Пример расчета сварного соединения

Дано:

Рассчитать и проверить на прочность соединение стойки 2 и опорной плиты кронштейна 1 (рис.1.9).

Рис.1.9 – Схема кронштейна

Материал свариваемых деталей Ст3. Сварка ручная дуговая электродами Э50А. Сила, действующая на тягу P равна 10кН. Угол наклона =60⁰. Толщина δ плиты и стойки 10 мм, катет шва k=10мм. Высота кронштейна H равна 300 мм; длина стойки кронштейна a=250 мм. Число сварных швов n=4 (см. Техническое задание №1 на курсовой проект КП).

Решение:

Составим расчетную схему сил и моментов, действующих на кронштейн (рис.1.10).

Рис.1.10 – Расчетная схема сил и моментов кронштейна

Определим допускаемое напряжение основного металла при растяжении по формуле:

Для материала Ст3 допускаемое напряжение = 220 МПа = 220 Н/мм² (табл.1.2), а коэффициент запаса прочности примем равным =1,5 (п. 1.2.1.3). Тогда:

Допускаемое напряжение при срезе и растяжении для материала сварного шва определяем по табл.1.1.

МПа; =95 МПа

В рассматриваемом случае касательное напряжение в биссектральной плоскости шва возникнет от всех силовых факторов.

Определим напряжение (п. 1.2.1.2) при наличии четырех швов (n=4).

Напряжение от изгибающего момента М

где: изгибающий момент

,

– момент сопротивления изгиба

принимая во внимание, что h=0,7k, число швов n=4, получим

Следовательно

от растягивающей силы F

где: сила F=Psinα=10000∙sin60⁰=10000∙0,866=8660 Н

- площадь А=h∙a∙n=0,7k∙a∙4=0,7∙10∙250∙4=7000 мм²

Следовательно

Напряжение от сдвигающей силы Q

где: сила Q=Pcosα=10000∙cos60⁰=10000∙0,5=5000 Н

- площадь А=a∙h∙4=250∙4∙0,7∙10=7000 мм²

Следовательно

МПа

Учитывая, что вектор и составляют с вектором угол 90⁰, полное напряжение σ_пр в опасной точке определим из уравнения по пятой теории прочности:

МПа

Условие прочности выдержано.

Паяные соединения

Общая характеристика

Паяные соединения относятся к неразъемным соединениям, образуемые силами молекулярного взаимодействия между соединяемыми деталями и присадочным материалом, называемым припоем. Основные типы соединений – стыковые, нахлесточные, тавровые (рис.1.11).

Рис.1.11 – Основные типы паяных соединений

а) стыковое; б) нахлесточное; в) косостыковое; г) тавровое;

д) с одной накладкой; е) телескопическое

Преимущественное применение имеют соединения нахлесточные. Стыковые и тавровые соединения применяются при малых нагрузках.

К достоинствам паяных соединений относятся возможность соединения разнородных материалов, стойкость против коррозии, возможность соединения тонкостенных деталей. К недостаткам паяных соединений относятся сравнительно невысокая прочность и необходимость предварительной обработки соединяемых поверхностей.

Расчет на прочность

Расчет на прочность паяных соединений аналогичен расчету сварных соединений.

Нахлесточные паяные соединения рассчитываются на прочность при срезе (рис.1.12, а).

Рис.1.12 – Силовая схема паяных соединений

а) нахлесточного; б) стыкового; в) таврового.

За расчетную принимается площадь контакта поверхностей соединяемых деталей. Условие прочности

где F – сдвигающая сила, Н; b – ширина поверхности пайки, мм; l – длина нахлестки, мм.

Стыковые соединения рассчитываются на прочность при растяжении по номинальному сечению соединяемых деталей (рис. 1.12, б).

Условие прочности стыкового соединения

где δ и b – размеры сечения деталей, мм.

Суммарное напряжение σ от внешней растягивающей силы F и изгибающего момента М равно

Пайка бывает низкотемпературной (до 450⁰С) и высокотемпературной (твердая). В связи с этим припои делятся на легкоплавкие, как правило, оловянно-свинцовые, с прибавкой сурьмы ( ПОС90, ПОС40 и т.д.) и тугоплавкие – на медной или серебряной основе (ВПр1, ВПр2, ПСр40 и т.д.).

