НАПРЯЖЕНИЯ В ЛОБОВЫХ УГЛОВЫХ ШВАХ
Основные формулы. Если для расчета сварных лобовых угловых швов принять схему клина, то напряжения в них будут определяться формулами (IV„12), (IV. 13), (IV. 15) и (IV. 17).
Напряжения в сечении по подошве углового шва могут быть получены при подстановке в эти формулы значения у = а. Тогда для различных условий нагружения лобового сечения шва получим:
при равномерном распределении нагрузки
ох = 4,65*7 (0,215 + arctgXi |
Xi 4+1 Xl |
—4,65*7 ^0,785 — arctgx! v2 т = 4,65*7 |
(V.48) |
4+1 |
xf + 1 |
при распределении нагрузки по наклонной прямой 1); |
2 Р ас |
2Р /о (2X-t - ас v 1 |
(V.49) |
2 Р |
ід, |
при нагрузке, распределенной по параболе |
ЗР ас ЗР ас |
а, = |
(V.50)
при действии касательной нагрузки, распределенной по наклонной прямой
2 Т
СТ V - — *
х пг х»
Злу); |
2Т /о
9Т
= ^d-2xl}.
Напряжения в косом сечении углового шва могут быть получены по основным формулам для клина при соответствующем применении к ним формул перехода.
При этом получим:
при равномерном распределении нагрузки:
); |
аХ' = 4,65*7 ^0,285 — arctg-^-
Х2 + У2
(V.52) |
a,. =4,65?(0,285-arctgi + -?^r);
rrt._-4,65,(l--^ при распределении нагрузки по наклонной прямой
Ох t |
(V.53) |
х'у' |
АР = 0; аУ' = — Хй |
= ^-( 1 - 2x0; |
2 Р |
при распределении нагрузки по параболе
(V.54) |
=^г{-г + х'-2Я)’
т^'=-^(^--2Хі+Х?);
при действии касательной нагрузки, распределенной по наклонной прямой
4 Т
(V.55) |
ох■ = 0; Gy - = — (1 — 3x0;
2Т /О 1
— ос (2xi 1).
Здесь
Хл =
с — длина шва.
Из этих формул видно, ч-то при изменении нагрузок в лобовом сечении шва по закону наклонной прямой напряжения в сечении по подошве углового шва и в косом сечении шва распределяются по линейному закону. При равномерном распределении нагрузки в лобовом сечении, а также при распределении ее по параболе закон изменения напряжений в сечении по подошве и в косом сечении шва не является линейным.
к
a
Анализ формул. Для облегчения построения криволинейных эпюр напряжений в сечениях угловых швов в табл. 13 приведены их числовые значения, вычисленные по указанным выше формулам.
На рис. 41 и 42 приведены эпюры распределения напряжений в сечении по подошве и в косом его сечении, определяемые по линейным зависимостям.
Таблица 13 Значения напряжений в отдельных точках угловых швов
|
На рис. 43 и 44 приведены эпюры напряжений в лобовых сечениях моделей угловых швов, принятые за основу при выводе указанных выше формул. Точками отмечены значения, полученные экспериментальным путем.
Экспериментальные данные показывают, что напряжения в лобовых сечениях угловых швов распределяются неравномерно и значительно отклоняются от средних значений. В лобовом сечении шва соединения впритык, кроме нормальных напряжений ох, действуют еще и касательные напряжения распределение
которых достаточно хорошо отражается эпюрой, образованной наклонной прямой.
