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

Учет нестационариости нагружения следует отнести к сущест­ венным преимуществам метода расчета, разработанного ЦНИИС. Вместе с тем величина коэффициента режима нагрузки £ и нахож­ дение его в правой части основного расчетного уравнения вызыва­ ют ряд замечаний [14, 1631. Возникает сомнение и в целесообраз­ ности сохранения существующей формы расчета с помощью коэф­ фициента у. Как известно, такая форма расчета принята давно; ее можно встретить, например, в русских нормах 1907 г. на проек­ тирование мостов. Позднее коэффициент у перешел в расчет закле­ почных, а затем и сварных соединений. С его помощью проверка на выносливость связывалась с расчетом на статическую прочность.

Поскольку проверка на выносливость и расчет на прочность про­ водились на воздействие одних и тех же нагрузок, задача своди­ лась только к тому, чтобы понизить допускаемые напряжения для элементов и соединений, испытывающих переменные напряжения. Эту роль и выполнял коэффициент у. Для его определения пользо­ вались формулой

Постоянные коэффициенты а и b для различных соединений ука­ зывались в технических условиях и подбирались с таким расчетом, чтобы после умножения основного допускаемого напряжения на ве­ личину у получались напряжения ниже предела выносливости со­ единения. Такая методика просуществовала до 1955 г. Нормы про­ ектирования сварных мостов ТУПИМ-св-55 [151] изменили подход к установлению нагрузок для расчета на усталость. Нагрузки стали иными, чем при расчете на статическую прочность. Однако это до­ стигнуто не путем прямого снижения расчетных нагрузок, а посред­ ством увеличения коэффициента у. В формуле для его определения появился коэффициент режима нагрузки £, не свойственный правой части расчетного уравнения. Этим, очевидно, преследовалась только

.одна цель — сохранить прежнюю форму расчета.

В нормах СН-200-62 [152] произошло дальнейшее усложнение •коэффициента у. С его помощью стали дополнительно снижать на­ пряжения в элементах (и их соединениях) с малой длиной загружения линии влияния. Такая разнохарактерность коэффициента у делает методику расчета соединений на выносливость не ясной; она не согласуется с методом расчета по предельным состояниям, в ко­ тором все факторы выражаются в явной форме 1551. При этом следу­ ет отметить, что если в нормах 1955 г. [151 ] сохранение прежней фор­ мы несколько упрощало расчет на выносливость (расчетные напря­ жения брались готовыми из расчета на прочность), то в нормах 1962 г. [1521 для расчетов на прочность и выносливость рекоменду­ ются различные значения коэффициента перегрузки п, коэффициен­ та е (учитывающего нагрузку от тяжелых транспортеров), динами­ ческого коэффициента 1 + |Л, указываются различные правила загружения линий влияний и т. д. В этих условиях полностью теря­ ется связь между расчетами на статическую прочность и на

180

выносливость. Следовательно, отпадает надобность и в коэффи­ циенте у [163].

Как уже упоминалось, для определения пределов выносливости сварных соединений промышленных сооружений также использу­

ние нестационарности режима работы конструкции с течением вре­ мени и длины загружения линии влияния. Тем не менее значения коэффициента а несколько различаются в зависимости от полноты загружения конструкций (табл. 44).

Расчет на выносливость подкрановых балок и ферм, балок рабо­ чих площадок, элементов бункерных и разгрузочных эстакад пред­ писывается производить на воздействие нормативных нагрузок от одного крана наибольшей грузоподъемности (или соответственно от одного подвижного состава, действующего в пролете) без учета коэффициента динамичности. За расчетные сопротивления усталос­ ти разрешается принимать средние значения пределов выносливости (кривые/, рис. 110). Исходя из этого были подобраны коэффициен­ ты а и Ь в формуле (34). Когда элементы или конструкции находят­ ся под воздействием полной нормативной переменной нагрузки, коэффициента увеличивают с таким расчетом, чтобы после умноже­ ния основного расчетного сопротивления (R = 2100 кГ/см2) на ко­ эффициент у получалось значение арКр (кривые 3, рис. ПО).

