5.2.2.3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ РЕАКТИВНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ; СОПОСТАВЛЕНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ И РАСЧЕТНЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ

С целью обоснования тех или иных положений, используемых при разработке методов расчета реактивных напряжений, был проведен ряд экспериментов и соответствующих расчетов по определению реактивных напряжений, вызванных сваркой штуцеров и заделок, а также сваркой пластин, заделанных в жесткой раме. Поскольку реактивные напряжения равномерно распределены по толщине свариваемых листов, можно было использовать любые методы измерения напряжений по поверхности соединения, а также ультразвуковой метод, определяющий среднеинтегральные по толщине листа напряжения:

Рассмотрим последовательно все выполненные эксперименты и соответствующие им расчеты. Отметим, что во всех экспериментах в качестве основного металла использовалась сталь

1. Из приведенного расчетного анализа следует, что реактивные напряжения, вызванные сваркой аустенитными материалами, выше, чем при сварке низколегированными.

Для обоснования этого положения было проведено экспериментальное исследование реактивных напряжений, вызванных сваркой пластин, заделанных в жесткую раму 1 (рис. 5.20). При

этом использовались аустенитный сварочный материал и низколегированный (сварка велась без предварительного подогрева)

Две одинаковые пластины приваривали к разным сторонам жесткой рамы. Затем производили сварку пластин (последним: выполняли средний шов). Розетки тензодатчиков наклеивали: по оси х после сварки пластин. Реактивные напряжения определяли по деформациям тензодатчиков после вырезки пластин: из рамы механическим способом.

Рис. 5.20. Распределение реактивных напряжений в пластинах, сваренных в жесткой раме: расчет для аустеннтного металла шва; для низколегированного; и X — данные эксперимента

Реактивные напряжения рассчитывали на основе начальных деформаций, равных деформациям при расчете реактивных напряжений в заделках.

Сопоставление расчетных и экспериментальных результатов демонстрирует хорошее их соответствие (максимальное расхождение не превышает 35 МПа). Следует обратить внимание, что, как в случае расчетного анализа, так и экспериментального реактивные напряжения, вызванные сваркой аустенитными материалами, примерно в 1,5 раза больше, чем вызванные сваркой низколегированными металлами.

2. Одним из основных положений разработанной методики определения остаточной напряженности конструкции является принцип суперпозиции от каждого сварного узла (при отсутствии пластического деформирования в результате взаимодействия напряжений от различных узлов). Для проверки этого положения были проведены расчеты по определению реактивных напряжений, вызванных вваркой плиты в жесткую раму с последующей вваркой штуцера в плиту. Результаты расчетов сопоставимы с имеющимися экспериментальными данными

(рис. 5.21). Расчет реактивных напряжений проводили в два этапа. На первом этапе МКЭ определяли напряженное состояние с учетом отверстия под штуцер, обусловленное сваркой плиты в жесткую раму. На втором — на основании формул (5.12) рассчитывали реактивные напряжения, вызванные сваркой штуцера.

Рис. 5.21. Распределение реактивных напряжений в плите размером и -расчет; данные эксперимента

Итоговое поле реактивных напряжений определяли как результат суперпозиции полей напряжений, полученных на первом и втором этапах.

Из рис. 5.21 видно достаточно хорошее соответствие результатов расчета и экспериментальных данных (максимальное расхождение не превышает 90 МПа), что свидетельствует о правомерности в ряде случаев использования принципа суперпозиции при определении суммарных реактивных напряжений в конструкциях, содержащих много сварных узлов.

3. Из приведенного расчетного анализа следует, что при уменьшении диаметра штуцера величина и градиент падения реактивных напряжений увеличиваются. Такая тенденция может привести к ситуации, при которой изменения диаметра штуцера практически не приводят к Изменению поля реактивных напряжений (рис. 5.22). С целью проверки такого положения были проведены эксперименты по определению реактивных напряжений в плите, вызванных сваркой аустецитными материалами штуцеров различных диаметров. Измерение напряжений

проводили при помощи механического съемного тензометра с индикаторной головкой [214]. Замеряли деформации на базе 100 мм в двух взаимно перпендикулярных направлениях до и после сварки. По результатам деформаций, обусловленных сваркой штуцеров, на основе закона Гука определяли реактивные напряжения

Рис. 5.22. Распределение реактивных напряжений в плите при сварке штуцеров различных диаметров: данные эксперимента

Расчет реактивных напряжений проводили по формулам (5.13). При этом использовали зависимость от радиуса шва штуцера, представленную на рис. 5.15.

Соответствие расчетных и экспериментальных - данных (рис. 5.22) вполне удовлетворительное (максимальное расхождение не превышает примерно

4. Одно из положений разработанной методики определения в конструкции, приведенное в начале настоящего раздела, состоит в следующем. На формирование ОСН в рассматриваемом узле не влияет предварительное напряженное состояние, возникающее после сварки выполненных ранее соседних узлов конструкции. Кроме того, при расчете (как собственных, так и реактивных) предполагается, одновременное выполнение прохода по всей длине шва и соответственно осесимметричное состояние, обусловленное вваркой деталей, подкрепляющих отверстие.

Для обоснования этих предположений было проведено экспериментальное исследование реактивных напряжений в плите, вызванных сваркой штуцеров (металл шва - аустенит — рис. 5.23); методика измерения реактивных напряжений идентична рассмотренной в п. 3. Штуцера вваривали последовательно слева направо.