Рис. 43. Эпюры напряжений в лобовом сечении углового шва соединения впритык: |
1 — при равномерном распределении напряжений; 2—при распределении напряжений по наклонной прямой; 3 — при распределении напряжений по параболе; 4 — с учетом дополнительных напряжений от момента |
Для нормальных напряжений ох в лобовом сечении шва эпюры, образованные наклонной прямой и параболой, дают некоторое достаточно близкое приближение. При сравнении этих двух эпюр можно отметить наличие некоторой неуравновешенной составляющей, которая равноценна действию дополнительного изгибающего момента (о величине которого можно судить по за-
Рис. 44 Эпюры напряжений ь лобовом сечении углового шва соединения внахлестку (обозначения те же, что и на рис. 43) |
штрихованным участкам эпюр на рис. 43 и 44). Анализ условий распределения нормальных напряжений в других сечениях углового шва (в сечении по подошве и в косом сечении) показал, что решение, соответствующее условиям действия в лобовом сечении нагрузки, выражаемой наклонной прямой (рис. 26, б), требует введения некоторой поправки, учитывающей действие дополнительного изгибающего момента. При этом исходная эпюра напряжений в лобовом сечении будет выражаться также наклонной прямой, но такой, при которой в вершине клина (в начале координат по рис. 26) напряжения имеют обратный знак. Такая прямая на эпюрах рис. 43 и 44 отмечена цифрой 4.
Экспериментальные исследования показали, что центр приложения равнодействующего усилия в лобовом сечении углового шва при отношении катета шва к толщине присоединяемого элемента в пределах = 0,75— 1 расположен от подошвы шва на
расстоянии z — Поэтому нагрузка по эпюре, образованной
наклонной прямой, имеющая центр тяжести на расстоянии г =
приводит к появлению некоторого эксцентриситета: є = и создает дополнительный изгибающий момент
(V.56) |
аР 12
ш = еР =
Учет действия такого дополнительного изгибающего момента можно произвести на основе комбинации соответствующих расчетных схем клина по рис. 26, а и б.
Рис. 45. Эпюры напряжений в сечении по подошве углового шва соединения впритык: а — нормальные напряжения; б — касательные напряжения |
Напряжения от действия дополнительного изгибающего мо мента не будут выражаться линейными зависимостями, так как применение схемы рис. 26, а приводит к более сложным зависимостям для напряжений в сечениях по подошве и в косом сечении шва. Однако, учитывая, что вводимая поправка представляет лишь некоторую часть общего значения напряжений и что отклонения от линейных зависимостей не будут значительными, можно для упрощения расчета допустить вычисление напряжений от дополнительного изгибающего момента в предположении линейного их распределения Для косого сечения шва имеем
Р
ас ’
(V-57) |
Д Оу' — +
для сечения по подошве шва
(V.58) |
Да,,
На рис. 45—48 приведены данные о распределении напряжений в сечениях по подошве угловых швов и в косых их сечениях. Эпюры напряжений построены по расчетным формулам, соответствующим распределению напряжений в лобовом сечении по наклонной прямой.
Приведенные данные показывают, что для касательных напряжений в сечении по подошве шва нет совпадения экспериментальных
нормальные напряжения; а — нормальные напряжения; внахлестку: - касательные напряжения б — касательные напряжения а — нормальные напряжения, б — касательные напряжения |
С, кГ/сиг |
=К о >, к “ * а § п а 5 й я >,t5 сч х eg 3 S а и О к -7? Й S ►Q О Ж Р - С <D 2 £ с о £ mgg О S к ° ^ К то. к и. g S а I д g « |
GJ <L 5 * >>£ к о са, а я с к я л к п к Qj GJ СО Ф О л о Оч g s а rnga . Я 00 ^ ^ « £ и s S о |
данных с данными приведенных расчетов, но для нормальных напряжений наблюдается совпадение между экспериментальными и расчетными данными.
В косом сечении углового шва наблюдается достаточно хорошее совпадение между расчетными и экспериментальными данными как для нормальных, так и для касательных напряжений.
Сопоставление расчетных и экспериментальных данных свидетельствует о необходимости введения поправок в расчетную схему клина, не учитывающую особенностей напряженного состояния в сечении по подошве углового шва, в котором существуют определенные ограничения в деформациях. Такие поправки, как это показывает проведенное сопоставление, необходимы прежде всего для касательных напряжений.