Рекомендуемые нормативные нагрузки являются условными. Они не отражают действие фактических нагрузок, предопределяю­ щих усталостную повреждаемость конструкций. Надо полагать,, что в связи с результатами изучения спектров реально действующих переменных напряжений (например, в подкрановых балках, см. сле­ дующий параграф) нагрузки для расчета на усталость будут изме­ нены. Уточнению должны подлежать и расчетные сопротивления усталости. При этом целесообразно те и другие данные выражать

181

в явной форме вне связи с нормативными статическими нагрузками и расчетными сопротивлениями однократно действующим макси­ мальным напряжениям.

2. Определение расчетных сопротивлений усталости сварных соединений малоуглеродистых, низколегированных и высокопрочных сталей

Выражая расчетные напряжения от внешних воздейст­ вий и расчетные сопротивления усталости материала или сварных соединений в явном виде, исходная формула для поверки на выносли­ вость в методе расчета по предельным состояниям принимает вид

вие которых равноценно нестационарному нагружению в течение расчетного периода эксплуатации конструкции; Rr — расчетное сопротвиление усталости материала или сварного соединения.

Исходя из принципов нормирования, принятых в методе расчета по предельным состояниям, а также статистической природы усталост­ ного разрушения и статистических приемов фиксации нестационар­ ности нагружения, Rr и аэ следует определять в вероятностном аспек­ те. Однако применительно к расчету сварных соединений такой подход не получил еще должного развития. В настоящее время рас­ четные сопротивления Rr заметно понижаются по отношению к экс­ периментально установленным пределам выносливости соединений, а расчетные нагрузки для проверки на усталость назначаются рав­ ными или близкими к максимальным, редко действующим на кон­ струкцию. Между тем объем накопленных экспериментальных дан-' ных по выносливости сварных соединений (см. гл. III) позволяет уже теперь применить метод математической статистики для уточне­ ния Rr и тем самым сблизить методики определения расчетного со­ противления усталости соединений Rr и основного расчетного со­ противления R, отвечающего статическому воздействию сил.

При статическом нагружении за предельное сопротивление ма­ териала принимается предел текучести сгт. Нормативный предел текучести о?, указываемый в стандарте, соответствует браковочному минимуму. Ему отвечает нормативное сопротивление R". Однако выборочный характер контрольных испытаний не исключает воз­ можные отклонения фактического предела текучести от норматив­ ной величины в сторону ее снижения. Поэтому в нормах проектиро­ вания стальных конструкций [55, 146, 149] за расчетное сопротив­ ление R принимается значение наименьшего возможного предела текучести, устанавливаемого статистическим методом по кривым распределения:

182

Аналогичная методика может быть принята и для определения расчетного сопротивления усталости [173, 270]. За расчетное сопро­ тивление усталости Rr наиболее обосновано принимать нижнюю границу рассеяния предела выносливости с заданной вероятностью неразрушеиия Р , а за нормативное сопротивление усталости R" — нижний доверительный интервал среднего значения предела вынос­ ливости. Тогда

отклонение нижней границы рассеяния предела выносливости с заданной вероятностью неразрушения Р и принятой доверительной

сопротивление усталости сварного соединения с принятой довери­

Предел выносливости о,, входящий в формулу (43), определяется экспериментально или же путем экстраполяции до 5 • 10е циклов. Величины ACT,, и АР, ( Р ) могут быть вычислены по известному среднеквадратическому отклонению предела выносливости в предположе­ нии нормального закона его распределения и достаточности объема проведенных испытаний на усталость.

183

затруднительно, если учесть разнообразие исследуемых соединений

Когда испытания выполняются в области ограниченной долго­ вечности, зависимость указанных параметров от вида соединения и характеристик цикла можно установить экстраполяцией с помощью ранее приводившегося уравнения кривой усталости

т

Сопоставление соответствующих значений ап Ааг и AR (Р), полученных по данным испытаний со ступенчатым изменением на­ грузки и путем экстраполяции с помощью уравнения (44) результа­ тов испытания образцов с пересекающимися швами, показало, что оба метода дают практически равноценные результаты. Нижняя толерантная граница предела выносливости (аг)э, соответствующая вероятности неразрушения 0,99, которая установлена путем экс­ траполяции с помощью уравнения, становится устойчивой при ко­ личестве образцов, испытанных в области ограниченной долговеч­ ности, 10—15 шт. При этом максимальное отклонение этой границы, определенное по десяти случайным различным выборкам, отвечаю­ щим 10 и 15 образцам, взятым из совокупности 120, испытанных при напряжениях выше предела выносливости, от той же границы аг , установленной путем испытания 40 образцов со ступенчатым изме­ нением нагрузки на базе 10: ,циклов, не превышало ± 5 % (рис. 111). В этой связи для анализа зависимости Ааг и AR (Р) от вида свар­ ного соединения и характеристики цикла было использовано