Величина допускаемых напряжений для паяных соединений зависит от их материала, марки припоя, способа нагрева и типа стыковки, приведена в таблице 1.3.

Таблица 1.3

Материалы паяных соединений	Припои	Тип соединений
Стыковые [σ] МПа	Нахлесточные [τ] МПа
Латунь Медь	Олово ПОС40	40…50 60…70	30…40 40…50
Низкоуглеродистые стали	Олово ПОС40 ВПр2	300…400	250…300

Клеевые соединения

Общая характеристика

Клеевыми называют неразъемные соединения деталей конструкций с помощью клея – неметаллического вещества, образующего тонкую прослойку между ними. Соединение осуществляется за счет поверхностного схватывания и межмолекулярных связей в клеящем слое.

К достоинствам клеевых соединений относятся возможность соединения деталей из однородных и неоднородных материалов, стойкость против коррозии, герметичность. К недостаткам клеевых соединений относятся сравнительно невысокая прочность, снижение несущей способности при повышении температуры и с течением времени (старение).

Виды соединений

Клеевые соединения конструктивно подобны паяным. У них те же основные виды соединений – нахлесточные и стыковые (рис.1.13). Наиболее распространены нахлесточные клеевые соединения, они хорошо работают при сдвиге и сжатии.

Стыковые клеевые соединения рационально применять при больших площадях соединения.

Рис.1.13 – Клеевые соединения

а) нахлесточное; б) стыковое

Расчет на прочность

На прочность клеевых соединений влияет характер нагрузки, тип конструкции соединения, тип и толщина слоя клея.

Расчет на прочность при сдвиге клеевых соединений аналогичен расчету паяных соединений и осуществляется как проверочный:

где F – сдвигающая сила, Н; b,l – ширина и длина нахлестки, мм; – допускаемое напряжение сдвига, МПа.

Для склеивания стальных деталей применяют такие термоактивные клеи, как эпоксидный ВК-д ( 20 МПа) и фенолоформальдегидный ВК-32-200 ( =30 МПа).

Допускаемое напряжение сдвига можно определить как:

где коэффициент безопасности S = 1,5…3 (зависит от степени ответственности конструкции и условия ее работы). При динамических нагрузках коэффициент безопасности S увеличивают в 2…3 раза.

Допускаемое напряжение при сдвиге для клея марки БФ-2 и статической нагрузке равно =1,0…1,2 МПа.

Заклепочные соединения

Общая характеристика

Заклепочные соединения образуются деформированием заклепки, свободно установленной в отверстия соединяемых деталей. Пластически деформируя, заклепку осаживают, заполняя зазор между стержнем заклепки и стенками отверстия, и формируют замыкающую головку.

К достоинствам заклепочных соединений относят стабильность качества соединения, возможность получения прочного плотного соединения, надежность и простой визуальный контроль качества, возможность соединения деталей из несвариваемых деталей.

К недостаткам заклепочных соединений относят ослабление деталей отверстиями, и в связи с этим повышенный расход металла, а также трудность автоматизации процесса склепывания.

Наибольшее распространение имеют сплошные стержневые заклепки, изготовленные из прутков на высадочных аппаратах.

Основные типы заклепок различают по форме закладной головки (рис.1.14):

Рис.1.14 – Заклепочные соединения

а) с полукруглой головкой; б) с плоской головкой; в) с потайной головкой.

Заклепочные соединения подразделяют на прочные (силовые) (воспринимающие внешнюю нагрузку) и прочноплотные (обеспечивающие дополнительно герметичность соединения).

По расположению соединяемых элементов соединения подразделяют на:

– нахлесточные однорядные и многорядные;

– стыковые с одной накладкой однорядовые и многорядовые; с двумя накладками однорядные и многорядные.

Диаметр d заклепки первично назначают из соотношения

где h – суммарная толщина соединяемых элементов, мм.

