Способы описания напряженно-деформированного состояния и методы расчета сварных соединений на прочность
В общем случае способы описания напряженно-деформированного состояния можно представить следующим образом:
а) кинематический метод определения напряжений;
б) метод сопротивления материалов;
в) методы на базе теории упругости;
г) методы на базе теории пластичности;
д) методы на базе теории упругости, пластичности и ползучести.
а) Кинематический метод, который широко применяется, но, к сожалению, очень несовершенный, приводящий порой к серьезным авариям основывается на понятии об абсолютно жестком твердом теле (см. ранее) и использует преимущественно расчетный аппарат теоретической механики. Ни о какой концентрации напряжений, которые являются определяющим фактором в прочности, не может быть и речи.
б) Рассмотрим применение метода на некоторых примерах.
Расчет напряжений в поясных швах балки (рисунок 2.14).
Поперечная сила, которая действует на швы
где S1 - статический момент сечения пояса относительно центральной оси; b - коэффициент, учитывающий способ сварки; I - момент инерции сечения.
От действия сосредоточенной силы возможно смятие металла сварного шва, что необходимо учитывать.
τq = Q / (z bkl),
где z - условная длина, на которой воспринимается поперечная сила.
Расчет фланговых швов (см.рисунок 2.10) проводится по формуле:
Расчетные напряжения представляют собой средние значения. На самом деле напряжения, вычисленные с применением теории упругости распределяются равномерно:
tmax>tcp.
В результате, при проектировании накладываются ограничения на длину фланговых швов l£50К.
Сильный толчок в применении теории упругости дала механика разрушения. Наиболее хорошо механика разрушения справляется с упругими задачами, несколько хуже с упругопластическими, но совсем на применима когда имеет место ползучесть.
Рисунок 2.14 – К расчету поясных швов балки
2.4.2. Способы описания концентрации напряжений (методы в, г, д)
Наиболее опасными в технике случаями являются разрушения без заметного протекания пластических деформаций, возникающие в вершине концентратора напряжений (рисунок 2.15).
Применяются два основных способа описания напряженно- деформированного состояния.
1) Способ описания через коэффициенты концентрации напряжений:
;
в>>l; при r®0, as®¥.
Это главное неудобство обычного коэффициента концентрации напряжений. Прочность св. соединения как статическая , так и при переменных нагрузках не зависит прямо от аσ, т.е. в расчетах аσ учитывается лишь косвенно,
Рисунок 2.15 – Схема трещины
2) Способ описания посредством коэффициента интенсивности напряжений
В общем случае значение К можно представить в виде:
,
где A=const - коэффициент; l- длина трещины. Значение радиуса у вершины трещины (r) в явном виде в формулу не входит, поэтому условие r®0 не накладывает ограничений на применение коэффициента К.
Рассмотрим распределение напряжения вблизи вершины трещины (рисунок 2.16).
Значение sy можно представить в виде бесконечного ряда:
где К - коэффициент интенсивности напряжений.
Механика разрушения интересуется только тем, что происходит вблизи вершины трещины. При этом оказывается, что главную роль в данной зоне играет слагаемое , а остальные несущественны, что позволяет достаточно точно описать напряженное состояние без определения коэффициентов a1,а2, а3 и т.д.
Рисунок 2.16 – Распределение напряжений у вершины трещины
В настоящее время свойства материалов сопротивляться разрушению при наличии в них трещин или трещинообразных дефектов (концентраторов) принято выражать в использованием К (рисунок 2.17).
Имеются три коэффициента К: KI, KII, KIII, каждый из которых соответствует своему виду напряженно-деформированного состояния.
Примеры сварных соединений:
KI - сварка встык с непроваром корня шва (рисунок 2.17а)
KII- сварка внахлестку, шов лобовой, точка в корне шва (рисунок 2.176)
KIII- сварка внахлестку, шов фланговый (рисунок 2.17.в).
По теории линейной механики разрушения все виды напряженно деформированного состояния можно определить (описать) путем использования комбинаций К.
а
б
в
Рисунок 2.17 – Схемы напряженно-деформированного состояния
а – схема нормального отрыва; б – схема сдвига; в – схема антиплоского сдвига