книги / Прочность конструкций при малоцикловом нагружении
..pdfРис. 9.12. |
Схема выбора |
|
|
||
расчетных |
сечений |
1 — 1 |
|
|
|
в сварных |
|
соединениях |
|
|
|
(МШ — металл |
шва, |
|
|
||
ЗТВ — металл зоны тер |
|
|
|||
мического |
|
влияния, |
|
|
|
ОМ — основной металл) |
|
|
|||
Рис. 9.13. Кривые малГо- |
|
|
|||
цикловой усталости и из |
|
|
|||
менения |
пластичности |
|
|
||
различных |
|
зон сварных |
|
|
|
соединений |
|
строитель |
|
|
|
ных сталей |
ВМСтЗсп и |
|
|
||
16Г2АФ |
(сс — сварное |
|
|
||
соединение, |
мш — ме |
|
|
||
талл шва, |
|
из — металл |
|
|
|
переходной |
зоны, |
ом — |
р\ |
р\ |
|
основной металл) |
|
|
|
МПа
/527
0 0 0
0 0
J 0
70
70~7 |
70а |
7 0 7 |
7 0 2 |
70‘/ |
704/7 |
и (7.1) — при Ае = 2еа. Значения показателя степени т кривых малоциклового разрушения при жестком нагружении были ука заны выше. Сопоставление расчетных кривых усталости при жест ком нагружении с экспериментальными данными для основного ма териала и металла сварных соединений всех исследованных сталей показало, что между ними наблюдалось хорошее соответствие (за исключением отклонения в сторону меньших долговечностей для сварных соединений изСт.Зсп, когда имела место локализация деформаций в основном металле [7]).
181
<>а, *'■?/*'*'2 |
МПа |
Рис. 9.14. Кривые малоцикловой усталости и иаменеиия пластичности ме талла различных зон сварных соединений сталей 09Г2С и 10ХСНД (обозна чения си. на рис. 9.13)
Рис. 9.15. Расчетные кривые и экспериментальные (точки) по малоцикловой усталости металла различных зон сварных соединений при жестком нагру жении (обозначения см. на рис. 9.13)
Приведенные выше кривые малоцикловой усталости различ ных зон сварных соединений могут быть использованы в соответ ствии с рекомендациями гл. 11 для уточненного расчета по деформационным критериям малоцикловой прочности сварных соединений в строительных конструкциях с учетом эффектов концентрации напряжений, рассмотренных в § 2.
§ 4. МАЛОЦИКЛОВАЯ ПРОЧНОСТЬ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ
Данные малоцикловых испытаний натурных сварных соединений и элементов металлоконструкций используются для непосредст венной оценки их долговечности, для проверки критериев мало цикловой прочности, а также для назначения запасов прочности. Испытаниям сварных образцов предшествовали исследования малоцикловых свойств листового проката, которые наряду с дан ными, полученными на лабораторных образцах (см. § 3), имеют целью установить характеристики малоцикловой прочности с уче том влияния состояния поверхности и масштабного фактора, кото
рые |
при испытаниях цилиндрических лабораторных |
образцов |
не |
выявляются. Испытанию подвергались плоские |
образцы |
(рис. 9.16), вырезанные поперек направления прокатки и обладаю щие наименьшим сопротивлением распространению трещины. На рис. 9.17 приведены данные для стали 16Г2АФ, полученные при пульсирующем и симметричном циклах на цилиндрических и плоских образцах. Видно, что влиянием поверхностной окали ны и масштабного фактора на малоцикловую прочность в первом приближении можно пренебречь.
Кроме того, кривая усталости имеет четко выраженный пере лом, который соответствует смене характера разрушения. Так, при уровнях напряжений ниже значения ак, соответствующего точ ке перелома, разрушение носит усталостный характер, а при Ощах ак разрушение происходит квазистатически.
На основании данных, полученных для двух степеней асим метрии цикла (га = 0 и га = —1), можно в первом приближении принять ок не зависящим от асимметрии цикла в указанном диа пазоне. Аналогичные данные были получены для остальных из указанных выше сталей. Значения ок для исследованных сталей составили: для Ст.Зсп — 390 МПа, для стали 09Г2С — 410 МПа, для 16Г2АФ - 530 МПа, для 12ГН2МФАЮ - 680 МПа. Из срав нения полученных значений ак для разных сталей с их пределами прочности 0в следует, что отношения о^/ов находятся в диапазо не 0,8—0,83. Зона переходных разрушений на уровне ак находится в диапазоне чисел циклов 5-103—105.
