книги из ГПНТБ / Труфяков, В. И. Усталость сварных соединений

срока службы локомотива (20—30 лет). Выносливость конструкции оценивается величиной запаса прочности

где п — запас прочности; o_i — предел выносливости стандартно­ го образца при симметричном цикле; от — среднее напряжение цик-

Амплитуда av устанавливается по результатам обработки осциллографических записей действующих в раме переменных напряже­ ний. Расчетная величина av находится либо путем выборки макси­ мальных размахов, либо в результате статистической обработки осциллограмм по методу размахов. В последнем случае расчетная

где аа — статистическая средняя величина амплитуды; 5„ — сред­ нее квадратическое отклонение амплитуды.

Эффективный коэффициент К рекомендуется устанавливать на основании стендовых испытаний или же путем оценки степени влия­ ния отдельных факторов, ее определяющих:

Для ориентировочного выбора коэффициента К и оценки испол­ нения сварных соединений допускается определять его величину исходя из приводимых в справочной литературе эффективных коэф­ фициентов концентрации напряжений Ко, используя при этом сле­ дующую зависимость:

где £ — коэффициент пропорциональности, для основных балок рамы тележек его принимают равным 0,5—0,6.

Рекомендуемая методика согласуется с общими принципами и формой расчетов на усталость деталей машин [141]. Вместе с тем

* Здесь и далее сохраняются буквенные обозначения, указанные в перво­ источниках.

170

очевидно, что для расчета сварных соединений с высокими остаточ­ ными напряжениями она требует некоторых уточнений.

Формула (15) для подсчета коэффициента запаса получена исхо­ дя из схематизированной диаграммы сг,„, crm a x (см. рис. 42, б) в

ни я остаточных напряжений. Когда в районе сварного соединения действуют значительные остаточные напряжения, более обоснован­ но исходить из того, что величина ( а а ) с о е д постоянна (см. гла­ вы I I и III) . В этом случае урав­

нение линии предельных напряже­ ний сварного соединения (рис. 106) принимает вид

точки АО, а также искомый запас прочности п наиболее просто [141] определяются путем совместного решения уравнений для линии

171

То же самое выражение для п можно получить из уравнения (15) подстановкой в него яр = 0.

Если исходить из одних и тех же пределов выносливости свар­ ных соединений при симметричном цикле напряжений (или же рав­ ных значений Ко), то полученные запасы прочности по формуле (24) более высокие, чем полученные по формуле (15). Однако, поскольку

рекомендуемые значения Ко, установленные по результатам испыта­ ния больших образцов с учетом влияния остаточных напряжений, выше принимаемых в настоящее время (см. табл. 21), запасы проч­ ности, подсчитанные по равенству (24), существенно снижаются. Поэтому представляет интерес сопоставить диаграммы допускаемых напряжений, полученные в соответствии с предпосылками, приня­ тыми при выводе формул (24) и (15).

В первом случае значения Ко и \\> должны приниматься равными рекомендуемым в настоящее время, а допускаемые напряжения

172

конструкций должна повышаться путем устранения выявленных недостатков, а не путем снижения допускаемых напряжений до уровня пределов выносливости дефектных соединений, как это сде­ лано в рассматриваемых нормах.

Для доброкачественных сварных соединений обычно рекоменду­

и сварных соединений остается постоянным, независимо от величи­ ны среднего напряжения цикла. В краностроении коэффициенты запаса п принято определять путем сопоставления расчетных на­ пряжений с табличными данными допускаемых напряжений. Те же значения п могут быть установлены расчетным путем:

В отличие от формулы (15) коэффициент при аа равен эффектив­ ному коэффициенту концентрации Ко- Значения Ка (см. табл. 21) и величина -ф = 0,2 определены по результатам испытаний сварных

174

образцов сечением 500—700 мм2, полученным М. М. Гохбергом в Ленинградском политехническом институте [36]. Принятая зако­ номерность и указанные значения Ка и \\> позволяют получить рас­ четные величины пределов выносливости, близкие к эксперименталь­ но установленным на образцах небольшого сечения, но они могут отличаться от предельных значений ог образцов большого сечения (5000—6000 мм2), особенно в тех случаях, когда соединение имеет поперечные швы. Соответствующее сопоставление приводилось на рис. 108. На тех же диаграммах нанесены допускаемые напряжения, рекомендуемые в локомотивостроеиии и краностроении.

