Исследование напряженно-деформированного состояния в сварных соединениях

Подробности

Опубликовано 22.11.2013 07:13

Просмотров: 3348

В ряде случаев снижение долговечности конструкций связано с особенностями конструктивного оформления ее элементов в области сварного шва. Одной из распространенных причин разрушения сварных конструкций является образование и развитие трещин в зоне перехода от шва к основному металлу. Как правило, это обусловлено резким повышением напряжений за счет жесткости и концентрации напряжений в угловых точках сечения. Анализ напряженно-деформированного состояния вблизи линии сплавления шва, присоединяющего штуцер, позволяет устанавливать обоснованные требования к геометрии шва при проектировании и изготовлении конструкций с угловыми швами.

Для обеспечения достоверности получаемых результатов при исследовании напряженно-деформированного состояния этого конструктивного элемента будем применять различные подходы.

Методика проведения аналитического исследования.

В качестве модели сварного штуцерного соединения рассмотрим круглую в плане пластину переменной толщины, шарнирно опирающуюся по контуру, под действием равномерно распределенной нагрузки интенсивности р.

Предположив, что толщина сечения пластины на каждом из участков мала по сравнению с ее размером в плане, воспользуемся известными гипотезами Кирхгофа. Радиальное сечение пластины со штуцером можно представить состоящим из трех участков, на каждом из которых толщина пластины задается соотношением Ь = Н (г).

В предположении осевой симметрии задачи уравнение равновесия можно представить в виде.

При вычислении принято: г = 15 мм; г2 = 40 мм; г3 = 70 мм; /4=275 мм; Н*2 =60 мм;/73 = 30 мм; а = -1,24; С= 5817;р. = 8,4 МПа; V = 0,3; Е = 210 ГПа. Для сравнения штриховой линией изображены графики соответствующих величин, построенных по результатам тензометрирования образца.

На рис. 4 можно проследить влияние размеров пластины л4 и штуцера г2 на величину аг в точке перехода от сварного шва к основному металлу (г= г3). Во всех вычислениях, как и прежде, предполагается — = соп; гг -гг = 30 мм (ширина сварного шва).

Полученные результаты позволяют выбирать оптимальное соотношение между размерами штуцера и габаритными размерами самого сосуда давления для снижения концентрации напряжений в зоне перехода от сварного шва к основному металлу.

Концентрация напряжений, отмечаемая в точке перехода от сварного шва к основному металлу, в рамках теории пластин Кирхгофа, характеризует только изменение жесткости пластины, т. е. предполагается, что этот переход подвергается соответствующей механической обработке и осуществляется плавно. Если же данная точка окажется угловой, это внесет дополнительную концентрацию напряжений, что должно стать предметом отдельного исследования.

Сопоставление численных и аналитических результатов показывает, что решения, полученные на основе гипотез Кирхгофа в точках, находящихся за пределами зоны концентрации напряжений, для рассмотренного круга задач весьма эффективны. Расхождение результатов, как правило, не превышает 3 %.

К сожалению, в окрестности точек концентрации напряжений данный аналитический метод свою эффективность теряет.

При циклическом нагружении зарождение разрушения определяется наибольшим главным напряжением в зоне перехода от сварного шва к основному металлу. При двухосном изгибе пластины с приваренным штуцером максимальным главным напряжением является напряжение в радиальном направлении (радиальные напряжения). Поэтому далее приведены эпюры только радиальных напряжений, возникающих в соединениях типа штуцер—лист.

Результаты натурного и численного эксперимента и их обсуждение. Перейдем к анализу результатов исследования напряженно-деформированного состояния рассматриваемого элемента конструкции, полученных экспериментально (тензо-метрированием). Здесь же рассмотрим результаты расчетов методом конечного элемента (МКЭ), полученные с использованием известного пакета АМ5У5.

Воздействовать на величину глобальной составляющей можно путем изменения геометрии сварного соединения в области расположения шва, т. е. путем рационального конструирования соединения за счет обеспечения плавного сопряжения соединяемых элементов конструкции по ширине и толщине, изменения податливости соединяемых деталей, перераспределением металла шва, находящегося на растянутых и сжатых волокнах штуцерного соединения.

Численный анализ напряженного состояния штуцерного соединения, проведенный с использованием предлагаемого подхода, и результаты экспериментального исследования с использованием крупногабаритных образцов наглядно показывают эффективность применения предлагаемой методики при правильном оформлении чертежей (http://www.2d-3d.ru/gosti/).

Выводы

1. Целенаправленное воздействие на факторы, определяющие глобальное и локально напряженное состояние, позволяет повысить долговечность конструкции в 3—4 раза и увеличить живучесть сварного соединения с трещиной.

2. Изложенный подход расширяет возможности поиска методов снижения напряженно-деформированного состояния конструкции, путем изменения конструктивных параметров соединения и технологических приемов и позволяет получить требуемую долговечность конструкции.