Касательные напряжения в сечении по подошве углового шва. В практике решений задач по расчету плотин треугольного профиля известны методы, позволяющие достаточно точно учитывать ограничения, существующие в сечении, расположенном у заделки.
По существу постановки самцх задач такие решения могли бы быть использованы и для расчета сварных угловых швов. Однако применение подобных расчетов связано с исключительно большими усложнениями, требующими применения электронных цифровых вычислительных машин. Поэтому при тех приближенных расчетах, которые характерны для всей принятой здесь упрощенной методики, более целесообразным является использование менее сложных приемов расчета.
Для определения касательных напряжений в сечении по подошве углового шва можно использовать формулу С. А. Данилова [5], применяемую для расчета продольных швов
т* = І * 7[ch ал: + ТГ ch а (I - *)] ’ (V-59)
где тх — касательное напряжение в продольном сечении
(по подошве углового лобового шва);
Р — усилие, приходящееся на одно расчетное сечение шва;
с, I, blt b2 — размеры соединения (рис. 49);
а — параметр, определяемый по формуле
1 / a (6i + Ъ2)
У сЬф2
а — коэффициент, характеризующий деформацию соединения в продольном направлении, определяемый формулой (V. 12).
Применяя формулу (V. 59) к расчету соединения по рис. 49, имеем
tx — 0,168тср [ch 2,48 + 1,5 ch 2,48 ^ 1 —£-)]■ (V.60)
При этом для упрощения расчетов угловой шов был принят в форме выступа постоянной высоты (для модели на рис. 49 это отмечено условной линией).
Результаты расчета сведены в табл. 14 и представлены графиком на рис. 49.
Рис. 49. К расчету касатель - ных напряжений в сечении по подошве углового шва соединения внахлестку: а —схема соединения; б—эпюра напряжений |
Напряженное состояние углового шва соединения впритык несколько отличается от напряженного состояния углового шва
Рис. 50. К расчету касательных напряжений в сечении по подошве углового шва соединения впритык: а — схема действия дополнительных касательных напряжений в лобовом сечении шва; б — расчетная схема для учета дополнительных касательных напряжений; в — схема распределения дополнительных напряжений |
соединения внахлестку. В этом случае необходимо учитывать еще и дополнительные касательные напряжения, возникающие от де - формации среднего связующего элемента (рис. 50).
О величине этих дополнительных касательных напряжений можно судить по экспериментальным данным, приведенным на
Таблица 14 К расчету касательных напряжений в сечении по подошве углового шва соединения внахлестку
|
рис. 14 (см. эпюру напряжений в сечении D—D). Они появляются вследствие наличия поперечных деформаций и того сопротивления, которое оказывает им средний промежуточный элемент соединения впритык.
Для определения дополнительных касательных напряжений по подошве углового шва в первом приближении можно воспользоваться формулой (IV. 25) для касательных напряжений в полосе, нагруженной по поверхности продольной силой (рис. 50, б). При этом применительно к условиям действия нагрузки, распределенной по треугольнику (рис. 50, в), формулу (IV. 25) необходимо будет соответствующим образом проинтегрировать.
Опуская для краткости все необходимые промежуточные преобразования, приведем только окончательное выражение для дополнительных касательных напряжений в сечении по подошве шва, которое после раскрытия ряда с сохранением его первых трех членов будет иметь следующий вид:
Ат, - ^ (в - -£ In f - 1.45 - f + 0,91 £ ). (V.61)
Значения дополнительных напряжений Дт*, вычисленные по этой формуле, приведены в табл. 15.
Таблица 15
К расчету касательных напряжений в сечении по подошве углового шва соединения впритык
|
Изменение дополнительных касательных напряжений Ат* в сечении по подошве углового лобового шва соединения впритык характеризуется взаимно уравновешенной эпюрой и в связи с этим в отдельных участках сечения эти напряжения должны иметь разные знаки, что и можно видеть по данным, приведенным в табл. 15.
На рис. 51, б эпюра дополнительных касательных напряжений Ат показана штриховой линией.
