НАПРЯЖЕНИЯ В ДЕТАЛЯХ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ

 

Савенков В.Н., Петренко Т.Ю., Ревко Е.В. (ДонНТУ, г. Донецк, Украина)

 

В расчетах сварных соединений на прочность используются допущения, при которых расчетные напряжения значительно отличаются от напряжений в реальных соединениях. Кроме того, для уточнения расчетных моделей сварных соединений используются аналитические решения, полученные для моделей лишь отдаленно напоминающих сварные соединения.

В данной работе рассматриваются реальные сварные соединения, рассчитываемые численно методом конечных элементов по программе ANSYS.

На рис. 1 приведено нахлесточное соединение полосы, приваренной к листу двумя фланговыми и одним лобовым швами. Лист защемлен на одном конце. Швы имеют треугольное поперечное сечение. Катет шва равен 6 мм. Остальные размеры показаны на рисунке. Полоса нагружена по торцовой поверхности равномерно распределенной нагрузкой интенсивностью q =120 МПа. Материал деталей соединения  – сталь, модуль упругости E = 2,07·10⁶ МПа.

На рис. 2 изображены конечные элементы соединения в виде тетраэдров.

Швы и соединяемые детали находятся в сложном напряженно-деформированном состоянии.

На рис. 3 приведены контурные эпюры растягивающих напряжений в деталях рассматриваемого сварного соединения. А на рис. 4 приведен видеоклип изменения этих напряжений в процессе нагружения соединения.

На рис. 5 приведены эпюры касательных напряжений τ_yz в сварных швах в плоскости контакта соединяемых листов по направлению приложенной нагрузки q. Как видно из эпюр, напряжения по длине швов не одинаковы. Особенно это касается фланговых швов. Здесь напряжения по концам швов почти в 6 раз больше напряжений в средней части. в лобовом шве разница в напряжениях в различных сечениях менее значительна. Однако средние значения касательных напряжений в лобовом шве больше напряжений во фланговых швах более чем в 2 раза. То есть лобовый шов жестче фланговых швов и, следовательно, более нагружен.

На рис. 6 представлены эпюры касательных напряжений τ_αz в продольной плоскости флангового шва с углом наклона к катету поперечного сечения α = 45°, то есть в плоскости с максимальными касательными напряжениями.

Как видно из рисунка, напряжения по ширине поперечного сечения шва распределяются весьма неравномерно, а в крайних сечениях они даже имеют разные знаки. Максимальные напряжения превосходят средние напряжения в 3,7 раза.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 1 – Нахлесточное соединение

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 2 – Конечные элементы деталей соединения

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 3 – Напряжения растяжения σ_z

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 4 – Видеоклип процесса изменения напряжений растяжения σ_z

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 5 – Эпюры касательных напряжений τ_zy  в сварных швах продольно нагруженного соединения

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 6 – Эпюры продольных касательных напряжений τ_αz  в поперечных сечениях флангового шва

 

 

 

В принятых в настоящее время методиках расчет сварных швов на прочность ведется по средним значениям касательных напряжений в плоскостях среза, что является грубым приближением к реальному напряженному состоянию швов.

На рис. 7 приведена эпюра касательных напряжений в поперечном сечении флангового шва. Как видим, напряжения распределяются по сечению крайне неравномерно. Поэтому оценку напряженности сечения по-видимому следует проводить по среднему напряжению при условии, чтобы максимальные напряжения не превышали предел прочности материала.  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 7 – Эпюра касательных напряжений в поперечном сечении флангового шва

 

 

 

 

 

 

 

При нагружении соединения внахлестку моментной нагрузкой, расположенной в плоскости стыка, распределение касательных напряжений в сварных швах принимают пропорциональным расстояниям точек швов от центра тяжести площадей среза швов. Как показывают расчеты, проведенные в данной работе, в реальном соединении распределение напряжений существенно зависит от податливости соединяемых деталей.

На рис. 8 приведены эпюры касательных напряжений τ_zy в швах комбинированного нахлесточного соединения, нагруженного моментом в плоскости стыка.                                 

                                                                                                                       

55

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 8 – Эпюры касательных напряжений в сварных швах соединения внахлестку, нагруженного моментной нагрузкой в плоскости стыка: а – напряжения τ_zy; б – напряжения τ_yx

 

Напряжения нелинейно распределяются по длине швов поэтому нельзя говорить об их пропорциональной зависимости от расстояния до центра тяжести C швов.

 

 

 

 

         Распределение напряжений зависит от формы поперечного сечения сварного шва.

На рис. 9 приведены контурные изображения растягивающих напряжений в лобовом V­- образном шве сварного соединения встык. Шов выполнен с наплывом. Максимальные напряжения  МПа. Коэффициент концентрации составляет 228/120 = 1,9. Следовательно, удаление наплыва увеличит прочность шва в 1,9 раза.

Рисунок 9 – Напряжения в лобовом шве соединения встык

 

Выводы:

1. Расчет сварных соединений по допускаемым напряжениям среза швов является  весьма приближенным. Поэтому должны быть приняты большие коэффициенты запаса прочности, с тем чтобы в опасных точках максимальные напряжения не превышали предел прочности материала швов.

2. В ответственных соединениях необходимо контролировать максимальные напряжения во избежание локальных повреждений швов и развития усталостных трещин.