автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.06, диссертация на тему:Влияние упругой податливости соединяемых элементов на напряженно-деформируемое состояние сварных соединений

ДОНСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННЙ ТЕНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ

ВЛИЯНИЕ УПРУГОЙ ПОДАТЛИВОСТИ СОЕДИНЯЕМЫХ ЭЛЕМЕНТОВ НА НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ

05.03.06 Технология и машины сварочного производства 05.02.02 Машиноведение и детали машин

На правах рукописи УДК 621.791:052

Рогозин Дмитрий Викторович

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук, профессор Лукьянов В. Ф.

Ростов-на-Дону 1998

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 4

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА

1.1. Конструктивная прочность и факторы ее определяющие 9

1.2. Задачи исследования 33

2. МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ

2.1 Предметная область исследования 34

2.2 Методика исследования напряженно-деформированного состояния сварного соединения с использованием метода конечных элементов 39

2.3 Методика анализа локального напряженно-деформированного состояния 46

2.4 Прикладное программное обеспечение 52

3. КОНСТРУКТИВНАЯ ПРОЧНОСТЬ СВАРНЫХ

НАХЛЕСТОЧНЫХ СОЕДИНЕНИЙ

3.1 Влияние податливости соединяемых элементов на прочность соединений с лобовыми швами 53

3.2 Влияние податливости соединяемых элементов на 76 напряженно-деформированное состояние нахлесточных соединений с прерывистыми фланговыми швами

3.3 Нахлесточные соединения с прерывистыми фланговыми 95 швами, частично воспринимающих силовой поток

3.4 Выводы 99

4. ВЛИЯНИЕ ПОДАТЛИВОСТИ СОЕДИНЯЕМЫХ

ЭЛЕМЕНТОВ НА КОНСТРУКТИВНУЮ ПРОЧНОСТЬ

ТОНКОСТЕННЫХ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ

4.1 Сварные соединения элементов малой жесткости, оси 100

которых расположены в параллельных плоскостях

4.2 Сварные соединения элементов малой жесткости с осями, 124 расположенными во взаимно перпендикулярных плоскостях

4.3 Результаты экспериментального исследования 137 закономерностей влияния податливости на характер передачи усилия через сварной

4.4 Проектирование сварных узлов с учетом податливости 144 соединяемых элементов

4.5 Выводы 151

РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ И ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 152

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 154

ВВЕДЕНИЕ

В различных отраслях промышленности сварные конструкции находят широкое применение. Но несмотря на значительные успехи, достигнутые в области проектирования, изготовления и контроля сварных конструкций, а также более тщательное изучение условий эксплуатации их, не исключены случаи преждевременного выхода конструкции из строя и потеря ее работоспособности задолго до прогнозируемого срока эксплуатации. Во многих случаях прочность сварных соединений в составе конструкции оказывается ниже прочности материала, из которого они изготовлены. Снижение конструктивной прочности сварного соединения обусловлено рядом причин, среди которых концентрация напряжений, вызванная формой сварного шва и дефектами сборки и сварки, остаточные сварочные напряжения и деформации, структурная и механическая неоднородность и другие.

Значительные успехи в области теоретического и экспериментального исследования работоспособности и конструктивной прочности сварных соединений связаны с именами Г. А. Николаева, С. А. Куркина, В. А. Винокурова, В. И. Махненко, В. И. Труфякова, Г. П. Карзова, С. Н. Киселева, Д. И. Навроцкого, Н. А. Клыкова, В. И. Дворецкого, И. В. Кудрявцева, И. И. Макарова, Э. JI. Макарова, О. И. Стеклова, А. Е. Ас-ниса, Б. С. Касаткина, Г. С. Васильченко, Д. М. Шур, С. В. Серенсена, Н. А. Махутова, А. П. Гусенкова, В. П. Когаева, Г. А. Бельчука, О. А. Бак-ши, Р. 3. Шрона, М. В. Шахматова, A. Neumann, W. Н. Munse, F. М. Burdekin, S. U.Meddox, J. Harrison, Т. R. Gurney, A. A. Wells, P. W. Nichols, H. Kihaza, J. Tanaka, K. Masubuchi, F. Faltus и других исследователей.