Для упрощения расчета основных касательных напряжений по формуле (V. 59) угловой шов необходимо заменить ступенчатым выступом, который для соединения по рис. 51 можно принять состоящим из двух ступеней (ввиду относительно большого размера шва на данной модели).
После подстановки в формулу (V. 59) соответствующих значений получим:
для участка модели от х = 0 до х = 100 мм
хх = 0,081 тср (ch 1,65 - у - + 2 ch 1,65 2b~x ) ; (V.62)
для участка модели от х = 100 мм до х = 200 мм
тА. = 0,122тср(с1і 1,65~ + ch 1,65 2Ъ~^Х)- (V.63)
Значения напряжений, вычисленные по формулам (V. 62) и (V. 63), сведены в табл. 15.
Результаты расчета представлены графиком на рис. 51, б. При этом в соответствии с экспериментом принято, что
Сопоставление расчетных и экспериментальных данных свидетельствует об удовлетворительном их совпадении и позволяет считать, что формулы (V. 59) и (V. 61) могут быть приняты для расчета касательных напряжений в сечении по
10мм |
0 W 120___ ЮЦ^ЮОм* подошве угловых лобовых ШВОВ.
Рис. 51. Схема соединения впритык (о) Все приведенные здесь схемы
и эпюра распределения касательных расчета сварных угловых лобо - напряжений в сечении по подошве ВЫХ ШВОВ ЯВЛЯЮТСЯ приближен - углового шва (б) ными. Отсутствие более точных
расчетов в этом случае объясняется большими трудностями, которые при этом возникают. О степени сложности таких более точных расчетов можно судить, например, по той методике, которая используется иногда при расчете плотин треугольного профиля, имеющих по своему очертанию некоторое сходство с угловыми лобовыми швами.
При расчете таких плотин обычно используется методика приближенных решений, построенная на основе использования задачи, полученной в теории упругости для клина. В таких случаях по своей точности эти расчеты будут такими же, как и расчеты, применяемые для сварных угловых лобовых швов. Однако иногда при расчете плотин треугольного профиля возникает необходимость и в применении более точных решений.
Это относится главным образом к расчету участков плотины, расположенных в непосредственной близости к ее основанию. 114
При этом определение напряжений в сечении по основанию плотины производится по методу контактных задач теории упругости, что является весьма сложным.
Для сварных угловых лобовых швов использование подобной методики привело бы к еще более значительным трудностям, так как в этом случае в отличие от плотин, имеющих одну контактную поверхность (в сечении по основанию), имеются уже две контактные поверхности (лобовое сечение шва и сечение по его подошве).
Все эти трудности и привели к необходимости применения для сварных швов более простой методики расчета, которая в отдельных случаях требует введения некоторых уточнений, возможных при использовании имеющихся экспериментальных данных.
Задание условий распределения напряжений по лобовому сечению (представляющему собой одну из контактных поверхностей углового шва) является уже значительным облегчением поставленной задачи. В районе же другой контактной поверхности (в сечении по подошве углового шва) используется решение, полученное для клина с соответствующей поправкой, необходимой при определении касательных напряжений.
Условия распределения напряжений в лобовом сечении углового шва, которые при принятой приближенной методике его расчета задаются указанными выше различными схемами, не могут быть выбраны произвольно. В действительности, они зависят от ряда обстоятельств, основным из которых является соотношение отдельных геометрических размеров соединения. Полных данных для определения этих условий пока еще нет; они могут быть получены по мере накопления экспериментальных данных.
В настоящих условиях можно высказать лишь приближенные рекомендации, основывающиеся на некотором анализе экспериментальных данных.
