусе значения удельной энергии деформации IV на величину этого радиуса г. При этом в качестве удельной энергии деформации можно принимать как минимальное значение на указанном радиусе

так и среднее

В данном случае V/ рассчитывается по следующей зависимости:

е о

где Сту и - сооветствеияо тензор напряжений н деформаций в рассматриваемой точке.

НДС окрестности вершины трещины в настоящее время широко известно под названием НКК-подя — по имени авторов работ Хатчинсона, Райса и Розеигркна. Найденные. ими в рамках деформационной теории пластичности аналитические решения имеют ассймптотику у в распределении плотности энергии деформации 1К. Очевидно, что произведение 1'/-л (т.е., значение параметра 5") должно оставаться величиной постоянной.

Проведенные численные исследования показали, что применительно к концентраторам сварных соединений независимость от радиуса вычисления (отклонение менее 5%) соблюдается в том случае, когда г<0.15£. Здесь Ь

- наименьший из характерных сечения сварного шпа.

Результаты численных исследований, проведенных на модели пластины с краевой трещиной при различных вариантах нагружений показзли, что хотя средние значения и ($«!«)„, Для вычисленных на различных радиусах ¡качений & и практически совпадают, значения более стабильны н имеют меиьшгн разброс. Причем, по сравнению с контурным

/-интегралом, независимость У от радиуса вычисления выражена более четко!

Указанное свойство расчетного коэффициента ПЭД позволяет вычислить его на укрупненных разбивках, что значительно снижает время расчета и объем обрабатываемой информации.

Таким образом, для повышения точности оценки НДС у вершины концентратора в качестве параметра Л® целесообразно принимать среднее значение для вычисленных по различным радиусам.

Далее в работе было изучено изменение уровня опасности концентраторов сварных соединений 4-х основных видов (стыковые, тавровые, угловые и кахлесточкые) в зависимости от изменений параметров их геометрии и схемы передачи силового потока. Показано, каким образом зиачителы ■ экономически эффективное, повышение прочности сварных соединений может быть достигнуто путем варьирования целого ряда геометрических характеристик сварного шва и свариваемых элементов.

Повышение прочности сварного шва в данном случае обуславливается благоприятным смещением загруженности сечения шва в сторону безопасных концентраторов с целью разгрузки наиболее опасного, определяющего прочность сварной конструкции в «елом. То есть, в кач етве характерного признака достигнутой равномерной работы и максимальной прочности сварного шва следует прть.мать одновременное наступление предельного состояния в его наиболее опасных концентраторах.

Например, широко распространено мнение о том, что увеличение выпуклое I углового шва приводит к снижению его статической и циклической прочности вследствие увеличения концентрация напряжений в месте перехода от металла шва к оснопному металлу. Это действительно так, если учитывать, что шов выполнен с полным чроваром и трещииоподобный концентратор в корне шва отсутствует. Однако, при наличии такого трещимопо-добного концентратора {например, концентра >ор А в нахлесточном «»единении - рис. 1) картина' опасности концентраторов значительно меняется. В этом случае, как показали исследования, наиболее опасным концентратором хплхстся трещиноподобный дефект в корне шва, а не У-образнын вургз (концентраторы В или С - рис. 1) в месте перехода от металла шва

к основному металлу (что вполне логично, так как трещина, как правило, всегда опаснее, чем менее выраженный концентротор - У-образный вырез). Увеличение выпуклости в данном случае действительно приводит к загрузке (увеличению опасности) концентратора В в зоне перехода от металла шва к основному металлу. По при этом, что особенно важно и ранее не учитывалось, разгружается наиболее опасный трещиноподобный концентратор А в корне шва. Л поскольку именно этот концентратор определяет прочность сварного соединения в целой, то его разгрузка (вследствие выравнивания напряжения по сечению шва ц загрузки менее опасного концентратора) непосредственно способствует повышению как статической так и циклической работоспособности • • иного соединения. Аналогичный эффект достигается и при изменении геометчии свариваемых элементов - использовании, например, подгиба накладки (образующегося после резки металла на пресс-ножницах). Как показали исследования, при определённых сочетаниях параметров геометрии рассматриваемых соединений возможна ситуация, когда наиболее загруженные концентраторы А и В становятся равноопасными, что соответствует достигнутой максимальной прочности сварного шва. Такого же типа результаты получены в работе и для других видов соединений.

