Тема 1.5. Проектування зварних з'єднань при зварюванні плавленням

При проектуванні зварних з’єднань в першу чергу призначають розміри шва і тип з’єднання згідно стандарту на спосіб зварювання. Наступним кроком проектування з’єднання в основному є або перевірка міцності (розрахунок руйнуючої сили), або визначення потрібної довжини зварного шва.

Під розрахунком міцності маємо на увазі складання відповідної умови міцності. Для скорочення запису приймемо методику за граничними напруженнями. Розглянемо три варіанти навантаження зварних з'єднань: осьовою силою, моментом та одночасно силою і моментом.

Навантаження має статичний характер. Як уже було розглянуто, за статичного навантаження концентрація напружень до уваги не приймається. Приймається також, щоруйнування буде мати місце по металу зварного шва.

Проектування з’єднань зі стиковим швом. Осьове навантаження. (рис.1.42). В цьому випадку руйнування відбудеться внаслідок нормальних напружень в будь якій точці поздовжнього перерізу шва (всі точки перерізу напружені однаково).

Рис.1.42 Рис.1.43

Отже, умова міцності має вигляд

,

або ,

де F_ш - площа руйнування шва, l_ш - довжина шва, - товщина шва.

Іноді використовують стикові шви орієнтовані під кутом до лінії дії сили. Тоді в поздовжньому перерізі зварного шва (рис.1.43) діятимуть нормальні й дотичні напруження:

; .

Тоді умова міцності

Якщо діють сили, як показано на рис.1.44 (без урахування моменту) руйнування буде наслідком дотичних напружень.

В разі одночасної дії сил в двох напрямках (рис.1.45.) у зварному шві діятимуть як нормальні, так і дотичні напруження.

Рис. 1.44 Рис.1.45

Тому.умова міцності має вигляд

У випадку дії сил як показано на рис 1.46 (сила Р₂ прикладена по осі шва) в металі зварного шва будуть діяти нормальні напруження у двох напрямках, тобто має місце плоский напружений стан і тоді умова міцності:

Рис.1.46

Навантаження моментом (рис.1.47). Під дією моменту у зварному шві утворяться нормальні напруження, нерівномірно розподілені по довжині шва. Максимальні напруження діють в точці А. Тоді умова міцності буде:

де - максимальні напруження від моменту; ; W_ш – осьовий момент опору перерізу шва, що руйнується відносно осі х (прямокутник довжиною l_ш і шириною ); .

Рис.1.47

Рис. 1.48.

Для зварного з’єднання навантаженого як вказано на рис.1.48. умова міцності приймає вид:

де W_ш- осьовий момент опору перерізу шва відносно осі y.

Навантаження силою і моментом (рис.1.49). Аналізуючи навантаження і використовуючи принцип незалежності дії сил, необхідно в першу чергу визначити, які напруження виникають окремо від дії сили та моменту.

Рис. 1.49.

В даному випадку від сили і моменту діятимуть нормальні напруження. Це означає, що умову міцності необхідно записати за нормальними напруженнями

,

де - сумарні напруження від дії сили і моменту, ; - нормальні напруження від сили Р, = Р/l_ш ; - нормальні напруження від моменту, . Отже,

+

Якщо навантаження викликає нормальні та дотичні напруження (рис.1.50),

Рис. 1.50

умову міцності треба записати за еквівалентними напруженнями

Для сталевих конструкцій при статичному навантаженні, використанні відповідних зварювальних матеріалів, повному проварі і фізичному контролі якості зварних з’єднань допускається розрахунки на міцність стикових швів не проводити через високу міцність зварного з’єднання, яка в багатьох випадках не поступається міцності основного металу.

Проектування з’єднань внакладку з лобовим кутовим швом. Осьове навантаження (рис.1.51).

Рис 1.51.

Як вже було показано, умову міцності для кутових швів потрібно складати за дотичними напруженнями, тобто

Оскільки діє осьова сила приймаємо, що напруження в перерізі шва розподілені рівномірно по довжині

Якщо з'єднання матиме два лобових шва, умова міцності буде

Навантаження моментом (рис.1.52).

Рис. 1.52

Враховуючи загальну формулу для напруження від дії моменту, розподіл дотичних напружень по довжині шва визначається залежністю

де I _ш – момент інерції перерізу шва, що руйнується.

Найбільше значення напружень буде в точці А (y = y_max), для якої умова міцності приймає вид:

де W_ш – момент опору перерізу шва (прямокутник розмірами і I _ш), і тому

Для з’єднання з двома швами

.

Одночасна дія сили та моменту (рис.1.53) Оскільки діють два силових фактори і від кожного з них утворюються відповідні дотичні напруження і , то умову міцності треба записати як

де - сумарні напруження від осьової сили та моменту .

Напруження і , підраховуються, як це було вказано вище. Лишається з'ясувати, якою повинна бути сума. Для цього треба зробите аналіз напряму дій напружень. Напруження співпадає з напрямком дії сили Р (рис.1.53). При повороті внаслідок дії моменту М у точці А (де діють найбільші напруження), напрямок напруження , буде збігатися з напрямком дії напруження . Отже, сумарні напруження становитимуть

+ .

