5.3. АНАЛИЗ ДОЛГОВЕЧНОСТИ СВАРНЫХ УЗЛОВ ТОЛ СТОЛ ИСТОВЫХ КОНСТРУКЦИЙ

Приведенные, в предыдущем разделе исследования ОСН в сочетании с методами расчета траектории трещины, и параметров механики разрушения (см, подраздел 4.1.3) и моделью развития усталостной трещины (см., подраздел 4.1.4) позволяют исследовдть долговечность сварных узлов на стадии развития трещины.

Размах напряжений, действующих на рассматриваемый узел, определяется режимом эксплуатационного нагружения конструкции, а максимальные напряжения в цикле равны суперпозиции реактивных напряжений с наибольшими в цикле эксплуатационными напряжениями. Таким образом, роль реактивных напряжений сводится к изменению асимметрии нагружения сварного узла.

С целью исследования влияния собственных реактивных сварочных напряжений на долговечных сварных узлах были проведены расчетные исследования по кинетике усталостной трещины в трех типах сварных узлов, образованных стыковым, тавровым и штуцерным соединениями [28, 86].

Расчет основывался на следующих предпосылках.

1. При определении траектории трещин и КИН использовали поля оетаточных пластических деформаций, полученные при решении термодеформационных задач о сварке соответствующих сварных соединений. Исходные (до перераспределения, обусловленного ростом трещин) - ноля собственных ОСН представлены на рис. 5.8-5.11.

2. Как уже отмечалось, зарождение усталостной трещины в сварных соединениях без. внутренних дефектов происходит, как правило, в зоне перехода шва к основному металлу. Размер этой зоны определяется радиусом перехода, который в среднем составляет 1-2 мм [215]. Поэтому было принято, что начальная длина (глубина) трещины для всех узлов равна 2 мм и она. ориентирована нормально к поверхности нагружаемого соединения.

3. Критическая длина трещины до которой проводился расчет долговечности сварных узлов, определялась исходя из условия где глубина трещины (проекция траектории трещины на ось соответствующая критической длине и толщина несущего элемента конструкции соответственно.

4. Расчет траекторий трещин и. КИН для стыкового и таврового сварных соединений проводился при условии плоской деформации, а для штуцерного, соединения, штуцеры 1,2 (см. табл. 5.1) — в осесимметричной постановке.

5. Механические свойства стали для расчета СРТ и долговечности сварных узлов взяты из работ [68, 69].

6. Действие реактивных напряжений на исследуемые узлы моделировали изменением максимальных напряжений в цикле нагружения.

7. Исследуемые варианты нагружения и геометрические размеры сварных соединений приведены на рис. (см. табл. и в табл. 5.3. Во всех вариантах размах рабочих напряжений .

Траектории развития трещин в анализируемых сварных узлах представлены на рис. Как следует из полученных данных, траектория трещины зависит от максимальных напряжений в цикле. Из рис. видно, что во всех соединениях при небольших максмальных напряжениях в цикле (варианты траектории трещин криволинейные, что обусловлено неоднородностью ОСН. С увеличением максимальных напряжений отклонение траекторий от направления, перпендикулярного поверхности листа, уменьшается. Наибольшее отклонение траектории трещины происходит в случае ненулевых напряжений в стенке таврового соединения, что моделирует, например, действие ребер жесткости на обшивку корпуса судна (варианты № 5,7).

Обращают на себя внимание траектории трещин, развивающихся в узлах подкрепления отверстий. Хотя в них действуют значительные собственные растягивающие ОН, стремящиеся уменьшить отклонение трещины, тем не менее траектории трещины отклоняются от направления, перпендикулярного поверхности листа. Такая особенность обусловлена наличием значи тельных касательных напряжений (больших, чем у стыковых или тавровых соединений) в области, где происходит

развитие трещины. В то же время одновременное увеличение остаточных радиальных и касательных напряжений при уменьшении диаметра штуцера [изменение напряжений в штуцере: 2 - по сравнению со штуцером 1 (см. табл. 5.1)] привело к тому, что траектории трещин при одинаковых внешних максимальных напряжениях не изменяются.

Таблица 5.3. Варианты нагружения сварных узлов

Рис. 5.26. Геометрические размеры схема нагружения сварных соединений где — средние в цикле напряжения)

По мере продвижения трещины сварочные напряжения существенно перераспределяются. На рис. 5.27 показано распределение относительных напряжений, ориентированных нормально к траектории трещины, в случае ее развития при нагружении по варианту № 6 (табл. 5.3). Из сопоставления кривых при видно, что сварочные напряжения перед вершиной трещины зависят от ее длйны и они тем меньше, чем длиннее трещина. Перераспределение сварочных напряжений по мере подрастания трещины приводит к возможности ее развития в область, где исходное поле напряжений было сжимающим.