Данные о прочности в области малого числа циклов нагруже ния (менее 10б) для сварных соединений строительных конструк ций весьма ограниченны. В связи с этим представляется практи чески важным использовать значительный экспериментальный материал в области многоцикловой усталости на основе законо-
183
s/s /20
/У0
1 |
1 |
! |
1 |
1 |
11 1
1 1
S/У /20 S/У
, Г - 5* |
/ |
! |
<(а |
% |
|
1. |
| |
||
|
1 |
|
||
|
J |
|
J |
|
|
|
|
|
240
уУ
1а
* 1а 1
НУ
. * * * 1Л |
^ |
W \ |
|
|
0У0 |
|
|
d |
р |
_________________ 1 |
|
i \ | |
_ |
1 / |
И)))))) |
)))))))! V |
|
|
20 |
|
|
И1Ш |
| |
|
|
/У0 |
l~~v r |
Ш 1 v |
Рис. 9.16. Основные тины сварных образцов для ыалоцикловых испытаний
Рис. 9.17. Кривые малоцикловой усталости стали 16Г2АФ при симметричном
(/) (перечеркнутые точки) и пульсирующем (2) (темные точки) цикле мягкого нагружения
Рис. 9.18. Результаты малоцикловых испытаний сварных соединений строи тельных сталей при пульсирующем цикле нагрузки
1 — основной металл (рис. 9,16, а); 2 — стыковой шов (рис. 9.16, б); 3 — тавровое со единение с разделкой кромок (рис, 9.16, б); 4 — тавровое соединение без разделки кро мок (рис. 9.16, г); 5 — нахлесточное соединение лобовым швом (рис. 9.16, д); 6 — нахлесточное соединение фланговым швом (рис. 9.16, е)
мерностей, позволяющих экстраполировать эти данные на область малых чисел циклов нагружения. На рис. 9.18 представлены ре зультаты испытаний основных типов сварных соединений (см. рис. 9.16) из строительных сталей при малоцикловом нагружении. Как и для гладких образцов, в зависимости от базы испытания сварные соединения разрушались усталостно или квазистатически. Квазистатическое разрушение, а также разрушение образцов при однократном разрыве для всех типов происходили по основному металлу с характерным развитием значительных пластических деформаций в зоне разрушения. Это объясняется более низкими, как правило, механическими характеристиками основного ме талла по сравнению с металлом шва, а также стеснением развития пластических деформаций в зоне усиления сечения, вызванного наличием шва. При усталостном разрушении возникновение тре щины и дальнейшее ее развитие до критического размера на блюдались в сечении с максимальным уровнем концентрации на пряжений. Для стыкового, нахлесточного соединения с лобовым швом и таврового соединения с разделкой кромок образование трещин происходило на поверхности в зоне перехода от сварного шва к основному металлу. На рис. 9.16 сечение, в котором про исходило образование усталостной трещины, обозначено буквами а — а для каждого типа сварного соединения. Для таврового сое
185
динения без разделки кромок образование трещины происходило в корне углового шва с последующим развитием по металлу шва под некоторым углом к оси образца. Для соединения внахлестку с фланговым швом возникновение трещины наблюдалось в наклад ках в местах окончания швов. Для образца со стыковым швом на рис. 9.16 обозначены два сечения а — а, так как наряду с трещиной, проходящей вдоль шва, наблюдалось одновременное образование усталостных трещин в зоне радиуса перехода от рабочей части образца к зажимным головкам (что объясняется примерно одина ковым уровнем концентрации напряжений в том и другом месте). Переход от квазистатического разрушения к усталостному сопро вождается характерным переломом кривой усталости. В соответ ствии с этим кривая усталости сварных соединений аналогично ос новному металлу может быть аппроксимирована в координатах lg tfmax — lg N двумя прямыми разного наклона для квазистати ческого и усталостного разрушения.
С увеличением концентрации напряжений в сварном соедине нии точка пересечения двух ветвей кривой усталости N k, соответ ствующая напряжениям сгтах = ок (см. рис. 9.17), смещается в область меньшего числа циклов нагружения (в этом случае процесс накопления усталостных повреждений опережает процесс накоп ления односторонних пластических деформаций). Для Ст.Зсп при переходе основного металла к нахлесточному соединению с флан говым швом значение N k изменяется от 7-104 до 3-102 циклов на гружения, т. е. примерно на 2 порядка. Для остальных исследо ванных типов соединений значения Nk располагаются между эти ми двумя значениями.
Сравнение кривых усталости различных сварных соединений исследованных сталей показывает, что участки кривых, соответ ствующих усталостному разрушению (как это видно из рис. 9.18), могут быть с достаточной степенью точности аппроксимированы па раллельными линиями. Таким образом, при наличии данных по разрушению хотя бы для одного уровня номинальных напряже ний вся кривая усталости данного сварного соединения при чис лах циклов до 10е может быть получена с использованием приве денных выше закономерностей, а также данных [8—10] для дол говечности порядка 105 и выше.