В их работах приведены зависимости по расчету прочности сварных соединений при действии нагрузок статического и циклического характера. Выявлены закономерности по влиянию технологических и кон-

струкционных факторов, снижающих прочность сварных соединений в составе конструкции.

К факторам снижения конструктивной прочности, отмеченных в работах указанных авторов, можно отнести еще один не менее значительный - неоднородная упругая податливость соединяемых элементов, которая существенное влияние оказывает на характер распределения напряжений в продольном и поперечном сечении сварного шва, а, следовательно, и на прочность сварного соединения. Повышение деформаций может нарушить нормальную работу конструкции задолго до возникновения опасных для прочности напряжений. Нарушая равномерное распределение нагрузки, податливость соединяемых элементов вызывает сосредоточение силы на отдельных участках сопряжения шва с деталью, в результате чего появляются локальные участки с напряжениями, значительно превосходящие номинальные. Роль этого фактора может проявляться даже в тех случаях, когда материал имеет достаточную пластичность и дефекты в соединении отсутствуют. Как правило, в расчетах на прочность сварных конструкций данное обстоятельство не учитывают. Это вполне оправдано для толстостенных конструкций, в состав которых входят элементы, обладающие большой жесткостью. Переход к широкому использованию тонкостенных элементов и гнутых профилей, по-видимому, требует более детального анализа напряженно-деформированного состояния сварного соединения, поскольку есть основания полагать, что податливость соединяемых элементов может оказывать существенное влияние на несущую способность сварных швов.

Влиянию податливости соединяемых элементов на несущую способность сварных соединений уделялось внимание в работах Г. А. Николаева, Ю. А. Шиманского, Д. И. Навроцкого, В. И. Махненко, С. Н. Ки-силева, С. Ю. Петрова, А. В. Вершинского и других. Однако вопросы, связанные с закономерностями перераспределения напряжений в сварном шве, и изменением локального напряженно-деформированного со-

стояния, остаются открытыми и нуждаются в более тщательном экспериментальном и теоретическом исследовании.

Повышение надежности и долговечности сварных конструкций при одновременном снижении металлоемкости является в настоящее время важной задачей. Переход к использованию высокопрочных материалов позволяет снизить размеры сварной конструкции, но при этом влияние упругой податливости соединяемых деталей на конструктивную прочность сварных соединений будет усиливаться. В связи с этим возрастает актуальность изучения закономерностей перераспределения напряжений в сварных швах вследствие неоднородной податливости соединяемых элементов и создания новых расчетных методик несущей способности сварных соединений и практические рекомендации по проектированию элементов сварных узлов, направленные на снижение уровня локальных напряжений, вызванных неравномерным характером распределения напряжений по всему сечению сварного шва, воспринимающему внешнюю нагрузку.

Цель работы. Выявить закономерности перераспределения напряжений в сварных швах, обусловленные неоднородной податливостью соединяемых элементов, и на их основе разработать практические рекомендации по расчету и проектированию сварных соединений тонкостенных конструкций.

В первой главе проанализированы конструктивные и технологические факторы, снижающие прочность сварных соединений в составе конструкции.

Вторая глава посвящена изложению методических аспектов численного моделирования напряженно-деформированного состояния сварных соединений с помощью метода конечных элементов.

В третьей главе изложены результаты численного анализа изменения локального напряженно-деформированного состояния в нахлесточ-

ных соединениях с лобовыми швами. Разработаны регрессионные зависимости отражающие связи между геометрическими параметрами сварных соединений и коэффициентом локальной концентрации напряжений. Исследованы закономерности перераспределения усилий между прерывистыми фланговыми швами, полностью и частично воспринимающих нагрузку.