Заклепки, как правило, изготавливаются из низкоуглеродистых сталей (Ст2, Ст3, 10, 15 и др.), алюминиевых сплавов (марок АД1, В65 и т.д.), титановых сплавов (марок ВТ16, ОТ4 и др.).

К материалу заклепки предъявляются следующие требования:

– высокая пластичность для обеспечения процесса клепки;

– одинаковый или близкий по величине температурный коэффициент линейного расширения;

– однородность материалов склепываемых деталей для предотвращения гальванических токов, быстро разрушающих соединения.

Допускаемые напряжения для материала заклепок и склепываемых соединений принимаются в соответствии с рекомендациями, основанными на опыте эксплуатации.

Для склепываемых деталей соединения из материала Ст2 и Ст3 рекомендуют при растяжении 140…160 МПа, при срезе 90…100 МПа. Для заклепок изготовленных из материала Ст2 и Ст3 рекомендуют при срезе – продавливание , сверление ; при смятии – продавливание 240…280МПа, сверление 80…320 МПа.

Расчет на прочность

Расчет заклепок на прочность основан на следующих допущениях:

– силы трения на стыке деталей не учитываются, считается, что вся нагрузка передается заклепками;

– расчетный диаметр заклепки d равен диаметру отверстия;

– нагрузка между заклепками распределяется равномерно.

При нагружении соединения центральной продольной силой F детали стремятся сдвинуться друг относительно друга (рис.1.15).

Рис.1.15 – К расчету однорядного односрезного клепаного

соединения внахлест

В этом случае условия прочности элементов соединения имеют следующий вид:

а) на смятие поверхностей заклепок и стенок отверстия

где F – сдвигающая сила, Н;

– площадь смятия, мм²;

– меньшая из толщин склепываемых деталей, мм;

–диаметр отверстия под заклепку, мм;

– число заклепок;

и – расчетное и допускаемое напряжение смятия, МПа.

б) на срез заклепок (для менее прочных материалов деталей и заклепок)

где F – сдвигающая сила, Н;

– площадь среза;

– число площадей среза одной заклепки;

– число заклепок;

–диаметр отверстия под заклепку, мм;

и - расчетное и допускаемое напряжение при срезе, МПа.

в) на растяжение деталей соединения (рис.1.15)

где – продольная сила, возникающая в том сечении, где определяется , N=F, Н;

= – площадь сечения, мм;

меньшая из толщин склепываемых деталей, мм;

– ширина листа, мм;

расстояние между заклепками;

число отверстий в сечении, в котором определяется напряжение;

и – расчетное и допускаемое напряжение при растяжении для соединяемых деталей, МПа.

г) на срез края детали (одновременно по двум сечениям)

где А – площадь среза, мм²;

– число заклепок в соединении;

– расстояние от края детали до оси заклепки, мм;

и – расчетное и допускаемое напряжения при срезе.

Разъемные соединения

Резьбовые соединения

Общие сведения

Резьбовые соединения являются наиболее распространенными разъемными соединениями.

Основным элементом соединения является резьба, которая получается путем нарезания или накатки на детали канавок по винтовой линии.

Классификация резьбы:

– по форме поверхности на которой нарезается резьба подразделяются на цилиндрические и конические (рис.1.16);

Рис.1.16 – Пример цилиндрической и конической резьб

– по форме профиля резьбы подразделяются на треугольные, трапецеидальные, прямоугольные и круглые (рис.1.17);

Рис.1.17 – Профили резьб

– по направлению винтовой линии резьбы бывают правые и левые;

– по числу заходов резьбы подразделяются на однозаходные и многозаходные;

– по назначению резьбы делятся на крепежные, крепежно-уплотняющие и для преобразования движения.

К достоинствам резьбовых соединений относятся простота, технологичность конструкции, малые габаритные размеры, удобство в эксплуатации, возможность сборки и разборки, высокая нагрузочная способность, взаимозаменяемость и большая номенклатура резьбовых деталей для самых различных условий работы.

К недостаткам резьбовых соединений относятся сравнительно большие размеры, а также то, что резьба является своего рода концентратором напряжений, что снижает ее прочность особенно при переменных напряжениях.