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 /(δ b) ≤ [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 /(0,7k l) ≤ [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 = 2 l _ф, для з'єднання лобовими швами (рисунок 38б) l = 2 l _л, а для з'єднання комбінованими швами (рисунок 38в) l = 0,28 l _л + 1,5 l _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 = lе ₂/(e ₁ + e ₂); l _Ф2 = lе ₁/(е ₁ + е ₂).

 

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 = 2 T /(0,7kπd²); (57)

 

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

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 / W p, де W p – 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 /(0,7k lb) ≤ [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 F ₁ = F cos α, F ₂ = F sin α, а також моментом Μ = F ₂ h.

 

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 _{F 1} = F ₁/(2∙0,7k l); τ _{F 2} = F ₂/(2∙0,7k l); τ _M = M /(0,7k lb).