В четвертой главе излагаются результаты численного анализа моделирования напряженно-деформированного состояния тонкостенных сварных соединений элементов ограниченной жесткости. Выявлены закономерности перераспределения напряжений в сечении сварного шва в результате неоднородного деформирования соединяемых элементов под действием приложенной нагрузки. Приведены практические рекомендации по проектированию сварных узлов с учетом податливости деталей.

Научная задача. Выявить общие закономерности перераспределения напряжений в сварных швах в результате неодинаковой упругой деформации соединяемых элементов.

Научная новизна работы. Установлены следующие основные закономерности формирования напряженно-деформированного состояния сварных швов в конструкциях, состоящих из тонкостенных элементов.

• Неоднородность упругой податливости различных участков соединяемых элементов является основной причиной перераспределения усилий, передаваемых через отдельные участки шва. При этом участки с большей жесткостью способствуют местному повышению напряжений в шве. Участки с большей податливостью передают через шов меньшие, по сравнению с номинальным уровнем, усилия.

• Неравномерный характер распределения напряжений в сварных швах, обусловленный неодинаковой податливостью соединяемых элементов, не изменяется при развитии пластических деформаций и сохраняется вплоть до разрушения.

• Коэффициент неравномерности распределения напряжений вдоль сварного шва "п" тем выше, чем выше неоднородность податливости участков соединяемых элементов в районе сварного шва.

• В тавровых соединениях маложестких элементов на величину "п" большее влияние оказывает жесткость того элемента, который играет роль основания в тавровом соединении.

Практическая значимость: Выявленные закономерности позволяют путем целенаправленного управления податливостью соединяемых элементов увеличить несущую способность сварного соединения за счет устранения неравномерности распределения напряжений вдоль шва.

Учет реального характера распределения напряжений в сварном шве позволяет проектировать соединения с переменным катетом шва, что снижает расход наплавленного металла и трудоемкость сварки.

Результаты исследований внедрены в учебный процесс при подготовке в Донском государственном техническом университете инженеров по специальности 1205 - «Оборудование и технология сварочного производства». Разработано методическое руководство для выполнения лабораторной работы по дисциплине «Проектирование сварных конструкций».

Результаты работы обсуждались на конференции «Современные проблемы сварочной науки и техники» (Воронеж, 1997), на ежегодных конференциях профессорско-преподавательского состава Донского Государственного Технического Университета (Ростов-на-Дону, 1997-98). По теме диссертации опубликовано 7 научных работ.

Работа выполнена в Донском государственном техническом университете на кафедре «Машины и автоматизация сварочного производства» в соответствии с межвузовской научно-исследовательской программой «Сварочные процессы».

1. Состояние вопроса

1.1. Конструкционная прочность сварных конструкций и факторы ее определяющие

Несмотря на значительные успехи, достигнутые в области проектирования, изготовления и контроля сварных конструкций, а также более тщательное изучение условий эксплуатации их, случаи разрушения имеют место и в настоящее время. В связи с этим вопросам прочности и надежности сварных конструкций всегда уделялось большое внимание.

Во многих случаях прочность сварных соединений в составе конструкции оказывается ниже прочности материала, из которого они изготовлены.

Прочность сварных соединений в составе конструкции принято [1] называть "Конструктивной прочностью сварного соединения". Как следует из имеющихся данных, существует несколько причин снижения конструктивной прочности.

В результате нарушения проектных форм изделия в процессе изготовления действительное распределение напряжений может существенно отличаться от расчетного. В связи с этим происходит локализация деформаций на ранней стадии нагружения и разрушение при относительно малой деформации. Приведенные в работе [2] результаты испытаний гидравлическим нагружением до разрушения сварного сферического сосуда из стали 22К диаметром 1800 мм с толщиной стенки 40 мм показали, что разрушение сосуда наступило при средних напряжениях 305 МПа, это составляет приблизительно 70 % от предела прочности основного металла. При нагружении до давления 14 МПа напряжения в стенке сосуда, найденные по результатам тензометрирования, близко совпадают с расчетными значениями. При дальнейшем нагружении деформации приобретают неравномерный характер, причем неравномерность нарастает с увеличением давления. При этом поле деформаций становится неравноосным, что вероятно связано с искажением формы сосуда. В некоторых

точках сосуда величина деформаций соответствует напряжениям, близким пределу текучести материала при давлении, составляющем около 40% от разрушающего.