Проведенные исследования влияния способа сварки показали различие в долговечностях до 2,5 раза и некоторое преимущество в сопротивлении малоцикловому разрушению механизированных методов сварки. Форма разделки кромок (X - и Т-образная) не оказывает влияния на сопротивление малоцикловому разруше нию сварных соединений.
В то же время такие технологические факторы, присущие свар ным соединениям, как угловатость, непровар, остаточные напря жения, могут значительно сказаться на прочности соединения при малом числе циклов нагружения (рис. 9.19), что необходимо учи тывать при проектировании конструкций и выборе технологиче ских допусков на изготовление.
186
/пах
Рис. 9.19. Результаты малодикловых испыта ний стыковых соедине ний стали 10ХСНД толщиной 20 мм
1 — качественное |
соеди |
|
нение; |
2 — угловатость |
(8 мм на длине i м); 3 —
непровар |
2 |
мм; 4 — непро |
|
вар |
4 |
мм; |
5 — непровар |
2 |
мм, |
выполненный при |
|
ограничении |
поперечной |
усадки
Рис. 9.20. Схема построения расчетных кривых малоцикловой усталости в номинальных напряжениях
---------------- основной металл; — — — сварное соединение, узел
§ 5. РАСЧЕТ МАЛОЦИКЛОВОЙ ПРОЧНОСТИ СВАРНЫХ КОНСТРУКЦИЙ
Расчет на усталость по строительным нормам и правилам [1] ограничен снизу базовой долговечностью Ха = 5 х 108 циклов. Для проведения поверочного расчета при меньшем числе циклов нагружения, необходимость которого вытекает из рассмотрения условий эксплуатации конструкций (§ 1), можно воспользоваться закономерностями разрушения сварных соединений в области ма лоцикловой усталости (см. § 4). Кривая циклической прочности сварного соединения в диапазоне от однократного нагружения до числа циклов N6 может быть схематически представлена в двой ных логарифмических координатах в соответствии со схемой, при веденной на рис. 9.20. Ограниченный предел выносливости Ств при Х Б выбран правой точкой для построения кривой малоцикло вой усталости в связи с тем, что основные данные, полученные при усталостных испытаниях, относятся к долговечностям 5-105—
187
2-106 и что нормами [1] расчет на усталость при числе циклов 5 -105 и выше регламентирован введением коэффициента у (по нижающего расчетное сопротивление данной марки стали до величины ограниченного предела выносливости рассчитываемо го сварного соединения). Таким образом, располагая для данного конкретного соединения значением ограниченного предела вынос ливости Об на базе NB = 5 •105, кривую малоцикловой прочности можно получить путем проведения ее параллельно кривой уста лости основного материала, полученной на лабораторных образ цах, до значения напряжения ак. Полученная точка (ак — N k)
соединяется |
со значением |
предела прочности св |
при N |
= 1 /4 . |
|
Тогда аналитически зависимость между номинальным |
макси |
||||
мальным напряжением ап и числом циклов N при 0 В < |
ап < ок |
||||
может быть записана в виде |
|
|
|||
= oB(NB!N)m* . . ., |
|
|
(9.4) |
||
где mN — характеристика |
материала. |
напряжениях |
|||
Участок |
кривой |
малоцикловой усталости при |
|||
выше ап |
ак, как |
правило, не входит в инженерные расчеты, |
так как номинальные напряжения в элементах конструкций обыч но не превышают значения расчетного сопротивления и ниже пре дела текучести, а сам предел текучести ат для строительных ста
лей меньше ак. |
5-105 циклов ос |
Проверка малоцикловой прочности для N |
новного металла и сварных соединений может быть произведена по формуле
(9.5)
где оп — максимальное номинальное напряжение стационарного цикла от внешней нагрузки; у — коэффициент ионижения расчет ного сопротивления основного металла, определяемый по нормам Г1] для числа циклов NB = 5 -10s с учетом асимметрии цикла и вида соединения; R — расчетное сопротивление основного метал ла по нормам [1]; N — требуемая долговечность элемента кон струкции в циклах; при N = NB расчеты по формуле (9.5) и по [1] совпадают; mN — параметр, характеризующий угол наклона кривой малоцикловой усталости и принимаемый по следующим данным:
Класс стали |
с 38/23 |
с 44/29 |
с 46/33 |
с 52/40 |
с 60/45 |
с 70/60 |
о в/5т |
||||||
mN |
0,16 |
0,18 |
0,20 |
0,22 |
0,24 |
0,26 |
Для нестационарного цикла изменения напряжений максимальное эквивалентное напряжение цикла ап в зависимости (9.5) на основе гипотезы линейного суммирования повреждений следует вычис лять по формуле
(9.6)
188
ш
Л7/7
Л7<7
ЯГ
Рис. 9.21. Сопоставление опытных точек и расчетных линий данных для лобовых (2, 4) и фланговых (1, 3) сварных соединений при малоцикловом нагружении
где г){ = щ/Ni — относительное число циклов нагружения; Gni — суммарное номинальное напряжение (от постоянной и пере менной нагрузок); щ — количество циклов нагружения напряже нием ani; N j — предельное число циклов до разрушения при напряжениях ani\ к — число режимов.