184

уравнение (44). Рассматривались стыковые соединения и нахлесточные с обваркой по контуру, представленные результатами испытаний 20 образцов каждого вида при данной характеристике цикла (сече­ ние образцов 200 X 30 мм), а также упомянутые образцы (сечение 90 X 12 мм) с пересекающимися швами в количестве 160 шт. Испы­ тания проводились на изгиб до момента образования усталостных трещин глубиной 2—3 мм. База испытаний 10 млн. циклов.

т

Уравнение а = аг ел '+ в путем логарифмирования и замены координат до | д = г/ и In а = х приводится к линейному уравнению вида

где b = — и с = In а,.

тг

Параметры b и с уравнения (45) определялись при В = 21 • 10' с помощью корреляционного анализа результатов испытаний на усталость указанных выше соединений. После вычисления средних

значения б и с , согласно методу наименьших квадратов при условии независимости дисперсии долговечности от уровня напряжений, устанавливались из выражений

швами (рис. 112). Оценка однородности, проведенная по критериям Романовского и Бартлета, показала, что'в том случае, когда крите­

185.

где (аг )д — нижний доверительный интервал среднего значения пре­ дела выносливости; (вг)р — нижняя граница предела выносливос­ ти, отвечающая вероятности неразрушения Р.

Значения (о,)» устанавливались в соответствии с уравнением (45):

где S — дисперсия, характеризующая меру разброса эксперимен­ тальных данных (xt и г/,) относительно прямой (45); п — количество испытаний; ( а (/) — критическое распределение Стьюдента; f — = п — 1 — число степеней свободы.

где kp — коэффициент, зависящий от заданной вероятности нераз­ рушения. Его значения табулированы в таблице двухсторонних то­ лерантных пределов [196]. Поскольку в данном случае представля­ ет интерес только односторонняя граница рассеяния соответствую­ щей вероятности, значение такой вероятности Р связано с табули­ рованной вероятностью Рт соотношением

(53)

Основные данные статистического анализа и полученные откло­ нения До, и AR (Р) приведены в табл. 45 и 46.

Максимальное превышение среднего предела выносливости над

186

При этом за среднее значение предела выносливости принимается уровень напряжений, отвечающий горизонтальному участку кри­ вой а — N, положение которого, как правило, предопределяется исходом испытаний только двух образцов. В этом случае формула (54), определяющая R", требует некоторого корректирования.

Исход испытания двух образцов, определяющих аг, может быть различным: либо заданную базу испытаний проходит без разруше­ ния только один образец, либо — два. В первом случае за среднее значение предела выносливости принимается уровень напряжения, при котором испытывались данные образцы. Во втором случае ст, определяется как среднее значение двух уровней напряжений: уровня испытаний рассматриваемых образцов и уровня превышаю­ щего напряжения, на котором разрушается хотя бы один образец. Разность между этими уровнями обычно не бывает менее 1 кГ/мм2. Поэтому во втором случае значение а, минимум на 0,5 кПмм2 пре­ вышает уровень напряжений, отвечающий двум неразрушившимся образцам.

Установить нижнюю границу рассеяния предела выносливости генеральной совокупности при таком определении аг не представ­ ляется возможным. Вместе с тем на основании приведенного выше статистического анализа можно найти нижнюю и верхнюю границы напряжений, при которых возможен один из описанных исходов испытаний, если задаться значимой вероятностью р их появления. Очевидно, с достаточной для практики точностью можно принять значимой вероятность появления каждого из двух рассматривае­

Среднее значение предела выносливости лежит в интервале, ограни­ ченном нижней границей рассеяния предела выносливости, соответ­ ствующей вероятности неразрушения Р„ <; 0,9472, и верхней грани­ цей, отвечающей вероятности неразрушения Рв > 0,0532.

Для второго исхода испытаний вероятности соответствующих границ можно определить, используя неравенства

В этом случае вероятности соответствующих границ должны удов­ летворять следующим неравенствам:

188

верхней границы рассеяния предела выносливости, обеспечиваю­ щей значимость появления каждого из описанных выше исходов

носливости от нижнего доверительного интервала а?.

189