Глава 3. Экспериментальные исследования статической прочности сварных соединений

Для проверки адекватности предлагаемого подхода к отработки точт-еш расчетной методики определения статической прочности сварных соединений были проведены соответствующие экспериментальные исследования на статическое одноосное растяжение лабораторных образцов с целью определения для них разрушающей нагрузки. Образш. (всего 9 типов) изготавливались из простой, дешевой, хорошо осво.нной металлургической промышленностью, стали Ст.З. Для уточнения ее механических характеристик, ранее и в дальнейшем используемых при численном моделировании, использовались цилиндрические образцы типа 1. Исследования образцов типа 2-5 показали, что как в случае отсутствия концентратора напряжений, тах н ори его наличии, статическая прочность материала в зоне разрушения у сварных образцов по сравнению с обычными (иесварцыми) на 5-10% выше. Следовательно, неучет остаточных напряжений и реальных механических характеристик металла шва и околошовной зоны приводит к тому, что значения предельной нагрузки, рассчитанные в результате численного моделирования соединения из Ст.З, могут быть несколько ниже реальной, экспериментально ; гтановленной разрушающей нагрузки. Образцы типа 6-9 рассматривались с целью количественного сравиепяя в дальнейшем результатов расчета и эксперимента, и представляли собой четыре основных вида соединений - стыковые, тавровые.

угловые, нахлесточные, математическая модель которых численно рассматривалась ранее. Исследования этих образцов показали, что при одинаковых геометрических параметрах и прочих равных условиях наиболее прочный лобовой шов нахлесточного соединения, затем таврового и наименее, прочный - лобовой шов углового соединения.

Другой важной задачей экспериментальных исследований являлось определение влияния геометрии сварных соединений на их прочность и траекторию разрушения. Проведенные численные исследования показали, что изменение геометрических параметров сварного соединения может оказывать значительное влияние на НДС последнего. Для экспериментальной проверки численно установленных зависимостей использовались образцы, представляющие собой нахлесточное соединение с различными параметрами геометрии сварного шва и свариваемых элементов. Результаты экспериментальных исследований по определению статической прочности нахлесточных соединений в зависимости от параметров их геометрии позволяют сделать вьгвод о том, что между расчетными и экспериментальными данными наблюдается полное

качественное соответствие, позволяющее использовать параметр ^ для выбора рациональной формы сварных соединений.

Для стали Ст.З на основе корреляционного и регрессионного анализа экспериментальных данных получено уравнение, которое позволяет определить численное значение направления разрушения нахлесточного соединения при статическом нагруженни в зависимости от параметров его геометрии. Показано, что лобовой шов нахлесточного соединения в общем случае работает в равной степени как на "сдвиг", так и на "отрыв", что характеризуется углом разрушения 25-60°. Разрушение указанного шва посредством чистого "сдвига" согласно классической механики разрушения должно сопровождаться углом разрушения около 80". Таким образом, методики оценки прочности угловых швов, не учитывающие работу последних на "отрыв", могут приводить к значительному расхождению между расчетной и реальной прочностью сварных соединений.

удслыюн энергии деформа-н анализа геометрии свар-

С целью количественной оценхи погрешности расчета статической прочности сварных соединений на основе предлагаемого ^-подхода в сравнении с погрешностью расчета по другим существующим методикам рассчитывалась предельная .нагрузка для соединений, реальная статическая прочность которых определялась экспериментально на образцах типа 6-9 (глава 3).

Глава 4. Использование ции для оценки прочности них соединений

Для расчетного определенна статической прочности сварных соединений па основе предлагаемого подхода использовалось упругопластическое решение по теории течения с учетом геометрической нелинейности и механических характеристик материала, уточненных па образцах типа 1 (глава 3). Проведенные ранее численные и экспериментальные исследования показали, что прочность рассматриваемых сварных соединений определяется прочностью локальной области в зоне наиболее опасного трещиноподобного концентратора ■ корне шва. То есть, в качестве разрушающей принималась нагрузка, соответствующая наступлению предельного состояния (согласно предложенному в главе 2 условию прочности) у вершины "непровара" корня шва.

Для сравнения определялась также септическая прочность рассматриваемых соединений на основании использования методик СНиП, разработанного А.С.Куркиным (МГТУ им. Н.Э.Баумана) и позволяющего учесть направление вектора нагрузки метода расчета на прочность сварных соединений с угловыми швами, а также предложенного ИЛ.Зайцгвым (ИЭС им. Е.О.Патона) метода определения предельной нагрузки для лобовых швов. Погрешность каждой методики определялась процентным отношением расчетной прочности соединений от реальной (средней разрушающей нагрузки для испытанных образцов каждого типа). Основные результаты по исследованию точности используемых методик представлены в табл. I. Из анализа указанной таблицы видно, что использование предложенного подхода позволяет получить более точное решение для различных видов соединений, хотя для этого необходим пройти достаточно сложную процедуру численного моделирования.

Таблица I

Погрешность определения смтичесыл прочности сборных соединений па различным методикам

Лаг Гш соединения Расчешше методики Экспер.