На рис. 9.21 приведены результаты сопоставления расчета по зависимости (9.5) и экспериментальных данных для двух типов соединений лобовыми и фланговыми швами из сталей СтЗсп и 09Г2С. При числах циклов 103—106 запас по долговечности со ставляет не менее 5,0.
Приведенный выше инженерный метод расчета малоцикловой прочности в номинальных напряжениях требует достаточно слож ных экспериментальных исследований на натурных узлах и сое динениях конструкций в зависимости от целого ряда факторов: вида и способа нагружения, характеристик цикла, температуры, технологии изготовления и т. п. В связи с этим упомянутый выше расчет по местным деформациям (см. гл. 1 и 11) является более универсальным, так как он основан на результатах испытаний лабораторных образцов, используемых для оценки прочности.кон струкций в зонах концентрации напряжений. Применимость де формационных подходов к расчету сварных конструкций определя ется наличием данных по теоретическим коэффициентам кон центрации напряжений в сварных швах, циклическим свойствам материала различных зон сварного соединения и по уровню остаточ ных сварных напряжений. В § 2 приведены предложения по опре делению коэффициентов концентрации напряжений и деформаций в стыковых и угловых швах листовых конструкций. Для стержне вых конструкций, выполняемых из фасонного проката, необхо димы дополнительные исследования напряжений и деформаций в зонах их концентрации. Свойства строительных сталей при мало цикловом нагружении изучены достаточно подробно, и по ним по лучены величины параметров для построения расчетных кривых
189
малоциклового разрушения в соответствии с рекомендациями |
|
гл. 11. |
|
При этом указанные расчетные параметры необходимо брать |
|
для той зоны сварного соединения, в которой находится |
наиболее |
опасный концентратор напряжений. Влияние остаточных |
свароч |
ных напряжений в малоцикловой области в связи с их перераспре |
делением при упругопластическом деформировании будет сказы ваться в меньшей степени, чем при многоцикловой усталости. Снижение предела выносливости сварного соединения может быть осуществлено на основе соответствующих уравнений гл. 7 и И.
При наличии в конструкциях макродефектов типа трещин (непровар, расслой и т. п.) использование указанных подходов к оценке прочности при малом числе циклов нагружения не пра вомерно. В этом случае должны использоваться зависимости ме ханики разрушения, позволяющие определять скорость роста тре щины и ее критическую длину [7].
Разработка и введение в строительные нормы методики оценки трещиностойкости конструкций позволят дифференцировать уро вень допустимых трещиноподобных дефектов для различных ти пов конструкций и разных стадий их изготовления и эксплуа тации.
Литература к главе 9
1.Строительные нормы и правила. Часть II, раздел В, глава 3. Стальные конструкции, нормы проектирования. СНиП II—В.З—72. М.: Стройиздат, 1972. 62 с.
2.Нормы расчета на прочность элементов реакторов, парогенераторов, сосудов и трубопроводов атомных электростанций, опытных и иссле довательских ядерных реакторов и установок. М.: Металлургия, 1973.
408 с.
3.Петерсон Р. Коэффициенты концентраций напряжений. М.: Мир, 1977. 302 с.
4.Нейбер Г. Концентрация напряжений. М.: Гостехиздат, 1947. 204 с.
5. Александров А . Я ., Ахметзянов М. X. Об исследовании деформаций и напряжений методом фотоупругих покрытий (обзор).— Завод, лаб.,
1976, № 11.
6. Гусенков А. П. Прочность при изотермическом п неизотермическом мало цикловом нагружении. М.: Наука, 1979. 295 с.
7. Махутов Н . А . Деформационные критерии разрушения и расчет эле ментов конструкций на прочность. М.: Машиностроение, 1981. 272 с.
8. Труфяков В. И . Усталость сварных соединений. Киев: Наук, думка, 1973. 215 с.
9. Мюнзе В. X. Усталостная прочность сварных конструкций. М.: Машино строение, 1968. 311 с.
10. Кудрявцев И. В., Наумченков И. Е. Усталость сварных конструкций. М.: Машиностроение, 1976. 269 с.
190