На рис. 5.28 и 5.29 приведены расчетные кривые максимального значения размаха коэффициента интенсивности напряжений и долговечности от длины трещины при различных уровнях максимальных напряжений для узлов, образованных стыковым, тавровым соединениями (схема и параметры

нагружения соответствуют проведенным натурным испытаниям, описание которых будет изложено ниже, а также соединениями подкрепления отверстия (схема нагружения соответствует наиболее типичной ситуации при работе штуцерных соединений, например в оболочечных или панельных конструкциях). Для рассматриваемых случаев поэтому расчет и проводили по зависимости (4.8), связывающей с коэффициентом интенсивности напряжений I рода Очевидно, что расчет долговечности с помощью модели развития усталостной трещины также базировался на условии деформирования трещины, отвечающей только I моде нагружения.

Рис. 5.27. Распределение относительных напряжений нормальных к траектории трещины, в тавровом соединении при различной длине трещины криволинейная координата вдоль траектории трещины): 1, 2, 3 — положения вершины трещины

Как видно из рис. 5.28 и 5.29, ОСН качественно изменяют вид зависимостей и (зависимости не описываются законом Размах КИН при заданном размахе эксплуатационной нагрузки зависит от средних напряжений, что связано с двумя факторами. Во-первых, с увеличением сгщах захлопывание трещины при снижении нагрузки наступает при меньших напряжениях Стог, что, в свою очередь, ведет к росту Во-вторых, с ростом отклонение трещины от прямолинейной траектории уменьшается и, следовательно, величина от напряжений, действующих нормально к прямолинейной трещине, увеличивается. При заданной нагрузке и глубине трещины у соединения с меньшим диаметром штуцера и соответственно с большей цилиндрической жесткостью значения меньше, что обусловлено общей закономерностью: уменьшением вклада напряжений в КИН с увеличением жесткости тела; По мере развития трещины при внешней асимметрии нагружения внутренняя асимметрия характеризующая нагруженность материала у вершины трещины, изменяется длявсех узлов в широком диапазоне — от 0,7 до 0. Следовательно, ОСН создают у вершины растущей трещины свой характерный цикл нагружения, неконтролирующийся внешним нагружением.

Из приведенного расчетного анализа долговечности сварных штуцерных соединений следует, что действие средних по толщине ОСН неадекватно эксплуатационным напряжениям, так как долговечность узла с большими сварочными растягивающими напряжениями выше (см. рис.

5.10, 5.11 и 5.30). С увеличением же максимальных эксплуатационных напряжений при постоянном их размахе долговечность падает. Такую особенность можно объяснить следующим образом.

Рис. 5.28. Зависимости максимального значения Ктях и размаха от длины трещины и длины трещины от количества циклов нагружения для таврового (§ 10) и стыкового (3) соединений (номера расчетных и экспериментальных точек соответствуют номерам вариантов нагружения — см. табл. 5.3): с учетом без учета данные эксперимента

Как уже отмечалось, с уменьшением диаметра цилиндра, подкрепляющего отверстие (штуцера), увеличивается цилиндрическая жесткость и растут сварочные поперечные напряжения. При этом за счет увеличения жесткости соединения вклад напряжений в КИН уменьшается. Следовательно, воможна ситуация, когда с увеличением сварочных растягивающих напряжений за счет возрастания жесткости соединения величина Яшах, зависящая от и не будет практически увеличиваться, а , связанный с размахом эксплуатационных напряжений, будет уменьшаться (см. рис. 5.29). Тогда долговечность штуцерного соединения с большими сварочными растягивающими поперечными напряжениями (с меньшим диаметром штуцера) будет выше.

С целью проверки применимости разработанного комплекса методов анализа долговечности сварных узлов были проведены эксперименты и соответствующие расчеты по исследованию

(кликните для просмотра скана)

кинетики усталостных трещин в узлах, образованных тавровым, стыковым соединениями и соединением подкрепления отверстия. Для испытаний типовых сварных соединений были изготовлены специальные образцы, сварка которых осуществлялась в последовательности, указанной на рис. 5.5. Все соединения сваривали аустенитными сварочными материалами. Распределение

Рис. 5.30. Зависимость долговечности соединений подкрепления отверстия с разными диаметрами штуцеров от максимальных в цикле нагружения напряжений штуцер 1; 2 — штуцер 2 (см. табл. 5.1)

ОСН в стыковом, тавровом соединениях и в соединении подкрепления отверстия показано соответственно на рис. 5.8, 5.9 и 5.12.