СНиП НГТУ ЮС Патона 5? р

Р 'разр. Погр. Р Паг/к Р 7*4* Погр. Р '¡»У- Погр.

кг. % кг. % Я?. % '/гг. % кг.

1 СсшкоНое 6960 0.03 — - 13Ю5 №2 6985

2 ТвброЗое т 5459 6303 48.75 6357 2185 13525 9.96 12300

3 Уг/юНое 2793 им .,52 35.9$ 7619 Ш8 № 5М 5135

1 Нйхтпючн. 5586 62.Ш 8329 Ш5 6357 255 1Ш 2Ш Н975

Таким образом, предложенная методика оцепхн статической прочности сварного соединения предусматривает следующую последовательность операций:

1. Определяется критическое значение коэффициента плотиости анергии деформации со формуле (1).

2. Определяется расчетное значение коэффициента плотности энергии

деформации Я" ,по формуле (3).

3. Сравниваются значения и 5'. Если ^ > то у вершины концентратора начнется разрушение материала. В противном случае - материал указанную нагрузку выдержит.

Параметр 5Р может использоваться не только для анализа статической прочности, но и для выбора рациональной геометрии сварных соединений в случае как статического, так и усталостного нагруження. Ранее традиционным критерием качества (рациональности) геометрии сварных соединений являлся коэффициент концентрация напряжений кли коэффициент концентрации деформаций. Между нпмя и сопротивленцем усталости элементов конструкции (эффективным коэффициентом концентрация напряжений) существует однозначна», хотя и не прямопропорцкональная зависимость. При возникновении текучести в материале названные величины перестают совпадать и их необходимо рассматривать раздельно. Использование удельной энергии деформации позволяет избежать указанных недостатков и в рамках единого подхода дать анализ увеличения уровня НДС у вершины концентратора как

в упругой области, так и в пластической. То есть, увеличение £р в упругой области соответствует увеличению концентрации напряжений, а в пластической - увеличению концентрации деформаций. Кроме того, использование

параметра $р по сравнению с коэффициентом концентрации напряжений или деформаций более предпочтительно вследствие его достаточной нечувствительности к типу разбиения и размерам элементов у вершины концентратора, а также независимости ог радиуса вычисления.

В работе показано, каким образом, следуя концепции Дж.Си, параметр

Л' может также использоваться непосредствешш ятя прогнозирования работоспособности конструкции в условиях усталостного нагружения. Однако, это направление исследований выходит за рамки данной работы и автором более детально не рассматривалось.

Таким образом, предлагаемый подход по использованию удельной энергии деформации д_1Я ецсики прочности сварных соединений имеет следующие иреимущеегеа перед другими численными подходами:

- ичеег простую математическую форму и достаточно просто реализу-

ггс» в алгоритмах и программах;

- позволяет оценить статическую прочность спарник соединений расчетным путем на основе обычных механических характеристик материала (диаграмма растяжения, /С|с), имеющих достаточно простое экспериментальное определение;

- при статическом и усталостном нагружении • рамках единого ип.шш позволяет определять направление распространения произвольно ориентированной в пространстве трещины и величину её "скачке", в также дать анализ развития зон пластичности у концентраторов напряжений.

Преимущества предлагаемого подхода перед аналитическими методиками оценки прочности сва^.шх соединений заключается I» ТОМ, что он позволяет учитывать:

- особенности геометрии соединения и ее влияние т уровень опасности коняентраторов;

- распределение механических свойств;

- схему приложения нагрузок;

- пластичность швлв и свариваемых элементе» (для пластичных материалов);

- остаточные напряжения (на основе решения тершуяругояластической задачи);

В качестве примера практического использования предложенной методики для оценки прочности сварных конструкций я разработки технологии их изготовления в работе рассматривался анализ прочности стыковых швов усиливающей накладки хребтовой балки вагона-лееоют.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАВОТЫ

1. Повышение несущей способности сварных следвнений и точности оценки их прочности в рамках использования существу*»«»* подходов представляется недостаточно эффективным. Более персггеигогдаым является направление, связанное с использованием механики раздтжкия и ее деформационно-энергетических критериев. Это приводит Я яеобходимостн разработки методики оценки прочности сварных соедоадаий,, позволяющей более полно и в комплексе учитывать особенности иаб^ув&ииля предельного состояния разрушения сварных соединений в зависимости! да яцрамртров их геометрии.