Остаточная средняя деформация стенки сосуда составляла около 0,5 %, тогда как относительное удлинение стали 22К при стандартных испытаниях на растяжение превышает 20 %.

Аналогичное явление отмечено в районе разрушения спирально-шовной трубы 820x10 мм на участке нефтепровода Калтысы-Куйбышев [3]. Пластическая деформация стенки трубы вблизи трещины не превышала 1,5...2,0 %. Разрушение началось от линии перехода наплавленного металла к основному с внутренней стороны трубы. Трещина имела длину 1500 мм и была ориентирована по спирали вдоль шва.

В обоих случаях конструкционный материал имел достаточно высокую пластичность (8>20 %).

Очевидно, применение материалов с меньшим запасом пластичности может способствовать более существенному снижению конструктивной прочности [1].

На рис. 1.1 представлены результаты испытания сварных сферических и цилиндрических сосудов диаметром ~ 165 мм из высокопрочной стали типа 17-7РН, обработанной на различные уровни прочности [4]. Видно, что с повышением прочности конструкционного материала наблюдается увеличение разброса результатов экспериментов и снижение среднего значения прочности сосуда. Многие сосуды разрушались при напряжениях, ниже предела текучести материала, что указывает на локализацию процесса разрушения.

Местное изменение пластичности металла в результате неблагоприятного термомеханического воздействия сварки может привести к аналогичным результатам [5,6].

В работе [7] описаны усталостные испытания при 11=0 на базе 5x106 циклов плоских образцов из стали 16Д размером 490x180x12 мм с накладкой (110x90x12 мм), расположенной посередине образца и приваренной по ее контуру. Предел выносливости по критерию возникновения трещины равен сгтр^ПО МПа. При испытании типовых образцов той же стали при 11=0,1 на базе 5x106 циклов получено аТр=75 МПа. Сварку производили по одинаковой технологии. Видно, что усталостная прочность типовых образцов, а следовательно и реальной сварной конструкции в 1,5 раза ниже предела выносливости лабораторных образцов.

Для определения предела выносливости различных сварных соединений рекомендуется пользоваться методическими указаниями РД50-551-85, где представлены диаграммы предельных напряжений сварных соединений для различных групп элементов. По этим диаграммам можно установить предел выносливости для элементов каждой группы, выраженный в номинальных напряжениях, отнесенных к месту возникновения трещины при различной асимметрии цикла и базе испытаний. Однако, по мнению авторов работы, [8] использование методических данных не всегда допустимо. Для некоторых сварных конструкций разница между указанными и фактически установленными значениями сопротивления усталости значительная.

_вн <=>01

О,В

0,4

О

•

STíZ •

i/ •

\ • ч •

i

980 1120 1260 бв,МПа

Рис. 1.1. Изменение конструктивной прочности тонкостенных сосудов диаметром 6,5 дюйма с разным пределом прочности материала:

1 - сферический, 2 - цилиндрический

Так, при усталостном испытании рамы тележки, изготовленной из стали СтЗсп, силами, соответствующими эксплутационным, при симметричном цикле, трещина возникала на границе кругового шва с основным металлом стенки боковины в зоне наибольших напряжений после 1х106 циклов. Согласно методическим указаниям предел выносливости для сварных элементов третьей группы при 1x106 циклов составляет 77 МПа, т. е. в 3,4 раза больше (77/23) действительного. Такое несоответствие авторы объясняют следующим. Методические указания пригодны для расчета на усталость элементов сварных конструкций, подверженных действию сил, вызывающих в нем линейное напряженное состояние. Последнее возникает в конструкции при растяжении-сжатии, чистом и поперечном изгибе.

В реальных сварных конструкциях имеются сварные соединения, в зоне которых основной металл находится в сложном напряженном состоянии. По