Рис. 1.53

Розглянемо ще один приклад (рис.1.54.). Сила Р викликає одночасно дію як від осьової сили, так і від моменту, тобто

.

Але на відміну від попереднього випадку, напрямки напружень

Рис. 1.54.

Відрізняються -- від дії сили напрямок напружень збігається з напрямком дії сили Р (рис.1.54.), а від дії моменту - як і в попередньому випадку. Отже, сумарне напруження

.

Проектування з’єднань внакладку з фланговими кутовими швами. Осьове навантаження (рис.1.55). В кутовому шві руйнування відбувається в наслідок дії дотичних напружень, тому

Рис. 1.55

Оскільки діє осьова сила

Навантаження моментом (рис.1.56). В цьому випадку приймаємо, що у зварних швах діятиме реактивний момент М_реак.= М

Рис. 1.56

У свою чергу реактивний момент можна подати як пару сил Т, помножених на плече В, тобто М_реак.= Т В. Сила Т = М_реак./ В (при В катету К). Сила Т діє окремо на кожний шов як осьова сила, і тому умова міцності має вигляд

.

Навантаження силою та моментом (рис.1.57). Оскільки в швах напруження утворюються від дії двох силових факторів Р і М, то

Окремо від сили Р і моменту М напруження визначаються як і в попередніх випадках. Залишається визначити, якою буде

Аналізуючи дію сили Р імоменту М, бачимо, що для шва 1 напрямок напружень, які вони спричинюють, збігається, тому

Рис. 1.57

Проектування з’єднань внакладку з фланговими та лобовими кутовими швами(комбіновані з'єднання). Осьове навантаження (рис.1.58.). Розраховуючи міцність такого з'єднання, приймають, що напруження у всіх швах однакові, тоді площа, яка руйнується

Рис.1.58

Умова міцності

Навантаження моментом (рис.1.59). Насамперед припустимо, що напруження у всіх швах однакові. Діючий момент сприйматиметься як лобовим, так і фланговим швами, тобто М = М_л + М_ф.Підрахуємо, чому дорівнюють ці моменти за умови, що напруження однакові за відповідними формулами і просумуємо

+

Розрахункові дотичні напруження

.

Можлива й інша ситуація (рис.1.60) В цьому випадку неможливо розподілити діючий момент між лобовим і фланговим швами.

Рис. 1.60

Розв'язання буде таким. На відстані r_yвід центра ваги швів (ц.в.ш) візьмемо елементарну площадку площею dF, на якій діє напруження . Тоді елементарний момент dM, який сприймається цією площадкою, буде . Приймемо наступний закон зміни напружень залежно від відстані r:

,

де r₁ - відстань, яка дорівнює одиниці. Тоді . Загальний момент, який сприймається всіма швами

Інтеграл ,

де - полярний момент інерції швів.

Отже, .

Оскільки необхідно визначити максимальні значення напружень, то замість , необхідно, відповідно до прийнятого закону, записати .

Тоді , а розрахункові напруження дорівнюватимуть

В разі одночасної дії сили й моменту необхідно аналізувати напрямки дії відповідних напружень у кожному шві й брати їх відповідну суму.

Проектування таврових з'єднань. Розрахунок міцності таврових з'єднань виконується залежно від виду підготовки окрайок. Якщо з'єднання без розкриттяокрайок, воно формується кутовими швами, і обчислення міцності

Рис. 1.61.

не відрізняється від методики розрахунку з'єднань внакладку, тобтоза дотичними напруженнями (рис 1.61, а). Якщо є розкриття окрайок, у цьому випадку змінюється площина руйнування і обчислення міцності треба проводити за нормальними , або дотичними напруженнями в залежності від схеми навантаження (рис. 1.61, б, в).

Проектування зварних з’єднань деталей різного профілю. Визначимо напруження в перерізі зварних швів, що прикріплюють балку різного поперечного перерізу до жорсткої опори (рис.1.62).

Рис.1.62 З'єднання балки різного профілю з опорою кутовими швами по периметру.

З'єднання сконструйоване з кутовими швами, що обварюють периметр. Таке з'єднання зручне при повороті конструкції і при виконанні швів у нижнім і вертикальному положеннях. Кутові шви розраховуються за дотичними напруженнями.

Дотичні напруження у швах:

Момент опору перерізу швів:

,

де I_ш — розрахунковий момент інерції перерізу периметра швів. Він визначається множенням моменту інерції перерізу швів на коефіцієнт =0, 7 з урахуванням можливого руйнування швів по найменшому перерізу:

Для прямокутного перерізу:

Для круглого поперечного перерізу:

Для двотаврового поперечного перерізу:

Якщо елемент працює в умовах складного опору — згинальному моменті М і подовжній силі N, то сумарні напруження в з'єднанні:

; ,

де — розрахункова площа периметра швів, обчислена з урахуванням можливого руйнування по найменшому перерізу.

Якщо елементи навантаженні поперечними силами, то в них виникають згинальні моменти М і поперечні сили Q. Напруження в зварних швах від Q визначають як:

.

На рівні точки з координатами y = y_max варто перевірити результуючі напруження від M і Q. Результуючі напруження:

.

Якщо одночасно мають місце М, N і Q, то в небезпечній точці сумарні напруження будуть:

.