2, Для получения наиболее полной и точной пнф<!|р«№и''м о напряженно-деформированном состоянии ~ парных соединений в дяятлий ;й«бо.те разработаны соответствующие математические модели, алгоритм» Л .программы, реализующие МКЭ и позволяющие:

- решать упругопластические задан по деформацион-нмй" та-

стичности и теория течения с учетом геометрической нелинейности, неоднородности механических свойств н сингулярности напряжений у вершины концентраторов;

- производить анализ уровня опасности концентраторов яа о^ .ове численного расчета раскрытия в вершине трещины СОР, локального перемещения Ю, контурного /-интеграла н предложенного коэффициента плотности энергии деформации;

- визуализировать схемы н результаты расчета в графическом виде с учетом возможности получения "твердой" копии в системе Аи(оСАО.

3. В результате проведенных численных и экспериментальных исследований показано, что для комплексной оценки предельного состояния у концентраторов сварных соединений в силу универсальности, независимости от радиуса вычисления, достаточной нечувствительности к размерам элементов вследствие своей интегрально-энергетической сущности целесообразно использовать подход по расчету предлагаемого ¿'-параметра.

4. Применительно к концеатраторам сварных соединений независимость

от радиуса вычисления г (отклонение менее 5%) соблюдается в том случае, когда г < 0.15&, где Ь - наименьший из ■> рахтерных размеров сечения сварного шва.

5. Проведенный численный н экспериментальный анализ загруженности сечения сварного шва и его концентраторов е зависимости от вида и геометрии сварного соединения показал, что повышение прочности с варкого шва обусловлено благоприятным смешением загруженности сечения шва в сторону безопасных концентраторов вследствие разгрузки наиболее опасного, определяющего прочность сварной конструкции в целом. Характерным признаком достигнутой равномерной работы и максимальной прочности сварного шва яатяется одновременное наступление предельного состояния в его наиболее опасных концентраторах.

6. Для лобовых швов, имеющих в корне тредшноподобиыЁ дефект типа "непровар", рациональной с позиции прочности является допускаемая соответствующим ГОСТом выпуклая поверхность ш&а. При отсутствии указанного концентратора в рассматриваемых швах - рациональной является допускаемая тем же ГОСТом вогнутая поверхность шпа.

7. В результате проведения экспериментальных исследований установлено, что как в случае отсутствия концентратора напряжений, так и при его наличии, статическая прочность материала в зоне разрушении сварных образцов из Ст.З по сравнении) с обычными, иесварными, «а 5-10% ваше. Таким образом, неучет остаточных напряжений и реальных механических характеристик металл?, шьа и околошовной золы приводит к увеличению загаси расчетной статической прочности конструкции, изготовленной из внше-

указанного материала.

8. Для стали Сг.З иа основе корреляционного и регрессионного анализа экспериментальных данных получено выражение, позволяющее рассчитывать угол разрушения сварного шва нахлесточных соединений и зависимости от геометрических параметров последних.

9. Характер разрушения сварных соединений с трещиноподобным дефектом (посредством "отрыва" или "сдвига") может распознаваться по углу распространения трещины согласно известным зависимостям, установленным ранее в механике разрушения.

10. На основе проведенных теоретических и экспериментальных исследований применения предлагаемого 5*-подхода к оценке уровня опасности концентраторов напряжений предложена методика оценки статической прочности я диализа рациональности геометрии сварных соединений, максимальная погрешность при использовании которой в рассматриваемых случаях не превышала 25%, что вдвое ниже погрешности других существующих методик. Результаты исследований в виде разработанной методики и программного обеспечения, а та- -*е практических рекомендаций по выбору рациональной геомет. .и сварных соединений, используются Стахановским ПО вагоностроения с ожидаемым экономическим эффектом около 4,3 млн. руб. в ценах на январь - февраль 1993 года.

Основное содержание работы отражено вследующи* статьях;

1. Петров С.Ю., Пли«-. Г.В. Перспективы использования удельной энергии деформации для анализа прочности св—ишх соединений / Московский институт инженеров железнодорожного транспорта им. Ф.Э.Дзержинского. -Москвь, 1993. - 17 с. - Деп. в ЦНИИТЭИ МПС»5863-5003

2. Петров С.Ю., Плис Г.В. Использование критерия удельной энергии деформации для оценки прочности сварных конструкций // Производство и надежность сварных конструкций: Тезисы докладов научно - технической конференция стран СНГ. - Москва , 1993. - С. 23.

3. Петров С.Ю., Плис Г.В. Методика использования удельной энергии деформации для оценки прочности и анализа геометрш. сварных соединений / Московский институт инженеров железнодорожного транспорта им. Ф.Э.Дзерж1Шског6. - Москва, 1993. - 23 с. - Деп. в ЦНИИТЭИ МПС

а 5869-да

\ ^

А

о

А С В А С В

А С В А С В

о

А С В

¡нМма

лев

Р.1С. I. Вляяние геометрия сварного шва я сварнздзэдщ змчеятгв мл уровень опасности 1гмсюс;нхся »;П(и:с'.!Тря№{1да,