Розрахунки зварних з'єднань на міцність

Основною умовою при проектуванні зварних конструкцій деталей є забезпечення рівноміцності зварних швів та з'єднуваних елементів деталей.

У більшості випадків на практиці розміри зварних швів та тип їх визначаються за формою та конструкцією деталей. Тому розраху­нок зварних з'єднань в основному виконують як перевірний.

Розрахунок стикових з'єднань. Стикове з'єднання розраховують на міцність за номінальними напруженнями без урахування підсилення швів (місцевого наплавлювання металу) і за тими самими умовами, що й для суцільних елементів деталей. Для схем навантаження стикових з'єднань із прямим та косим швами (рисунки 37а, б)умова міцності має такий вигляд:

σ = F/(δb) ≤ [σ]', (55)

де σ – напруження розтягу у шві; F – сила, що навантажує з'єднання;

δ, b –товщина та ширина з'єднуваних елементів, відповідно;

[σ]' – допустиме напруження розтягу стикового зварного з'єднання.

Рисунок 37. До розрахунку стикових зварних з’єднань

Руйнування стикового зварного з'єднання може відбуватись безпосередньо по шву, місцю сплавлення металу шва з металом деталі або по перерізу деталі в зоні термічного впливу, де в результаті нагрівання при зварюванні змінюються механічні властивості металу. У розрахунку цю невизначеність беруть до уваги відповідним вибором допустимого напруження [σ]' та з урахуванням властивостей матеріалу з'єднуваних деталей.

Концентрація напружень, що виникає у стикових швах, незначна (Κ_σ ≤ 1,6). Для швів із знятим механічним способом підсиленням К_σ = 1

Розрахунок напусткових з'єднань. У напусткових з'єднаннях кутові шви умовно розраховують на зріз за найменшим перерізом, який знаходиться в бісектрисній площині прямого кута в поперечному перерізі шва (рисунок 32д, е),де розрахункова висота кутового шва m = 0,7k.

Для напусткових з'єднань, навантажених відповідно із схемами на рисунку 38а–в,умову міцності швів записують у вигляді

τ = F/(0,7kl) ≤ [τ]', (56)

де τ – розрахункове напруження зрізу; F –сила, що навантажує з'єднання; k – катет кутового шва; l – довжина швів; [τ]' – допустиме напруження зрізу.

Для з'єднань із кількома швами за розмір l беруть сумарну довжину швів, наприклад для напускового з'єднання фланговими швами (рисунок 38а) l = 2l_ф, для з'єднання лобовими швами (рисунок 38б) l = 2l_л, а для з'єднання комбінованими швами (рисунок 38в) l = 0,28l_л + 1,5l_ф. В останньому випадку зменшену довжину шва l беруть у зв'язку з нерівномірністю розподілення навантаження на лобовий та флангові шви.

Рисунок 38 Схеми напусткових зварних з’єднань

У зварному з'єднанні з несиметричним розміщенням флангових швів щодо лінії дії сили F (рисунок 38г) загальну довжину швів l = l_Ф1 + l_Ф2 визначають за умовою (2). Тоді l_ф1 та l_ф2 беруть відповідно до тих часток сили F, що припадають на окремі шви:

l_Ф1 = lе₂/(e₁ + e₂); l_Ф2 = lе₁/(е₁ + е₂).

Для напусткового з'єднання із кільцевим кутовим швом, навантаженого відповідно до схеми на рисунку 38д, напруження зрізу в шві визначають окремо від сили F і від крутного моменту Т. Тоді ці напруження складають геометрично (τ_F і τ_T напрямлені під прямим кутом):

τ_F = F/(0.7kπd); τ_T = F_T/A = 2T/(0,7kπd²); (57)

У цьому випадку колова сила на шов від крутного моменту F_T = 2T/d, а площа зрізу шва А = 0.7kπd.

Якщо з'єднання навантажене моментом Μ (рисунок 39а), то напруження у швах розподіляються по їхній довжині нерівномірно і напрям їх різний (на рисунку 39a стрілками вказані напрями напружень зрізу в різних точках швів).

Рисунок 39. Зварні шви, що навантажені крутячими моментами

Нерівномірність розподілення напружень тим більша, чим більша довжина l швів відносно розміру b. У загальному випадку максимальне напруження на кінцях швів можна визначити за формулою τ_M = M/Wp, де Wp – полярний момент опору перерізу швів у площині їхнього руйнування.

Для коротких швів (l < b),наближено можна припустити, що напруження зрізу розподіляються вздовж швів рівномірно (рисунок 39б)і спричинюються дією на кожний шов сили F = M/b.Тоді умова міцності з'єднання має вигляд

τ_M = M/(0,7klb) ≤ [τ]'. (58)

З урахуванням цих допущень можна розглядати наближений розрахунок зварного з'єднання і для більш загальної схеми навантаження (рисунок 39в), де шви навантажуються силами F₁ = F cos α, F₂ = F sin α, а також моментом Μ = F₂h.

У цьому разі більш навантаженим є верхній шов, для якого умова міцності має вигляд (напрям напружень на рисунку 39в показано стрілками)

, (59)

де складові напружень зрізу визначають відповідно за формулами:

τ_F1 = F₁/(2∙0,7kl); τ_F2 = F₂/(2∙0,7kl); τ_M = M/(0,7klb).