Выбор условий распределения нормальных напряжений в лобовом сечении необходимо связывать с величиной отношения катета а углового шва к толщине присоединяемого элемента б. Вид эпюры нормальных напряжений следует выбирать по значению ординаты, определяющей положение ее центра тяжести z. При этом можно руководствоваться следующими соотношениями указанных параметров:
TOC o "1-5" h z a z
6 а
До 0,5 0,50
0,5—0,75 0,33
0,75—1,0 0,25
Определение касательного усилия. Касательное усилие в лобовых сечениях угловых швов возникает вследствие различий поперечных деформаций отдельных элементов соединения. Средний связующий элемент соединения ограничивает свободу поперечных 8* 115
деформаций присоединяемых элементов и создает в лобовых сечениях сварных швов поперечную реакцию Т.
Величина этой поперечной реакции может быть определена по расчетной схеме, представленной на рис. 52.
В волокне АА присоединяемого элемента действует только нормальное напряжение ст^. Можно считать, что при сравнительно малой толщине б2 это напряжение распределяется равномерно по всей протяженности волокна АА. При этом поперечная деформация элемента 1 может быть выражена как
Ді =
где г, — относительная поперечная деформация элемента /;
6Х — его толщина.
Рис. 52. Расчетная схема для определения касательных напряжений в лобовом сечении угловых швов соединения впритык |
.X. |
Поперечная деформация Дх определяется величиной напряжений су, возникающих от действия усилий Р и Т, поэтому она может быть выражена зависимостью
д Si 1 £ |
6i, . . £ ІРр ^г)> |
где Gp и gt — нормальные напряжения в направлении оси у, возникающие соответственно от усилий Р и Т. Определив Су и от по формулам (V. 49), (V. 51) и (V. 58), будем иметь
41 = ^(_Щ + JL).
А Ь ас 1 ас J
Поперечная деформация элемента 2 на том же участке будет равна
27’61
12 — с62£
Приравнивая деформации элементов 1 к 2, найдем
Р = 1,ЗЗТ(2 +-^). (V.64)
При а = б 2, как это имеет место в случае применения данной модели соединения впритык, результаты испытания которой представлены на рис. 43, получим: Р = АТ.
Это значение сравнительно близко совпадает с экспериментальными данными (Р = 3,5Т), поэтому можно считать, что принятая здесь для определения силы Т расчетная схема в основном правильно характеризует зависимости, существующие в действительности .
19. РАСПРЕДЕЛЕНИЕ УСИЛИЙ МЕЖДУ ПОПЕРЕЧНЫМИ ШВАМИ
Упрощенный расчет соединений внахлестку с поперечными швами, основанный на предположении о равномерном распределении усилий между швами, не всегда соответствует условиям их
а)
X
Ч
х |
XL
6) Рг-£- |
в) |
Я, |
X: |
-tip- |
рг Рг п |
чЕ |
в)
|
I.,яг р |
Е |
г) |
V |
Рис. 53. К расчету усилий в поперечных швах: а — варианты нагружения; б — расчетная схема при нагрузке по варианту 1; в — расчетная схема при нагрузке по варианту 2; г — расчетная схема при нагрузке по варианту 3; д — эпюра изменения усилий при нагрузке по варианту 3
работы. Поэтому в отдельных случаях необходимо вносить соответствующие уточнения, которые можно определить при учете различий в деформациях соединяемых элементов.
На рис. 53 приведены схема соединения лобовыми швами и различные варианты его нагружения.
Степень неравномерности распределения усилий в сварных швах определяется разницей деформаций соединяемых элементов и поэтому она в значительной мере зависит от условий передачи нагрузки. Наиболее высокая степень неравномерности в распреде лении усилий возможна в случае, когда по условиям передачи нагрузки отдельные элементы нахлесточного соединения будут иметь деформации разных знаков, т. е. когда один из соединяемых элементов будет растянут, а другой элемент будет сжат.
Возможны следующие наиболее характерные варианты передачи нагрузки на сварные нахлесточные соединения.
Вариант 1 Оба соединяемые элементы растянуты (рис. 53, б).
Вариант 2. Один из соединяемых элементов растянут, а другой — сжат (рис. 53, е).
Вариант 3. Направление внешних усилий подобно ранее отмеченным случаям, но по длине одного из соединяемых элементов внешнее усилие передано равномерно (рис. 53, г).