Рис. 5.23. Распределение поперечных (радиальных) реактивных напряжений в плите по сечениям координата, отсчитываемая от границы шва): - расчет; данные эксперимента

При этом ОСН каждого последующего штуцера формировались на фоне напряжений, вызванных сваркой предыдущего. Различное расстояние между штуцерами приводило к изменению предварительного напряженного состояния при сварке второго и третьего штуцеров. Таким образом, если поле ОСН в районе штуцера не осесимметричное и на сварочные напряжения оказывает значительное влияние предварительно напряженное состояние, распределения реактивных напряжений по сечениям 1—2, 3—4, 5—6, 7—8, 9—10, 11—12, 13—14 и 15—16 (рис. 5.23) должны значительно различаться. Если же справедливы изложенные выше допущения, положенные в основу предлагаемого подхода по расчету ОН, то распределения напряжений по указанным сечениям не должны существенно различаться.

На рис. 5.23 приведены экспериментальные значения реактивных напряжений, усредненные по всем сечениям для всех трех

штуцеров (рассматриваются только радиальные поперечные напряжения). Максимальное различие с расчетной кривой [расчеты выполнены на основе зависимостей (5.13) и кривой, представленной на рис. 5.15] не превышает Учитывая, что; дисперсия любого измеренного значения напряжений не превышает величины порядка погрешности измерений, можно считать предположения об одновременном выполнении прохода и независимости ОСН от предварительного напряженного состояния вполне правомерными.

5. На основании проведенного расчетного анализа реактивных напряжений, вызванных сваркой заделок, были сделаны следующие выводы: реактивные напряжения, вызванные сваркой заделок низколегированными материалами с предварительным подогревом, выше, чем при сварке идентичными материалами без подогрева;

реактивные напряжения в районе заделок, сваренных аустенитными материалами, выше, чем при сварке, низколегированными материалами без, подогрева.

Рис. 5.24. Геометрические размеры узла «заделка» и схема измерения реактивных напряжений: сечения, по которым производились измерения напряжений

Следует отметить, что расчет реактивных напряжений, вызванных сваркой заделок, выполнялся в предположении о неизменности объемов продольного и поперечного укорочения и соответственно начальных деформаций вдоль шва.

Для проверки изложенных выводов, а также для анализа применимости допущения о постоянстве объемов укорочения вдоль шва при расчете реактивных напряжений были проведены экспериментальные исследованаия реактивных напряжений В образцах, имитирующих сварку заделок. Методика Измерения реактивных напряжений была идентична рассмотренной в п. 3-В квадратное отверстие размером находящееся в центре листа размером 3000X3000 вваривали плиту (рис. 5.24) Сварку производили одновременно с двух противоположных сторон плиты (вначале сваривали одну пару сторон, затем — вторую). Было сделано три образца с различными технологическими вариантами сварки. В первом образце сварку осуществляли аустенитными материалами без подогрева; во втором — низколегированными материалами без подогревала в третьем Образце сварку проводили низколегированными материалами с предварительным подогревом

(температура на кромках листов перед сваркой: была равной приблизительно 150 °С).

На рис. 5.25 приведены экспериментальные значения реактивных (поперечных) напряжений, усредненные по сечениям и по сечениям 3—4, 7—8, 11—12, 13—14 (см. рис. ,5.24).

Рис. 5.25. Распределение реактивных напряжений в узле «заделка» по сечениям 1—2, 5—6, 9—10, 15-16 и по сечениям 3—4, 7—8, 11—12, 13-14 (см. рис. 5.24) при сварке аустенитными а), низколегированными без подогрева (б) и низколегированными с подогревом материалами (в): результаты расчета; - данные эксперимента, соответственно усредненные по сечениям 1—2, 5—6, 9—10, 15—16 и по 3—4, 7—8, 11—12, 13—14

Такое усреднение было выполнено с целью проверки используемого в расчете допущения о постоянстве объемов укорочения вдоль шва. При этом допущении поле реактивных напряжений в районе квадратной плиты будет симметричным относительно осей координат и диагоналей плиты. Следовательно, распределения поперечных или продольных; реактивных напряжений по сечениям 1—2, 9—10, 5—6, 15—16 должны быть идентичными. Аналогично для сечений 3—4, 7—8, 11—12, 13—14 распределения напряжений также должны совпадать.

Как видно из рис. 5.25, максимальное расхождение экспериментальных данных с результатами расчетов (расчеты выполняли МКЭ по расчетной схеме, представленной на рис. 5.17) для всех трех образцов не превышает при дислереий примерно Такое несущественное различие между расчетными

и экспериментальными данными дает основание считать допущение о постоянстве объемов продольного и поцеречного укорочения вдоль шва вполне приемлемым для расчетного анализа реактивных напряжений в районе заделок.

Следует также Отметить, что выводы о влиянии сварочного материала, а также предварительного подогрева на уровень реактивных Напряжений, сделанные на основании расчетного анализа, полностью были подтверждены соответствующими экспериментальными исследованиями (рис. 5,25).

Таким образом, проведенное экспериментальное исследование реактивных напряжений в узлах, имитирующих различные сварные узлы, продемонстрировало обоснованность применения основных допущений, использованных при разработке метода расчета ОСН в конструкциях. Закономерности формирования и распределения реактивных Напряжений при использовании различных сварочных материалов и при изменении геометрии сварных узлов, полученные на основе расчетного анализа реактивных напряжений, были подтверждены экспериментально.