Более существенные расхождения между значениями, получен­ ными в результате испытаний образцов, и расчетными значениями наблюдаются при использовании зависимости Гудмана, положен­ ной в основу расчета на усталость сварных соединений пролетных строений мостов и стальных конструкций промышленных coop уже-- ний. Согласно этой зависимости, диаграммы предельных напряже­ ний основного металла и различных сварных соединений сходятся в точке С, соответствующей временному сопротивлению материала

Постоянные d и f определяются из условия прохождения прямой

.через точки А1 и С (см. рис. 42, а):

где ст 1 — предел выносливости основного металла с прокатной по­ верхностью; 6 = Ка — эффективный коэффициент концентрации напряжений; ав — временное сопротивление материала.

Подставляя значения d и / в уравнение (28), имеем

Отсюда получаем исходную расчетную формулу для определения

В зависимости от характеристики цикла, принятой при экспери­ ментальном определении пределов выносливости сварных соедине­ ний, формула (31) может давать как завышенные, так и заниженные

(73

значения предельных напряжений. Применительно к сварным мо­ стам расчетные величины (o_i)c o e f l и эффективные коэффициенты концентрации напряжений В определялись Б. Н. Дучинским

Рис. 109. Расчетные значения пределов выносливости:

/ и 3 — вычисленные по формуле (31); 2 — вычисленные по формуле (26)

при л = 1.

151—53] по пределам выносливости, установленным эксперимен­ тально при характеристике цикла р = -f- . Вследствие этого, а

также из-за неучета влияния остаточных напряжений расчетные пределы выносливости по формуле (31) получаются обычно завышен­ ными в области знакопеременных напряжений и заниженными при высоких значениях р.

На рис. 109 приведены расчетные пределы выносливости сварных соединений малоуглеродистой стали, полученные по выражению

176

(31) * и формуле (26) при п = 1, которая дает наиболее близкие зна­ чения по отношению к экспериментально установленным на образ­ цах большого сечения. Если в области однозначных переменных напряжений расхождения между соответствующими значениями аг (ар) не превышают 10%, то в области знакопеременных напряже­

тирования [1521, предусматривающими плавный переход от шва к основному металлу) и около 2 кГ/мм2 (кривая 3), если принимать Р = 2,2 (что отвечает более выпуклым угловым швам).

Как уже упоминалось, расчет строительных конструкций, вклю­ чая мосты, выполняется по методу предельных состояний, особен­ ность которого заключается в замене общего коэффициента запаса несколькими расчетными коэффициентами, посредством которых раздельно учитывается влияние различных факторов [8, 55, 148, 149]. Проверка на выносливость отнесена к первому предельному состоянию. В общем случае первое предельное состояние выражает­ ся расчетной формулой

где Pf — отдельные частные значения нормативных нагрузок; щ — коэффициенты перегрузок; а — коэффициент перехода от нагрузки к

ление; К — коэффициент однородности.

Расчет на выносливость сварных соединений пролетных строений мостов производится на многократно-повторное действие регуляр­ ных нагрузок в их нормативных значениях, т. е. без коэффициен­ тов перегрузки и без учета редко действующих нагрузок, входящих в дополнительные особые сочетания. Учитываются лишь часто встречающиеся условия загружения и значения динамических коэффициентов, но при этом более строго подходят к выбору расчет­ ной схемы пролетного строения, а также учету дополнительных на­ пряжений [55].

Переход от расчетного сопротивления на прочность R к понижен­ ному расчетному сопротивлению на выносливость КРар рекоменду­ ется осуществлять с помощью коэффициента у [55]:

где стр — расчетный предел выносливости основного металла или соединения; КР — коэффициент однородности в отношении предела усталости.

* При расчетах предел выносливости а — 1 основного металла принимался

Коэффициент у является функцией предела выносливости со­ единения. Поэтому структура формулы для его определения та­ кая же, как выражения (31):

Вместе с тем роль коэффициента у существенно изменилась после того, как с его помощью стали повышать расчетное сопротивление

Существует еще одна особенность расчета сварных соединений на усталость, принятая в нормах проектирования мостов. Она отно­ сится к дополнительному понижению расчетного сопротивления на усталость сварных соединений элементов проезжей части моста и малых пролетных строений.

В отличие от элементов главных ферм, для которых проход по­

178

Значения Б и В принимаются в зависимости от коэффициента р" [152].

С учетом нестационарности нагружения расчетные сопротив­ ления сварных соединений усталостным разрушениям несколько

179'