Тавровые и стыковые соединения (для всех образцов сечение рабочей части имеет размер испытывали при мягком нагружении (нагружение по напряжениям) с максимальными напряжениями, равными и при одном и том же размахе напряжений, равном Испытания проводили с частотой 5 Гц на испытательной машине фирмы «SCHENCK», имеющей гидравлические захваты, препятствующие повороту образца. Это обстоятельство было учтено соответствующей расчетной схемой при определении траектории трещины и КИН (см. рис. 5.26).

Развитие усталостной трещины определяли по боковым поверхностям образца. Такой прием был вполне, правомочен, так как при предварительных испытаниях при помощи разноцветных красок, заливаемых в процессе развития трещины по ее фронту, было установлено, что глубина трещины на всей ширине образца практически одинакова - (фронт трещины прямой).

После разрушения при помощи пластилиновых слепков определялась траектория развития трещины посередине ширины образца. Такие замеры были произведены с целью более корректного. сопоставления экспериментальных данных с расчету ными, так как расчеты по определению и траектории трещины проводили в двумерной постановке (условие плоской деформации), при которой не учитываются концевые эффекты и, следовательно, наиболее правильно отражаются проз цессы, происходящие в срединной части образца.

Развитие трещины наблюдали от исходной трещины - глубиной примерно которая была получена посредством

циклического нагружения образцов по симметричному циклу с амплитудой . При таком нагружении отсутствовало перераспределение при расчете траектории трещины и КИН можно було использовать поле напряжений, полученное после: сварки. Расчетные траектории трещин при различных режимах нагружения представленные на рис. 5.8 и 5.9, практически полностью соответствовали экспериментальным.

Рис. 5.31. Зависимости максимальных значений размаха и долговечности от длины трещины в соединении подкрепления отверстия штуцер 3

Отличие расчетных и экспериментальных траекторий во всех случаях не превышало

Результаты сопоставления экспериментальных и расчетных зависимостей длины усталостной трещины от числа циклов нагружения в исследуемых тавровых и стыковых соединениях показаны на рис. 5.28. Максимальная относительная погрешность по долговечности составляет около что свидетельствует о достаточно хорошей сходимости результатов расчетов по разработанным методикам с экспериментальными данными. Для сравнения был проведен расчет долговечности исследуемых соединений без учета! ОСН (рис. 5.28,б). Из рис. 5.28,6 видно, что ОСН оказывают существенное влияние на долговечность сварных соединений, причем это влияние тем больше, чем меньше уровень максимальных растягивающих напряжений в цикле.

Испытание соединения подкрепления отверстия штуцер 3, (см. табл. 5.1, рис. 5.31) проводили при пульсирующем

нагружении равномерным давлением (расчетная схема и размеры образца приведены на рис. 5.31) [86]. Давление подбирали таким образом, чтобы радиальные напряжения в диске в районе шва были равны Расстояние от шва при определении напряжений выбирали так, чтобы не сказывалась концентрация напряжений, обусловленная наличием усиления сварного шва. Отсчет количества циклов нагружения велся с момента формирования цилиндрической или достаточно протяженной трещины вдоль шва.

Таблица 5.4. (см. скан) Сопоставление результатов расчета с экспериментальными данными по разнитию трещины в соединении подкрепления отверстия

При этом глубина трещины составляла примерно Поскольку в данном случае было очень сложно исследовать кинетику трещины, фиксировалось только количество циклов, соответствующее разгерметизации соединения (выход масла, при помощи которого осуществлялась передача давления на внешнюю поверхность образца).

При расчете развития усталостной трещины, производившемся в осесимметричной постановке, учитывалось перераспределение ОСН, происходящее в процессе нагружения образца до образования трещины. Траектория распространения трещины и ОСН после сварки и нескольких циклов нагружения (система ОН отвечает условию приспособляемости) показаны на рис. 5.12. Расчет КИН и долговечности проводили до момента, когда глубина трещины соответствовала 0,7 ее толщины (рис. 5.31), так как при испытаниях такого рода характерно развитие трещин не только с растянутой стороны, но и со сжатой внутренней стороны и объединение их наступает на расстоянии приблизительно 0,3 толщины диска относительно сжатой стороны.

Сопоставление результатов расчета с экспериментальными данными, приведенное в табл. 5.4, подтверждает хорошее их соответствие. Следовательно, расчетный анализ развития усталостных трещин в такого рода соединениях может проводиться в осесимметричной постановке.