5.2.2.2. РАСЧЕТНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ РЕАКТИВНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ, ВЫЗВАННЫХ СВАРКОЙ ЗАДЕЛОК

Методика расчета реактивных напряжений, обусловленных сваркой заделок, аналогична методике расчета реактивных напряжений, вызванных сваркой узлов подкрепления отверстий. При анализе реактивных напряжений в районе заделок используются следующие допущения [88].

Рис. 5.16. Изменение ширины зоны растягивающих реактивных напряжений в зависимости от расстояния до штуцера

1. Погонный объем продольного и поперечного укорочения практически не зависит от жесткостей свариваемых элементов конструкции.

2. Сварной узел «заделка» схематизируется в виде трех составных элементов, в среднем из которых задаются начальные деформации (рис. 5.17).

3. Начальные деформации в поперечном и продольном направлениях равномерно распределены по зоне В (рис. 5.17), и их величины определяются погонными объемами продольного и поперечного укорочения, полученными в результате решения термодеформационной задачи:

Здесь начальные деформации в продольном и поперечном направлениях; остаточные пластические деформации в продольном и поперечном направлениях, полученные при решении термодеформационной задачи; площадь упругопластической зоны; площадь зоны В.

Поскольку аналитическое решение деформационной задачи достаточно сложно получить для схемы, представленной на рис. 5.17, расчеты проводились с помощью МКЭ при условии плоского напряженного состояния для различных размеров

заделок. Погонные объемы, продольного и поперечного укорочения и соответствующие им начальные деформации были получены при решении термодеформационной задачи.

Принятое допущение об одновременности наложения каждого прохода позволило проводить решение этой задачи в плоской постановке (в продольном направлений накладывалось условие плоской деформации, расчетная схема представлена на рис. ). Расчет проводили для: толщины листа, равной 40 мм, при выполнении шва. из аустенитных и низколегированных материалов. Последовательность заполнения разделг; и формирования усиления, механические и теплофизические свойства сварочных и основных, материалов принимали такими же, как при решении термодеформационных задач о сварке стыковых. соединений. Свойства низколегированного металла шва принимали идентичными свойствам основного металла.

Рис. 5.17. Схема и геометрические размеры узла типа «заделка»

Определение ОСН и деформаций при сварке низколегированными материалами проводили по следующим двум технологическим схемам: сварка с предварительным подогревом и без него. В случае сварки с предварительным подогревом исходное распределение температур соответствовало подогреву кромок до Температурное поле при предварительном подогреве было определено по зависимостям, предложенным в работе [42].

Начальные деформации для рассматриваемых случаев составляют: для аустенитного металла для низколегированного металла шва без подогрева и для низколегированного металла шва при подогреве. Для всех металлов принималось (рис. 5.17).

Из расчета МКЭ следует, что начальные поперечные деформации для соединения с аустенитным швом больше, а продольные меньше, чем с низколегированным (режим сварки и

разделка под сверку были примерно одинаковыми). Следовательно, поперечные реактивные напряжения будут больше у соединения, сваренного аустенитными "материалами; хотя предел текучести у аустенитного маталла шва меньше, чем у низколегированного. Этот результат можно объяснить, следующим образом. На всем этапе остывания происходит пластическое деформирование, металла шва, причем активное нагружение (растяжение) происходит в продольном направлении, так как в этом направлении действительные деформации запрещены (условие плоской деформации). Поскольку в продольном направлении происходит пластическое удлинение материала, поперечная деформация укорочения увеличивается по абсолютной величине, что обусловлено действием закона сохранения объема металла в пластической области. Поэтому с увеличением температурной усадки (коэффициент линейного расширения) и уменьшением предела текучести материала (уменьшением доли упругой деформации) пластические деформации удлинения в продольном направлении будут увеличиваться, а следовательно, возрастет деформация укорочения в поперечном направлении. Поскольку коэффициент линейного расширения аустенитного материала больше, а предел текучести практически во всем диапазоне температур меньше, чем у низколегированного, то поперечная усадка у него должна быть больше. Следовательно, при одинаковых параметрах разделки под сварку поперечные реактивные напряжения в соединениях, сваренных аустенитными материалами, будут больше, чем при сварке низколегированными материалами. Очевидно, что эта закономерность выполняется при условии, что реактивные напряжения меньше, чем предел текучести аустенитного материала.

Рассчитанные реактивные напряжения, возникающие от заделок различных размеров сваренных низколегированными сварочными материалами с предварительным подогревом, представлены на рис. 5.18. Реактивные напряжения, возникающие от заделок, сваренных низколегированными материалами без подогрева, ниже, чем при сварке с подогревом.

Из рис. 5.18 видно, что с увеличением размера заделки поперечные реактивные напряжения уменьшаются. Уровень напряжений практически не зависит от соотношений сторон, а является только функцией абсолютного размера стороны листа, относительно которой рассматриваются поперечные реактивные напряжения. Здесь и далее в основном будут рассматриваться поперечные реактивные напряжения. Поэтому в дальнейшем, за. исключением особых случаев, когда необходимо подчеркнуть компоненту реактивных напряжений, поперечные реактивные напряжения будем называть просто реактивными напряжениями.

Ширина зоны действия растягивающих реактивных напряжений ограничивается размером сторон заделки или

На рис. 5.19 представлены зависимости коэффициента снижения реактивных напряжений где максимальное реактивное напряжение в сечении, находящемся на расстоянии от границы шва заделки, равном - собственные реактивные напряжения, равные максимальным напряжениям, Действующим на границе шва заделки) от относительного

(см. скан)

Рис. 5.18. (см. скан) Распределение реактивных напряжений узлах типа «заделка» (вследствие симметрии относительно осей координат показана 1/4 узла): в — заделка размером

расстояния Видно, что кривые для различных заделок расположены очень близко, если анализ реактивных напряжений производится относительно равных по длине сторон заделки.

Таким образом, выполненный, анализ реактивных напряжений в сочетании с имеющимися данными по распределению собственных ОСН в узлах, образованных типовыми сварными соединениями, позволяет принципиально определить напряженное состояние любого узла после окончания сварки конструкции в целом. Реактивные напряжения определяются на основе кривых представленных на рис. 5.15. 5.19. По известным размерам источников реактивных напряжений, действующих на рассматриваемый узел, определяются собственные реактивные напряжения каждого источника По известным расстояниям между рассматриваемым узлом и источником реактивных напряжений находятся коэффициенты снижения реактивных напряжений для каждого из источников. Зная для всех соседних:

узлов (источников реактивных напряжений), можно определить методом суперпозиции реактивные напряжения, действующие на рассматриваемый узел.

Рис. 5.19. Зависимость коэффициента снижения, реактивных напряжений от относительного расстояния размер заделки размер заделки размер заделки размер заделки