Задача состоит в том, чтобы определить расчетные напряже­ния у концентратора сварного соединения вне зависимости от ра­диуса сопряжения основного металла с наплавленным металлом. Одним из первых было предложение проф. В. А. Винокурова из МВТУ. Поскольку радиус сопряжения наплавленного металла с основным у угловых швов меньше 1 мм, он предложил за конст­руктивные принимать реальные напряжения, усредненные на пло­щадке шириной 1 мм, центр которой находится на расстоянии 1 мм от места сопряжения.

При определении конструктивных напряжений oconst1 у угло­вых швов Винокуров предложил либо вычислять их методом ко­нечных элементов с усреднением на базе 1 мм, либо измерять экс­периментально, наклеивая на расстоянии 1 мм от концентратора тензодатчик с базой 1 мм. Чтобы найти разрушающее значение oconst1, можно изготовить образец со сварным соединением задан­ного типа, наклеить на него тензодатчик с базой 1 мм на расстоя­нии 1 мм от шва, замерить конструктивные напряжения. Потом, испытав серию таких образцов на усталость, установить допускае­мое значение конструктивных напряжений: [oconst1]. Конструкция

надежна, если Оconstr < [®constr].

Аналогично немецкий исследователь Е. Хайбах в 1968 г. пред­ложил для экспериментального определения конструктивных на­пряжений в крестовом сварном соединении клеить тензодатчик с базой 3 мм на расстоянии 2,5 мм от места шва, где наибольшие действительные напряжения. Для толщин менее 5 мм он рекомен­довал клеить тензодатчик с базой 1 мм на расстоянии 1,5 мм от опасной точки. Измеренную этим датчиком деформацию назвали конструктивной деформацией (structural strain). При оценке проч­ности сопоставляли ее величину в конструкции и в разрушенном при усталости образце.

С появлением инфракрасной техники и тепловизоров появи­лось понятие напряжения в горячей точке ohs (hot spot stress). Напряжения в узлах ферм из круглых труб достаточно сложно рассчитать теоретически. Поэтому грузили ферму циклической нагрузкой и, наблюдая ее в тепловизор, отмечали «горячие точ­ки», в которых температура при нагрузке поднималась на деся­тые доли градуса.

В отмеченных точках (на рис. 6.101 на двух из них показаны линии измерений L1 и L2) на трубу пояса с толщиной t1 и трубу

сварном соединении и в месте пе­рехода от основного листа шири­ной W к надставке (в).

Предлагаемый на рис. 6.1026 метод определения конструктив­ных напряжений для сварного со­единения внахлестку предполага­ет квадратичную экстраполяцию измеренных датчиками напряже­ний в трех точках на место сопря­жения основного металла с на­плавленным. Найденный таким образом размах напряжения в го­рячей точке Aohs сравнивают с до­пускаемым значением размаха этих напряжений [Aahs]. Диаграм­ма допускаемого размаха напря­жений в горячей точке по нормам иков — American Welding Society (AWS) Structural Welding Code, 1994 — показана на рис. 6.103.

Нижняя кривая дана для швов с обычным качеством поверх­ности, верхняя кривая — для швов с обработанным переходом от основного металла к наплавленному. С этой целью может быть использовано оплавление перехода неплавящимся электродом в аргоне или заглаживание концентратора путем его наклепа спе­циальным ультразвуковым инструментом. Но в большинстве рас­четных норм качество поверхности в месте перехода от металла шва к основному металлу не учитывается.

По описанной выше схеме расчета прочности при усталости тензодатчики нужно наклеивать на каждый узел сварной конст­рукции. Это рационально только при экспериментальных иссле­дованиях. Поэтому обычно в нормах рекомендовано расчетные напряжения в горячих точках Aahs вычислять методом конечных элементов, но без учета радиуса кривизны в переходе от основного металла к наплавленному металлу. Для этого при расчетах исполь­зуют либо конечные элементы в виде малых участков пластин, либо в виде малых участков оболочек, у которых предусмотрено только линейное распределение напряжений по толщине листа.

В случаях, когда толщина t реальной конструкции отличает­ся от толщины образцов, на которых была получена нормативная кривая типа рис. 6.103, полученный допустимый размах напря­жений умножают на коэффициент yt:

Yt =

где n — показатель степени, различный по разным нормам. По Eurocode 3 для t0 = 25 мм он равен 0,25.

Но обычно фермы рассчитываются методом конечных элемен­тов по плоской схеме, включающей только стержневые элементы. Результатом такого расчета являются только значения растяги­вающего Tx, сдвигающего Ty усилий и момента M в каждом стерж­не i в каждом его узле j. Чтобы от этого результата перейти к Aohs, нужно для каждого узла фермы составлять пространственную модель из пластинчатых и оболочечных элементов. Это достаточ­но большая работа. Чтобы ее не повторять при разработке расчет­ных норм для каждого типового узла фермы, для каждого стерж­ня этого узла и для каждой горячей точки k на этом стержне, методом конечных элементов рассчитывают коэффициент концен­трации напряжений в горячей точке Ksh:

O sh, i, j, k Ksh, n, i, j ~ ~~ .

On, i, j, k

Однако каждый стержень в каждой горячей точке подвергает­ся растяжению (сжатию) с аксиальными номинальными напря­жениями ona и изгибу с максимальными номинальными напря­жениями от изгиба (bending) anb. Так как напряжения от среза обычно невелики, то при разработке расчетных норм для каждой горячей точки методом конечных элементов определяют два ко­эффициента концентрации напряжений в горячей точке: при рас­тяжении Ksha и при изгибе Kshb. Расчетный размах напряжений в горячей точке вычисляют по формуле

Ksha, i, j, k + A®nb, i, j, k

L shb, i, j, k*

У стальных мостов различных типов видов горячих точек мень­ше. Поэтому для каждого вида горячей точки можно в нормах дать формулу для приближенного расчета концентрации напряжений. Например, для сварных мостов в Японии для горячих точек у вы­кружек с радиусом R и толщиной пояса tf при R/tf < 3,0 (рис. 6.104) в стенке бaлки толщиной tw, нагру­женной средними касательными напряжениями от поперечного из­гиба xb, и поясом, нагруженным

номинальными напряжениями от изгиба аь, рекомендована фор­мула для расчета концентрации нормальных номинальных напря­жений в горячей точке, полученная в результате обработки чис­ленных расчетов:

ч-0,54 f Л0,23

ч

-2'9'1 ч I -t. '•

На рис. 6.105 приведены эскизы различного конструктивного оформления острых углов корпуса судна, для которых при диаго­нальном растяжении (показано стрелками) методом конечных эле­ментов японскими исследователями вычислены коэффициенты концентрации Khs номинальных напряжений ап в горячей точке указанного на рисунках сечения.