Для варианта 1 уравнение деформации будет
А 2 ' Ь ^1 = Al + ^2- (V.65)
Деформации в районе сварных соединений прямо пропорциональны действующим в швах усилиям и поэтому их можно выразить в следующем виде:
*. = w - (V-66)
Деформации соединяемых элементов можно определить по закону Гука
Лі = ’ Л2 = ИфЕ ’ (V-б?)
где Рх и Р2 — усилия, приходящиеся на поперечные швы;
k0 — коэффициент деформаций, определяемый формулой (V.11);
6, и б 2 — толщины соединяемых элементов;
В — ширина поперечного сечения.
После подстановки выражений (V.66) и (V 67) в уравнение (V.65) и после соответствующих упрощений можно получить
').= п(1+А6Г^'мтїг)- <V-M>
Для окончательного определения усилий в сварных швах можно использовать основное уравнение статики
Уравнение деформаций для нагружения по варианту 2 может быть принято таким же, как и для предыдущего случая, однако деформации второго элемента будут несколько иными
После соответствующих преобразований получим
Pi = pa(i +A + *S-.*L). (V.70)
Для нагружения по варианту 3, учитывая равномерное распределение усилий по длине второго элемента, а также и то, что на участке между сварными швами (рис. 53, О) происходит изменение знака усилий, величина деформаций будет
Л (Рх-РЦ 2 — 2ЬфЁ ■
После подстановки соответствующих значений в уравнение (V.65) получим
г. = Р*(‘+ wW'-t)' <V7I>
По формуле (V. 11) при п = 1 получим k0 = 0,66.
Из формулы (V.68) видно, что равенство между усилиями, действующими в отдельных швах, допускаемое обычно в расчетах при нагрузке по варианту 1, имеет место лишь когда 61 = 62. Если 82 6Х, то усилия в отдельных швах различны.
Например, для 62 — 26х = б
Р> = ^(‘+Т^т)“Р>(1+7+Ьг)-
Из этой формулы следует, что распределение усилий между поперечными швами зависит от длины нахлеста I. С увеличением длины нахлеста неравномерность в распределении усилий будет повышаться. При длине нахлеста I = 56 Рг = 1,77Р2; при / = 106 Рг - 1,87Р2.
Значительно более высокая степень неравномерности в распределении усилий между поперечными швами происходит при нагрузке по вариантам 2 и 3. В этих случаях неравномерность в распределении усилий отмечается даже и при 6Х = 62 = б. При этом формулы (V. 70) и (V.71) будут иметь вид:
для варианта 2
Pi = P*( 1 +-^) = Р2(і + 1,32-^);
+ Д¥<г) = 'р*(1 + - гр»)'
В этом случае распределение усилий также будет зависеть от длины нахлеста. В табл. 16 приведены данные, позволяющие судить о степени влияния длины нахлеста на условия распределения усилий в отдельных швах.
Таблица 16
Значения -~Г_ в зависимости от отношения —т- Р 2 О
|
Анализ различных вариантов нагружения сварных соединений с поперечными швами показывает, что в отдельных случаях могут быть созданы условия, при которых концентрация усилий в свар-
Рис. 54. Примеры соединений с поперечными швами |
ных швах (а следовательно, и напряжений в присоединяемых элементах) может быть значительно более высокой, чем это следует из упрощенного расчета. При этом, когда возможно приложение переменных нагрузок, а также когда металл шва не обладает достаточной пластичностью, указанное повышение концентрации напряжений может оказаться недопустимым.
Для оценки прочности сварных соединений в этих случаях могут быть использованы предложенные здесь формулы.
Наиболее опасным вариантом нагружения таких соединений является вариант 2 (рис. 53, в).
В реальных конструкциях такое нагружение встречается, например, в соединениях деталей винтовых стяжек (рис. 54, а) и во фланцевых соединениях трубопроводов (рис. 54, б).